礦山動(dòng)態(tài)輕軌衡數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)

鄭傳行 陳建

摘要：為滿足野外礦山環(huán)境下礦山動(dòng)態(tài)輕軌衡高速數(shù)據(jù)采集目的，本文設(shè)計(jì)一種動(dòng)態(tài)輕軌衡數(shù)據(jù)采集器。本設(shè)計(jì)以ARM 7處理器為核心，處理器的激勵(lì)電壓由220V交流市電經(jīng)轉(zhuǎn)換后提供。處理器利用自身模數(shù)轉(zhuǎn)換功能對(duì)模擬稱重傳感器采集到的模擬信號(hào)數(shù)字化并預(yù)處理后，通過(guò)RS485接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，針對(duì)處理器供電電源以及信號(hào)輸入端設(shè)計(jì)了防雷電路以保護(hù)核心器件免受雷擊破壞。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)輕軌衡；數(shù)據(jù)采集器；稱重傳感器；RS485

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）22-0250-02

Abstract： A data acquisition unit for dynamic weighing bridge is designed for the purpose of high-speed data collection in the wild environment. This unit is designed based on ARM7 processor， whose excitation voltage is provided after conversion of 220V alternating current. The simulate signal collected by simulate weighing sensor is converted to digital form and processed in ARM7 processor. The processor communicates with the next higher level equipment by RS485 interface. In order to protect the core devices from lightning damage， lightning protection circuit is designed at the ports of CPU power supply and signal input.

Key words： dynamic weighing bridge； data acquisition unit； weight sensor； RS485

1 引言

礦山動(dòng)態(tài)輕軌衡系統(tǒng)工作原理是：通過(guò)在礦井口安裝高精度稱重傳感器，配置前端數(shù)據(jù)采集器對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集與預(yù)處理后，通過(guò)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)鏈路將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到控制室的上位機(jī)，在上位機(jī)中對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算后，最終結(jié)果輸送到各級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器上，服務(wù)器上搭建了綜合監(jiān)控信息管理軟件，煤礦各管理部門根據(jù)各自分配的權(quán)限，查詢或打印煤礦產(chǎn)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)礦山資源控制與生產(chǎn)監(jiān)控的科學(xué)化。

2 礦山動(dòng)態(tài)輕軌衡數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)要求

礦山動(dòng)態(tài)輕軌衡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器安裝于礦洞出口，對(duì)礦洞出來(lái)的礦車在不停車狀態(tài)下進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理。因?yàn)樵O(shè)備安裝于野外礦山，其工作環(huán)境比傳統(tǒng)鐵路軌道衡和公路汽車衡惡劣很多，所以前端設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與處理也困難得多[1]。由于礦洞口通常有一定坡度，為避免礦車在洞口發(fā)生倒流危險(xiǎn)，所以動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中礦車不能停車甚至不能減速，這對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)的快速采集與預(yù)處理提出了很高要求，傳統(tǒng)微控制器X86架構(gòu)單片機(jī)已無(wú)法勝任。數(shù)據(jù)采集與傳輸過(guò)程若采用模擬稱重傳感器“模擬采集+模擬傳輸”模式，則信號(hào)易受干擾而且傳輸距離短。而采用數(shù)字稱重傳感器的“數(shù)字采集+數(shù)字傳輸”模式雖能較好解決這些問(wèn)題，但數(shù)字稱重傳感器一旦出現(xiàn)故障無(wú)法修理只能整體更換，維護(hù)成本大大增加。在數(shù)據(jù)通訊上，傳統(tǒng)RS-232模式傳送距離短且只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)傳輸，無(wú)法滿足野外測(cè)量的遠(yuǎn)距離“多站”[2]傳輸需求。另外，數(shù)據(jù)采集器的核心元件微處理器若采用電池供電，會(huì)面臨電池電量減弱或耗盡而隨時(shí)更換的問(wèn)題，后期維護(hù)的難度與成本增加。最后，對(duì)于野外環(huán)境而言設(shè)備能否承受雷擊電涌的沖擊破壞也是設(shè)備正常運(yùn)行的重要前提。

3 數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種動(dòng)態(tài)輕軌衡數(shù)據(jù)采集器。該采集器選用性能遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)單片機(jī)的ARM 7微處理器完成數(shù)據(jù)的快速采集與預(yù)處理，ARM 7自帶的AD轉(zhuǎn)換功能對(duì)模擬傳感器采集到的模擬重量信號(hào)數(shù)字化并預(yù)處理后，以RS485通訊接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)通訊。本采集器采用的“模擬采集+數(shù)字傳輸”模式既解決了“模擬采集+模擬傳輸”模式信號(hào)傳輸干擾大的弊端，又避免了“數(shù)字采集+數(shù)字傳輸”模式數(shù)字稱重傳感器故障后必須整體更換昂貴的數(shù)字傳感器。RS485通訊很好地滿足了遠(yuǎn)距離“多站”傳輸需求，另外針對(duì)野外工作必須面對(duì)的雷擊問(wèn)題增加了保護(hù)電路。該數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1，采集器的核心元件是ARM 7芯片，220V交流電源經(jīng)變壓器變壓、整流電路整流、穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后，為ARM 7提供激勵(lì)電壓。系統(tǒng)采集與傳輸模式為“模擬采集+數(shù)字傳輸”，即模擬稱重傳感器采集到的模擬數(shù)據(jù)由接線端子接入ARM 7芯片的ADC管腳，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)預(yù)處理后，最后以數(shù)字形式由RS485接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，在ARM 7芯片的電源及信號(hào)端都設(shè)計(jì)了有防雷擊保護(hù)電路。

4 數(shù)據(jù)采集器的具體實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集器的詳細(xì)電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2，對(duì)其工作原理詳細(xì)闡述如下。

本數(shù)據(jù)采集器的任務(wù)首先是對(duì)模擬稱重傳感器采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，然后就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理[3]，包括信號(hào)的32位均值濾波、礦車上下衡判別、行進(jìn)方向判別等功能。因?yàn)橄到y(tǒng)必須在不停車狀態(tài)下高速完成數(shù)據(jù)數(shù)字化及預(yù)處理過(guò)程，所以對(duì)數(shù)據(jù)采集器核心元件微處理器的計(jì)算速度要求很高。傳統(tǒng)單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)各種邏輯和非邏輯控制，但不具備強(qiáng)大的計(jì)算能力，無(wú)法滿足要求。ARM處理器集高性能、低功耗、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)于一身，完全能滿足本數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)需求，本設(shè)計(jì)在滿足需求前提下結(jié)合價(jià)比因素選擇ARM 7系列的S3C44B0X。該芯片內(nèi)部集成了ARM7TDMI內(nèi)核，并在內(nèi)核基本功能基礎(chǔ)上集成了豐富的外圍功能模塊，非常適合低成本嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。S3C44B0X自帶8路10位ADC，最大轉(zhuǎn)換速率100KSPS/10位，經(jīng)論證完全達(dá)到本系統(tǒng)中對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)數(shù)字化的要求，將模擬稱重傳感器的信號(hào)輸出端直接與S3C44B0X的ADC管腳相連實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

S3C44B0X芯片正常工作需要+3.3V直流電壓進(jìn)行供電，如果采用電池對(duì)供電的話會(huì)面臨使用中電池電量減弱或耗盡隨時(shí)需要更換的問(wèn)題，將增加維護(hù)的難度與成本。本設(shè)計(jì)中放棄電池供電方案，如圖2所示，將220V交流市電經(jīng)變壓器T變壓后減小、整流橋整流、穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后，產(chǎn)生+3.3V直流電接到S3C44B0X的驅(qū)動(dòng)電源管腳為其供電。電路中整流橋和穩(wěn)壓芯片分別選用MB10S和ASM1117-33，電容C1、C2為濾波電容。

經(jīng)ARM 7預(yù)處理后的數(shù)據(jù)要傳送到上位機(jī)，數(shù)據(jù)采集器作為前端設(shè)備安裝在出礦口，而上位機(jī)作為控制設(shè)備放置于幾百米外，而且一個(gè)上位機(jī)同時(shí)對(duì)應(yīng)不同出礦口的多個(gè)數(shù)據(jù)采集器，二者之間屬于“多站”連接模式。因?yàn)閭鹘y(tǒng)RS232屬于單線傳輸（無(wú)法實(shí)現(xiàn)“多站”連接）而且傳輸距離短（最大通信距離僅15m），無(wú)法滿足本系統(tǒng)需求。RS485傳輸距離遠(yuǎn)（最大通信距離約1219m）、傳輸速度快（最高傳輸速率為10Mbps），而且具有“多站”能力（最多可支持總線上連接400個(gè)收發(fā)器），所以本設(shè)計(jì)采用RS485通訊接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。

因?yàn)楸緮?shù)據(jù)采集器要安裝在野外礦山環(huán)境，所以電路的防雷擊設(shè)計(jì)是設(shè)備正常運(yùn)行的重要保證，尤其針對(duì)核心器件ARM 7芯片的保護(hù)至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)中在ARM 7芯片的供電電源及輸入信號(hào)端都設(shè)計(jì)了防雷擊保護(hù)電路。防雷擊電路由陶瓷氣體放電管GDT1、GDT2和瞬態(tài)抑制二極管TVS1、TVS2并聯(lián)組成，分別接到ARM 7芯片的電源和信號(hào)輸入端，根據(jù)不同連接位置選擇不同參數(shù)元件。陶瓷氣體放電管GDT的優(yōu)點(diǎn)是通流量大、缺點(diǎn)是響應(yīng)慢；瞬態(tài)抑制二極管TVS剛好相反，優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快但通流量小。所以將二者并聯(lián)使用，在雷擊浪涌沖擊到來(lái)時(shí)，TVS管先快速響應(yīng)并泄掉少部分浪涌能量，并實(shí)現(xiàn)電壓的鉗位保護(hù)，剩余的大部分浪涌能量由GDT隨后泄放以達(dá)到電路的完全保護(hù)。雖然單獨(dú)采用GDT或TVS也可以達(dá)到一定的防雷目的，但將二者并聯(lián)使用能實(shí)現(xiàn)兩種器件抗雷擊性能的互補(bǔ)，更好地保護(hù)線路中的器件免受雷擊浪涌脈沖的損壞。另外，兩種器件在沒(méi)有過(guò)壓時(shí)都呈高阻值狀態(tài)，所以正常運(yùn)行時(shí)對(duì)線路影響都非常小。

5 結(jié)束語(yǔ)

本數(shù)據(jù)采集器以模擬稱重傳感器的模擬信號(hào)為輸入，內(nèi)部對(duì)信號(hào)數(shù)字化采樣及預(yù)處理后，以數(shù)字形式輸出。這種傳輸方式既克服了純模擬傳輸受干擾大、傳輸短的弊端，又能避免了純數(shù)字傳輸中數(shù)字傳感器維護(hù)成本高的問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用表面，該采集器性能穩(wěn)定而且維護(hù)方便。

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁躍清，王東，許濤等.動(dòng)態(tài)礦用輕軌衡動(dòng)態(tài)稱量結(jié)果的測(cè)量不確定度評(píng)定[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2012，39（1）：38-39.

[2] 鄭傳行.煤礦動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)嵌入式硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2014，40（223）：4-7.

[3] 鄭傳行，陳建.礦用動(dòng)態(tài)輕軌衡關(guān)鍵技術(shù)研究[J].礦山機(jī)械，2011，39（7）：39-42.

【通聯(lián)編輯：梁書】