礦井提升機(jī)超載預(yù)警系統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計(jì)

王澤林 朱彥谞 張敬淇 朱昱霖 張宸毓

摘要：為解決礦井提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中存在的超載提升，鋼絲繩受力不均等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款基于ARM的嵌入式礦井提升機(jī)超載預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的傳感技術(shù)、Sub-G無(wú)線通信技術(shù)、工業(yè)級(jí)嵌入式ARM微控制器技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)超載監(jiān)測(cè)和鋼絲繩張力差監(jiān)測(cè)，有效地避免事故的發(fā)生。由于礦井提升機(jī)屬移動(dòng)設(shè)備，無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置只能用電池供電，因此整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型皆遵循低功耗原則。

關(guān)鍵詞：ARM;低功耗;無(wú)線傳輸;數(shù)據(jù)采集;嵌入式

中圖分類(lèi)號(hào)：TD76 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）07-0178-04

Design of Wireless Data Acquisition Device for

Overload Warning System of Mine Hoist

WANG Zelin，ZHU Yanxu，ZHANG Jingqi，ZHU Yulin，ZHANG Chenyu

（China University of Mining and Technology-Beijing，Beijing? 100083，China）

Abstract：In order to solve the problem of overload hoisting and uneven force of wire rope in the operation process of mine hoist，an embedded overload warning system of mine hoist based on ARM is designed. The system adopts advanced sensor technology，Sub-G wireless communication technology and industrial embedded ARM microcontroller technology to realize real-time data acquisition and wireless transmission，realize overload monitoring of hoist and tension difference monitoring of wire rope，and effectively avoid accidents. Because the mine hoist is a mobile device，the wireless data acquisition device can only be powered by battery，so the design and selection of the whole system follow the principle of low power consumption.

Keywords：ARM;low power consumption;wireless transmission;data acquisition;embedded

收稿日期：2021-03-14

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助（C202004856）

0? 引? 言

礦井提升機(jī)是我國(guó)煤礦生產(chǎn)中一種使用較為頻繁的機(jī)械設(shè)備，為礦產(chǎn)的順利開(kāi)采提供技術(shù)保障[1]?，F(xiàn)代礦井都采用全自動(dòng)重型礦井提升機(jī)，具有容量大、速度快的特點(diǎn)。但有些煤礦為了提高生產(chǎn)效率而超負(fù)荷運(yùn)煤，這大大增加了礦井的危險(xiǎn)系數(shù)，因此礦井提升機(jī)的安全運(yùn)行問(wèn)題日益得到重視[2]。

國(guó)家已經(jīng)出臺(tái)了一系列標(biāo)準(zhǔn)，要求定期對(duì)礦井提升機(jī)進(jìn)行檢修。但由于礦井提升機(jī)工作強(qiáng)度大，出現(xiàn)故障的時(shí)間不能確定，定期檢修并不能完全杜絕故障的發(fā)生;另外，檢修時(shí)提升機(jī)要停止工作，這樣會(huì)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程造成一定的影響;并且檢修的時(shí)候需要對(duì)提升機(jī)進(jìn)行拆卸，而頻繁的拆卸會(huì)損害提升機(jī)的性能，反而提高了故障的發(fā)生率。預(yù)警系統(tǒng)與傳統(tǒng)的定期檢修相比，大大降低了檢修成本，這對(duì)于確保提升機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，保證礦井的安全生產(chǎn)具有極其重要的意義[3]。因此通過(guò)技術(shù)手段對(duì)礦井提升機(jī)的安全運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)故障及安全隱患進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，積極采取應(yīng)對(duì)措施，是目前較為常用的故障診斷形式和方法[4]。

1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)分為兩類(lèi)，一種是纏繞式提升機(jī)，另一種就是現(xiàn)在礦井常用的摩擦式提升機(jī)[5]。本文的礦井提升機(jī)超載預(yù)警系統(tǒng)針對(duì)多繩摩擦提升機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸裝置兩部分組成。無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置安裝于提升箕斗上，實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)分鋼絲繩油缸和總鋼絲繩油缸的壓力采集、換算和傳輸。通過(guò)比較四個(gè)分鋼絲繩的拉力可判斷各鋼絲繩的受力是否均勻，避免因受力不均而導(dǎo)致墜落事故的發(fā)生，根據(jù)總鋼絲繩拉力判斷箕斗是否超重。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸裝置分別安裝在礦井頂部和底部，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的接收以及對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置的喚醒。系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示。

當(dāng)一個(gè)箕斗到達(dá)礦井頂部時(shí)，系統(tǒng)觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)，將到達(dá)信號(hào)傳輸給地面上的傳輸裝置，后者通過(guò)CAN總線將信號(hào)傳輸給井底傳輸裝置。井底傳輸裝置隨即將位于井底的采集裝置喚醒，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集過(guò)程中壓力傳感器將油缸壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器和AD轉(zhuǎn)換器處理后傳輸給MCU。MCU將油缸壓力換算成相應(yīng)的鋼絲繩拉力和提升機(jī)載荷，最后經(jīng)無(wú)線模塊發(fā)送給礦井底部的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸裝置。傳輸裝置收到數(shù)據(jù)后予以應(yīng)答，同時(shí)通過(guò)CAN總線將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)箕斗離開(kāi)地面一定距離后3秒內(nèi)無(wú)法收到應(yīng)答信號(hào)，采集裝置進(jìn)入休眠模式等待下次喚醒以達(dá)到節(jié)電目的。無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置如圖2所示。

2? 系統(tǒng)硬件選型及電路設(shè)計(jì)

無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置的主要作用是采集箕斗的重量，并將所采集的重量數(shù)據(jù)傳輸給井下無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸裝置。同時(shí)采用高精度電源為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片提供基準(zhǔn)電壓，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。無(wú)線數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

以下為系統(tǒng)硬件選型：

（1）壓力傳感器。采用MIK-P300壓力傳感器，該壓力傳感器的壓力核心采用高性能的硅壓阻式壓力充油芯片，內(nèi)部的專(zhuān)用集成電路將傳感器毫伏信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流或頻率信號(hào)，可以直接與計(jì)算機(jī)接口、控制儀表、智能儀表或PLC等連接。遠(yuǎn)距離傳輸可以采用電流輸出。具有體積小，重量輕的優(yōu)勢(shì)，全不銹鋼密封系統(tǒng)可以在腐蝕環(huán)境中工作，具有較高的抗震和抗沖擊性能。工作電源9～36 V，輸出電壓0～5 V，精度0.1% F.S。

（2）運(yùn)算放大器。AD8606是單電源雙路運(yùn)算放大器，單電源供電為2.7～5.5 V，額定溫度范圍為-40 ℃～+125 ℃擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍。主要性能指標(biāo)為，低失調(diào)電壓65 μV（最大值）、低輸入偏置電流1 pA（最大值）、高開(kāi)環(huán)增益1 000 V/mV。

電壓跟隨器是運(yùn)算放大器的特例，是同向輸入、放大倍數(shù)為1的運(yùn)算放大電路。具體接線是運(yùn)放的同相端輸入，反相端和輸出短接。優(yōu)點(diǎn)是輸入阻抗大，輸出阻抗小，還可以隔離前后級(jí)電路，消除它們之間的相互影響，可以作為模擬信號(hào)的采樣輸入。運(yùn)算放大器1和2電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

（3）ADC。LTC1408具有6個(gè)單獨(dú)的差分輸入，這能確保在同一時(shí)刻轉(zhuǎn)換所有鋼絲繩上的拉力，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。同時(shí)LTC1408具有的14位精度能夠滿(mǎn)足實(shí)際情況下的精度要求。根據(jù)BIP引腳狀態(tài)的不同，該器件可對(duì)0～2.5 V單極輸入（或±1.25 V雙極輸入）實(shí)施差分轉(zhuǎn)換。任何模擬輸入均可擁有軌至軌擺幅，只要差分輸入范圍得以保持即可。LTC1408電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

（4）MCU。LPC824M201JHI33芯片是一款基于ARM Cortex-MO+的低成本32位MCU系列器件，工作時(shí)CPU頻率高達(dá)30 MHz，支持最高32 kB閃存和8 kB SRAM。此外，該芯片還具有低功耗特點(diǎn)，可進(jìn)行電源管理，在3.3 V供電下，休眠電流低至0.4 mA。配套外設(shè)：一個(gè)CRC引擎、四個(gè)I2C總線接口、三個(gè)USART（最多）、兩個(gè)SPI接口（最多）、一個(gè)多速率定時(shí)器、一個(gè)自喚醒定時(shí)器、一個(gè)帶PWM功能的狀態(tài)可配置定時(shí)器（SCTimer/PWM）、一個(gè)DMA、一個(gè)12位ADC、一個(gè)模擬比較器、功能可配置I/O端口（可通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣配置）、一個(gè)輸入模式匹配引擎和29個(gè)通用I/O引腳（最多）。

（5）無(wú)線模塊。SI4438是一款高性能、低電流，ISM無(wú)線收發(fā)器，1.8～3.6 V的寬電壓供電范圍和低功耗，非常適合于電池供電應(yīng)用中。SI4438內(nèi)部集成有時(shí)分雙工（TDD）收發(fā)器，以分組交替的形式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，杰出的-124 dBm靈敏度，超高的+20 dBm輸出功率，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的144 dB鏈路預(yù)算，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展和高度可靠的通信鏈路。SI4438電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

（6）EEPROM。本系統(tǒng)使用CAT1025存儲(chǔ)固定參數(shù)。CAT1025的電源監(jiān)控電路和復(fù)位電路可在系統(tǒng)上、下電時(shí)保護(hù)存儲(chǔ)器和系統(tǒng)微控制器，防止掉電條件的產(chǎn)生。片內(nèi)2k位的串行EEPROM構(gòu)成16字節(jié)的頁(yè)。CAT1025包含1個(gè)精確的VCC監(jiān)控測(cè)電路和2個(gè)開(kāi)漏輸出。CAT1025還具有寫(xiě)保護(hù)輸入功能。若要禁用寫(xiě)操作，只需將WP與高電平相連即可。存儲(chǔ)器采用400 KHz的I2C總線接口，工作電壓范圍為2.7～5.5 V，16字節(jié)的頁(yè)寫(xiě)緩沖區(qū)，1 000 000個(gè)編程/擦除周期，具有工業(yè)級(jí)及擴(kuò)展的溫度范圍。

（7）基準(zhǔn)電壓源。ADR4550具有高精度、低輸出噪聲和出色的溫度穩(wěn)定性。采用8引腳SOIC封裝，可提供較寬的輸出電壓范圍。主要性能指標(biāo)：標(biāo)稱(chēng)電壓5 V，輸入電壓范圍3～15 V，初始精度±0.02%（最大值），工作溫度范圍-40 ℃～+125 ℃，950 μA的最大工作電流和300 mV的最大低壓差。

（8）LDO。LP2992AIM5-5.0/NOPB（5 V），將蓄電池的12 V電壓變?yōu)? V，給運(yùn)算放大器、ADC和基準(zhǔn)電壓源供電。是具有使能功能的250 mA、16 V低壓降穩(wěn)壓器。輸入電壓范圍為2.2～16 V，輸出電壓可選1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V、5 V。

LP5907QMFX-3.3Q1，將5 V電壓變?yōu)?.3 V，給MCU、無(wú)線模塊和ADC供電。輸入電壓范圍2.2～5.5 V，輸出電壓范圍1.2～4.5 V。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)同樣遵循低功耗原則，主要體現(xiàn)在礦井提升機(jī)在提升過(guò)程中無(wú)須進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入休眠模式以達(dá)到節(jié)電目的，與低功耗的硬件選型相互配合，構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)上電之后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入休眠模式等待喚醒。當(dāng)一個(gè)箕斗到達(dá)礦井頂部時(shí)，相應(yīng)的另一個(gè)箕斗會(huì)到達(dá)礦井底部開(kāi)始裝載。箕斗在到達(dá)礦井頂部時(shí)會(huì)觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)，將到達(dá)信號(hào)傳輸給地面上的傳輸裝置，地面上的傳輸裝置通過(guò)CAN總線將信號(hào)傳輸給井底傳輸裝置。井底傳輸裝置隨即發(fā)送喚醒信號(hào)。井底采集裝置收到喚醒信號(hào)后，MCU將控制壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換后交給MCU處理，最后通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送，同時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器。井底傳輸裝置若成功接收到數(shù)據(jù)則會(huì)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，若在3秒內(nèi)收到接收裝置的應(yīng)答，定時(shí)器清零并進(jìn)入下一次的數(shù)據(jù)采集過(guò)程，否則進(jìn)入休眠模式，等待再次喚醒。程序流程圖如圖7所示。

4? 結(jié)? 論

通過(guò)采用SI4438無(wú)線模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸解決了礦井提升機(jī)這一移動(dòng)設(shè)備布線難的問(wèn)題。同時(shí)由于礦井提升機(jī)是移動(dòng)設(shè)備故系統(tǒng)只能使用電池供電，因此無(wú)論是硬件選型還是軟件設(shè)計(jì)，都充分考慮到低功耗原則，在無(wú)須采集數(shù)據(jù)時(shí)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入低功耗模式，有效地減少了電池更換的頻率。系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)芯片設(shè)計(jì)，穩(wěn)定可靠，適應(yīng)煤礦惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。本產(chǎn)品與同類(lèi)產(chǎn)品相比，競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)，具有比較廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。

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作者簡(jiǎn)介：王澤林（2000—），男，漢族，重慶人，本科在讀，研究方向：信息工程。