論一種高精度礦用液壓支柱無線監(jiān)測的電路設(shè)計(jì)方法

馬曉蘭

摘 要：綜合工作面是礦井生產(chǎn)的核心場所，液壓支架在綜合采礦工作面起著重要的支護(hù)作用。為科學(xué)管理礦井煤礦生產(chǎn)安全、減少頂板事故，采煤現(xiàn)場需對綜合工作面液壓支架的支護(hù)狀況進(jìn)行監(jiān)測。目前有很多礦用液壓支柱無線監(jiān)測方法，文章僅探討一種相對較高精度硬件電路設(shè)計(jì)方法。文章所研究的監(jiān)測系統(tǒng)以液壓支架壓力作為監(jiān)測對象，由終端采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)兩部分組成。終端采集節(jié)點(diǎn)安裝在每個(gè)液壓支架上，用來監(jiān)測支架壓力，路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將收到的數(shù)據(jù)通過多跳的方式傳給上位機(jī)。對節(jié)點(diǎn)間的通信及終端節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測可靠性和功耗進(jìn)行了測試，表明本系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、體積小、成本低、測量精度高等特點(diǎn)?？煽康谋O(jiān)測降低了開采面事故發(fā)生，提高了人身設(shè)備安全，降低功耗提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和使用壽命。

關(guān)鍵詞：液壓支架；監(jiān)測；電路設(shè)計(jì)

1 液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)模型的建立

1.1 無線通信技術(shù)

液壓支架工作環(huán)境比較復(fù)雜，通信頻率、巷道的傾斜程度和井下的導(dǎo)體等多種因素都會(huì)影響無線通信信號(hào)。因此在設(shè)計(jì)礦井液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)必須要考慮到井下的特殊環(huán)境，考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。通過對目前市場上常用的無線通信技術(shù)比較，本文將ZigBee短距離無線通信技術(shù)應(yīng)用于礦井環(huán)境監(jiān)測中。

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率的雙向無線通信技術(shù)，有自己的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以在很多傳感器間進(jìn)行通信，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，主要應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定位，具有低功耗、近距離、短延遲、低速率、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、高安全性、工作頻段靈活的特點(diǎn)。

1.2 液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)模型

液壓支架會(huì)隨著煤礦開采工作的推進(jìn)而移動(dòng)，但移動(dòng)的距離很短。液壓支架的排列呈直線型，針對液壓支架的這種物理排布情況，節(jié)點(diǎn)的分布也應(yīng)是帶狀的。采用星形與網(wǎng)狀的混合網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡潔、節(jié)點(diǎn)功耗減少，每個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信采用單跳通信，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的路由節(jié)點(diǎn)采用多跳通信。在實(shí)際工作環(huán)境中，每個(gè)液壓支架上放置一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，每隔3個(gè)液壓支架放置一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)。在礦井實(shí)際環(huán)境中，液壓支架的排列呈直線型，節(jié)點(diǎn)的分布是帶狀的，整體網(wǎng)絡(luò)組成簇型線狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 電路詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案分為2部分，一是終端采集節(jié)點(diǎn)，二是路由節(jié)點(diǎn)。終端采集節(jié)點(diǎn)包括電源管理模塊、傳感器、信號(hào)調(diào)理電路。終端節(jié)點(diǎn)采用定時(shí)喚醒模式，降低功耗，提高監(jiān)測系統(tǒng)的使用壽命。終端采集節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)通過線纜連接。每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)最大可以連接3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，即相鄰的三個(gè)液壓支架需要采用同一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)。每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)5V的電池供路由節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)使用。路由節(jié)點(diǎn)將從終端節(jié)點(diǎn)獲得的模擬信號(hào)經(jīng)過ADC芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過ZigBee射頻口傳送給井下匯聚節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)也帶有顯示功能與按鍵，可以任何時(shí)候被喚醒查看3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的壓力數(shù)值。

終端采集節(jié)點(diǎn)的作用如下：將壓力傳感器轉(zhuǎn)換的微弱模擬信號(hào)進(jìn)行放大并通過線纜傳輸給路由節(jié)點(diǎn)；每個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)帶有一片數(shù)據(jù)記錄芯片，對由于傳感器及放大電路帶來的誤差進(jìn)行偏差校準(zhǔn)。

路由節(jié)點(diǎn)的作用主要如下：每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)需要有一個(gè)5V電池供電路板使用；每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)可以連接3個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)，對終端采集節(jié)點(diǎn)的模擬信號(hào)進(jìn)行處理并通過RF模塊傳送給井下匯聚節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)帶有簡單的顯示模塊，便于工人就近查看支架壓力；路由節(jié)點(diǎn)需要有相應(yīng)的按鍵，以便在屏幕關(guān)閉情況下喚醒屏幕；路由節(jié)點(diǎn)電路板能對每個(gè)功能模塊進(jìn)行電源管理，便于降低整個(gè)系統(tǒng)功耗；路由節(jié)點(diǎn)單片機(jī)必須采用低功耗單片機(jī)；路由節(jié)點(diǎn)的電壓輸入需要適應(yīng)較寬的電壓范圍。

終端節(jié)點(diǎn)電路板設(shè)計(jì)能使用目前市場上絕大部分的壓力傳感器，且內(nèi)部帶有數(shù)字校準(zhǔn)芯片，可以對每一套終端節(jié)點(diǎn)由于分離元器件帶來的偏差進(jìn)行校準(zhǔn)。

煤礦中的電磁干擾較大，為了調(diào)高測量精度，此方案設(shè)計(jì)必須把壓力傳感器與信號(hào)放大電路就近放置。且此方法可以把由傳感器與放大校準(zhǔn)電路組成的模塊變?yōu)橐粋€(gè)液壓監(jiān)測的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化變送器。

2.1 放大電路部分設(shè)計(jì)

為了能更好的調(diào)配放大電路的帶寬、放大倍率，放大器沒有選擇專用的儀表放大器而選擇了四個(gè)獨(dú)立的高性能放大器TI公司的OP4376，相對于普通的儀表放大器一般偏置電流在幾十pA以上，輸入偏置電壓在幾十微伏級(jí)別，OP4376有較低的輸入偏置電流典型值0.2pA與輸入偏置電壓典型值5uV，可以對uV級(jí)的信號(hào)變動(dòng)進(jìn)行采集。且此運(yùn)放的價(jià)格TI官網(wǎng)公布為1.4$，并不貴。經(jīng)過實(shí)測此電路設(shè)計(jì)的輸入采樣精度能達(dá)到5uV。

2.2 電源部分設(shè)計(jì)

電源芯片采用的是MCP1252，為目前市場上用量較大的一款電源芯片，輸入電壓范圍相對較寬，且屬于無感式開關(guān)電源芯片，可以縮小終端節(jié)點(diǎn)的體積。效率相對也比較高。而且?guī)в须娫垂芾砜刂埔_，可以對終端節(jié)點(diǎn)的功耗進(jìn)行有效管理進(jìn)而降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

2.3 校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)

本文建議校準(zhǔn)芯片采用一線制的數(shù)字EEPROM芯片，具體型號(hào)不再指導(dǎo)。

2.4 路由節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)：

2.4.1 電源模塊設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)輸入電源由電池供電，電壓比較穩(wěn)定，考慮到電池在滿電與低電壓兩種情況下壓差較大，本文采用了寬范圍的輸入電源芯片TPS63060（輸入電壓范圍2.5-12V），此電壓范圍能使用大量的本安電源。且此電源芯片的電流高達(dá)2.25A足夠整個(gè)系統(tǒng)使用，即使是輸入的電壓降到2.5V級(jí)別。

本設(shè)計(jì)還采用了3個(gè)mos開關(guān)管對系統(tǒng)的不同終端節(jié)點(diǎn)的電源進(jìn)行管理，在電源功率方面采用了信號(hào)控制與電源切斷雙重保護(hù)的方式來降低功耗。

2.4.2 接口電路

接口電路中有3個(gè)連接終端節(jié)點(diǎn)接插件，包括插頭輸入檢測（插頭第6引腳與第5引腳通過在外圍插頭上短路，進(jìn)行判斷終端節(jié)點(diǎn)的接通），對輸入信號(hào)做了RC濾波與SMBD7000鉗位保護(hù)處理。

在與ZigBee模塊通信上采用了串口通信，此處不再做介紹。

整個(gè)系統(tǒng)的單片機(jī)采用TI公司的MSP430低功耗系列。此芯片有8路12位ADC輸入引腳?？梢岳么艘_直接對終端節(jié)點(diǎn)傳來的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。為了現(xiàn)場方便查看設(shè)置了兩個(gè)按鍵開關(guān)（KEY1 KEY2）與6位8段數(shù)碼管，可以通過軟件編寫實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的液壓支柱壓力檢測、電池電壓檢測、RF通信連接等功能。

整個(gè)電路在設(shè)計(jì)中嚴(yán)格按照礦用本安電路設(shè)計(jì)，屬于本安型電路，若再配本安型電池為系統(tǒng)供電后，本系統(tǒng)就可以變?yōu)楸景残偷V用液壓支柱監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)電路經(jīng)過實(shí)際測試正常情況下整個(gè)系統(tǒng)功耗在mW級(jí)別，且經(jīng)過15個(gè)月的測試未發(fā)現(xiàn)任何不良現(xiàn)象，完全能夠使用到實(shí)際現(xiàn)場。

參考文獻(xiàn)

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