基于TMS320F28335的煤礦綜采監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

張文慶，張一澍

（蘭州交通大學(xué) 新能源與動(dòng)力工程學(xué)院，蘭州 730070）

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國［1］.在煤礦井下作業(yè)中，礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度、風(fēng)速、溫度、濕度、礦車載重以及巷道狀況均需要監(jiān)測，因此，結(jié)合安全監(jiān)控技術(shù)、傳感器技術(shù)、綜合信息傳輸技術(shù)以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)［2-3］，研究一種自動(dòng)化的井下安全監(jiān)測裝置很有必要.

我國的煤礦監(jiān)測監(jiān)控起步于20世紀(jì)80年代［4］，KJ83X（A）是我國煤科院研制出的新一代數(shù)字式監(jiān)控系統(tǒng)，文獻(xiàn)［5］在該系統(tǒng)原有的功能上，自主開發(fā)了防水封巷道智能預(yù)警裝置、自主噴霧遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及礦用封門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，有力提高了監(jiān)控系統(tǒng)的性能；文獻(xiàn)［6］以田陳煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的升級改造為例，對原用的KJ90NB的技術(shù)規(guī)范、升級標(biāo)準(zhǔn)做了統(tǒng)一處理，使得田陳煤礦實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化信息傳輸；文獻(xiàn)［7］研究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字化煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用，并對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入煤礦監(jiān)控加以肯定，促進(jìn)了綜合監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè).煤礦井下安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量多，測量數(shù)據(jù)大［8-10］，文獻(xiàn)［11］采用ZigBee構(gòu)建了井下安全監(jiān)測系統(tǒng)，在一定程度上提高了監(jiān)測系統(tǒng)的工作效率；文獻(xiàn)［12］基于WebSocket技術(shù)針對海量無線監(jiān)測數(shù)據(jù)處理難的問題，提出了一種同相正交信號-功率譜密度轉(zhuǎn)換算法和功率譜密度信號瀑布圖可視化方法，提高了無線頻譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的執(zhí)行效率.但與無線傳輸相比，CAN總線的可靠性高，在國外煤礦有線傳輸中使用較多［13］，文獻(xiàn)［14］考慮煤礦生產(chǎn)需要的機(jī)電設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、供電設(shè)備等都是電磁輻射源，對井下移動(dòng)終端設(shè)備的通訊產(chǎn)生的不良影響進(jìn)行了研究.

本文采用TMS320F28335型數(shù)字處理器協(xié)調(diào)檢測模塊、監(jiān)控模塊、通訊模塊以及上位機(jī)模塊完成井下安全指標(biāo)的統(tǒng)一監(jiān)測，并采用Code Composer Studio平臺完成監(jiān)測模塊、主控模塊、通訊模塊的編程；利用TMS320F28335實(shí)驗(yàn)板驗(yàn)證該裝置的可行性.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦綜采監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)分為上位機(jī)部分和下位機(jī)部分.上位機(jī)部分包括監(jiān)控PC端和通訊，下位機(jī)部分包括傳感器、視頻監(jiān)控、控制器和電源.上、下位機(jī)需要緊密有序配合，才能實(shí)現(xiàn)對煤礦開采區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和險(xiǎn)情預(yù)警，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 煤礦綜采監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of coal mine fully mechanized mining monitoring device

煤礦綜采監(jiān)測裝置需要對井下的瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度、風(fēng)速、溫濕度、礦車載重進(jìn)行檢測，檢測信息由主控模塊處理后通過RS485總線發(fā)送給地面的上位機(jī).當(dāng)檢測數(shù)據(jù)高于設(shè)定上限時(shí)，控制器迅速形成報(bào)警信號，使上位機(jī)進(jìn)行聲光報(bào)警.監(jiān)控模塊用于監(jiān)測巷道狀況，攝像頭拍取的巷道圖片信息經(jīng)圖像采集卡處理后，由主控模塊定時(shí)發(fā)送給上位機(jī)顯示.

1.2 系統(tǒng)封裝與防爆設(shè)計(jì)

煤礦井下空間狹窄，濕度較大，同時(shí)有易燃易爆的瓦斯和粉塵，因此，煤礦電器的體積較小，易于搬運(yùn)、防爆、防潮、防水.該煤礦綜采監(jiān)測裝置的封裝設(shè)計(jì)分為I，II兩部分.封裝I將控制器模塊、電源模塊、通訊模塊和圖像采集卡封裝在一起，并預(yù)留通訊接口和稱重傳感器接口；封裝II把風(fēng)速傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、溫濕度傳感器、粉塵濃度傳感器安裝于I的殼體表面，其中攝像頭安裝在I的最上方，并可以上下左右自由轉(zhuǎn)動(dòng).封裝I的外殼為礦用防爆外殼，它的隔爆接合面間隙破壞了可燃性混合物燃燒和爆炸的反應(yīng)帶.另外，火焰在間隙傳播中又失去了熱量，經(jīng)過隔爆接合面間隙傳播之后變小變?nèi)酰荒茳c(diǎn)燃隔爆外殼外部的爆炸性氣體混合物［15］.本裝置的防爆外殼基于該原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，形狀為圓筒型；圓筒型外殼壁較薄，若內(nèi)部產(chǎn)生較高壓強(qiáng)，則只需承受拉力作用，而且各個(gè)方向受到的壓力都是均勻的.防爆外殼結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)封裝布局如圖3所示.

圖2 防爆外殼結(jié)構(gòu)Fig.2 Explosion-proof housing structure

圖3 系統(tǒng)封裝布局Fig.3 System package layout

2 硬件設(shè)計(jì)及引腳配置

檢測模塊工作時(shí)需要與外部環(huán)境接觸，然而作為煤礦井下應(yīng)用設(shè)備，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下，產(chǎn)生的任何火花或熱效應(yīng)不應(yīng)點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸物.本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的全部電路均為本質(zhì)安全電路，它將設(shè)備內(nèi)部和暴露于潛在爆炸性環(huán)境的連接導(dǎo)線可能產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)能量限制在不能產(chǎn)生點(diǎn)燃的水平［16］，因此，該設(shè)計(jì)檢測模塊的器件須是本安型或?qū)I(yè)礦用防爆型.

下位機(jī)的控制核心為TMS320F28335數(shù)字處理器，其自帶12位AD轉(zhuǎn)換，處理能力強(qiáng)，速度快，能夠滿足系統(tǒng)井下工作時(shí)的各種理想要求.傳感器的選取首先要符合系統(tǒng)指標(biāo)，同時(shí)要保證性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)優(yōu)越.MC112為本安型瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，供電電壓? V直流電壓，輸出的模擬信號接控制器ADCA0引腳，符合系統(tǒng)指標(biāo)要求，實(shí)物如圖4（a）所示；SL-01A為本安型激光粉塵濃度傳感器，供電電壓為5 V直流電壓，輸出的數(shù)字信號接控制器GPIO4引腳，符合系統(tǒng)指標(biāo)要求，實(shí)物如圖4（b）所示；OUS-16X為本安型礦用風(fēng)速傳感器，供電電壓為12 V直流電壓，輸出的模擬信號接控制器ADCA1引腳，符合系統(tǒng)指標(biāo)要求，實(shí)物如圖4（c）所示；GWSD50/100為本安型溫濕度傳感器，供電電壓為24 V直流電壓，輸出的數(shù)字信號依次接控制器GPIO2引腳與GPIO3引腳，符合系統(tǒng)指標(biāo)要求，實(shí)物如圖4（d）所示；巷道中的載煤礦車需要做稱重檢測，該稱重系統(tǒng)選用GZY20礦用隔爆型液壓壓力傳感器，供電電壓為24 V直流電壓，輸出的模擬信號接控制器ADCA2引腳，符合系統(tǒng)指標(biāo)要求，實(shí)物如圖4（e）所示；KBA127為礦用防爆監(jiān)控器，供電電壓為120 V交流電壓，輸出的數(shù)字信號接控制器GPIO5引腳，該礦用防爆監(jiān)控器可應(yīng)用于大巷、皮帶巷、綜采面等各種場地，實(shí)物如圖4（f）所示.

圖4 監(jiān)測器件實(shí)物圖Fig.4 Physical diagram of the monitoring device

煤礦井下安全等級高，地上地下距離長、障礙物多，無線通信可能出現(xiàn)信號弱、信息延遲，以及存在某些潛在的安全隱患，因此，上位機(jī)與下位機(jī)之間采用RS485總線進(jìn)行通信.通信協(xié)議是系統(tǒng)信息交互、信息識別中不可缺少的一環(huán).根據(jù)煤礦綜采監(jiān)測裝置硬件規(guī)范，通信采用Modbus通信協(xié)議.比如，系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為01 01 00 20 00 0A C1 3E，在這一數(shù)據(jù)包中，第1字節(jié)“01”表示從機(jī)地址；第2字節(jié)“01”為功能碼，代表“讀”；第3，4字節(jié)代表數(shù)據(jù)地址（高位）；第5，6字節(jié)代表數(shù)據(jù)地址（低位）；第7，8字節(jié)為校驗(yàn)碼［17］.

預(yù)防巷道載煤礦車超重是煤礦安全的重要保證.圖5為礦車稱重平臺，其中：1為載重鋼板；2為礦車導(dǎo)軌；3為壓力傳感器；4為打磨光滑的鐵柱.

圖5 礦車稱重平臺設(shè)計(jì)Fig.5 Mine car weighing platform design

TMS320F28335數(shù)字處理器與各傳感器之間的硬件設(shè)計(jì)如圖6所示.圖6（a）為MC112本安型瓦斯?jié)舛葌鞲衅魍饨佑布娐?；圖6（b）為SL-01A激光粉塵濃度傳感器外接硬件電路；圖6（c）為OUS-16X礦用風(fēng)速傳感器外接硬件電路；圖6（d）為GWSD50/100溫濕度傳感器外接硬件電路；圖6（e）為GZY20壓力傳感器外接硬件電路；圖6（f）為KBA127礦用防爆監(jiān)控器外接硬件電路.

圖6 傳感器外接電路設(shè)計(jì)Fig.6 Design of the external circuit of sensor

3 軟件設(shè)計(jì)

模塊化分類便于系統(tǒng)編程調(diào)試，因此，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)把檢測模塊分為模擬量檢測模塊和數(shù)字量檢測模塊.輸出數(shù)字信號的檢測模塊，其測量對象為井下作業(yè)區(qū)的環(huán)境溫度、濕度以及粉塵濃度；輸出模擬信號的檢測模塊，其測量對象為井下作業(yè)區(qū)的環(huán)境風(fēng)速、瓦斯?jié)舛群偷V車載重：這些參數(shù)反映的是井下作業(yè)區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量，是確保礦工工作環(huán)境安全的重要指標(biāo).除了上述檢測模塊外，該煤礦綜采監(jiān)測裝置還使用監(jiān)控設(shè)備對井下巷道狀況進(jìn)行不間斷監(jiān)測，監(jiān)控模塊生成的圖像信息用于判斷巷道是否變形、坍塌，故要求由下位機(jī)上傳的圖像要清晰、準(zhǔn)確，因此，圖像采集卡中的信息在上傳時(shí)，由控制器做延時(shí)處理，設(shè)置巷道圖像采樣周期為45 s，由此既能保證上傳圖像的準(zhǔn)確清晰，又能保證對巷道中的險(xiǎn)情及時(shí)預(yù)警.

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)使用的監(jiān)測軟件是YKSe，它是一款觸摸屏編程軟件，其通訊硬件采用RS485總線，可以與下位機(jī)RS485接口直接相連.用戶操作界面如圖7所示.

用戶可手動(dòng)設(shè)定上位機(jī)設(shè)定值欄的各個(gè)指標(biāo)，當(dāng)檢測數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，圖7中“是否超限”小燈閃爍.上位機(jī)模塊顯示各檢測模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和井下巷道的畫面，并在數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警.上位機(jī)模塊的軟件流程如圖8所示，軟件工作過程如下：

圖7 用戶操作界面Fig.7 User operation interface

圖8 上位機(jī)軟件流程Fig.8 Upper computer software flow

1）初始化階段：上位機(jī)模塊上電后進(jìn)行初始化配置，配置過程是將屏幕進(jìn)行清屏處理；初始化設(shè)置完成后，該上位機(jī)模塊將發(fā)出更改閾值信息指令.

2）數(shù)據(jù)接收階段：在閾值更改完成以后，上位機(jī)模塊將不斷檢測通訊模塊是否有下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸請求指令；如果獲得這類指令，則上位機(jī)模塊按照先后次序接收下位機(jī)數(shù)據(jù).

3）數(shù)據(jù)輸出階段：上位機(jī)對下位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼操作，顯示檢測模塊數(shù)值及監(jiān)控畫面.

4）報(bào)警階段：當(dāng)井下數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，上位機(jī)會(huì)接收下位機(jī)的報(bào)警信息，進(jìn)而產(chǎn)生聲光報(bào)警.

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

TMS320F28335對各檢測模塊與監(jiān)控模塊的信息做相應(yīng)處理，并經(jīng)通訊模塊發(fā)送至上位機(jī)，以供地上工作人員觀察，這個(gè)過程可以分為以下4個(gè)步驟：

1）初始化階段：系統(tǒng)上電后進(jìn)行一系列初始配置，配置過程是將各引腳配置為工作模式；初始化配置完成后，下位機(jī)等待上位機(jī)更改閾值信息.

2）數(shù)據(jù)采集階段：上位機(jī)信息更改完成后，主控模塊開始執(zhí)行.監(jiān)測模塊分為模擬量檢測模塊、數(shù)字量檢測模塊和監(jiān)控模塊，這3個(gè)模塊為調(diào)用子程序模塊，微控制器依次調(diào)用數(shù)字量檢測模塊子程序、模擬量檢測模塊子程序和監(jiān)控模塊子程序.

3）數(shù)據(jù)處理階段：控制器對模擬量檢測模塊、數(shù)字量檢測模塊和監(jiān)控模塊發(fā)送的信息進(jìn)行處理，并對模擬量檢測模塊和數(shù)字量檢測模塊的數(shù)據(jù)作報(bào)警判斷；監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)在圖像采集卡中處理完成，由微控制器做延時(shí)處理，延時(shí)時(shí)長為45 s，并最終將所有信息裝載，上傳給上位機(jī).

4）數(shù)據(jù)上傳階段：主控模塊對處理完畢的數(shù)據(jù)進(jìn)行裝載，再調(diào)用通訊模塊并請求向上位機(jī)發(fā)送信息，在得到上位機(jī)允許后，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；發(fā)送完成之后，返回監(jiān)測模塊重新進(jìn)行采樣，并不斷循環(huán).

可靠性是軟件設(shè)計(jì)中考慮的重要因素.本設(shè)計(jì)中，若因外圍檢測器件損壞而造成永久性數(shù)據(jù)讀取失敗，則上位機(jī)中該檢測器件對應(yīng)的指標(biāo)值保持為0，監(jiān)控人員可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并更換損壞器件；若其它原因造成數(shù)據(jù)短暫性讀取失敗，則通過延遲指令防止數(shù)據(jù)丟失，并使檢測進(jìn)入正常狀態(tài).該種程序設(shè)計(jì)一定程度上防止系統(tǒng)出現(xiàn)無效循環(huán)，提高子程序的獨(dú)立性，使得系統(tǒng)的可靠性更好.具體軟件流程設(shè)計(jì)如圖9所示.

圖9 下位機(jī)軟件流程Fig.9 Lower computer software flow

4 系統(tǒng)功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于該裝置的監(jiān)測指標(biāo)較多，且各傳感器原理基本一致，所以只需對其中某一監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行功能驗(yàn)證，即可證明系統(tǒng)的可行性.選擇溫度作為本實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)期望是：上電后，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)溫度傳感器采集環(huán)境溫度，并上傳給上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)當(dāng)溫度測量值達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警.實(shí)驗(yàn)選擇ADCA0引腳及GPIO1引腳分別控制溫度采集和LED小燈，其中用LED小燈的閃爍模擬上位機(jī)報(bào)警.

本實(shí)驗(yàn)采用的硬件平臺是TMS320F28335實(shí)驗(yàn)板，示意圖如圖10所示，標(biāo)號1為主控芯片，標(biāo)號2為溫度傳感器接口，標(biāo)號3為多路LED小燈，標(biāo)號4為電源接口，標(biāo)號5為JTAG，即TMS320F28335的程序下載接口.

圖10 硬件平臺Fig.10 Hardware platform

軟件平臺是Code Composer Studio（CCS），該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)配置、建立、調(diào)試、跟蹤和分析結(jié)果的功能，便于實(shí)時(shí)觀察嵌入式信號處理，加速開發(fā)進(jìn)程，提高工作效率.連接好實(shí)驗(yàn)板后，打開CCS軟件，將初始化程序代碼、采樣程序代碼和主程序代碼進(jìn)行裝載.本實(shí)驗(yàn)的溫度采樣周期為1 s，采樣數(shù)量為200組，前20組采樣數(shù)值見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)采樣數(shù)值Tab.1 Experimental sampling value

如圖11所示，溫度曲線變化緩慢且保持在20℃附近，符合室溫實(shí)際狀況.在上位機(jī)處設(shè)定溫度閾值為50℃，對連接在TMS320F28335接口的溫度傳感器探頭進(jìn)行加熱，并觀察CCS軟件的溫度監(jiān)測曲線，曲線如圖12所示.從圖12可以很清楚地觀察到加熱瞬間監(jiān)測曲線發(fā)生了劇烈變化.圖12中直線對應(yīng)溫度閾值，故1～2區(qū)間為報(bào)警區(qū)間，此區(qū)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)板LED小燈閃爍，模擬上位機(jī)報(bào)警.實(shí)驗(yàn)中各模塊能夠緊密配合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)顯示等一系列操作.本實(shí)驗(yàn)證實(shí)了設(shè)計(jì)的可行性.

圖11 室溫采集曲線Fig.11 Room temperature acquisition curve

圖12 加熱溫度采集曲線Fig.12 Heating temperature acquisition curve

5 結(jié)論

該文以煤礦的安全開采為背景，設(shè)計(jì)了基于TMS320F28335的煤礦綜采監(jiān)測裝置，完成了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)、軟件編程和上位機(jī)界面設(shè)計(jì).考慮到煤礦井下特殊環(huán)境，對各模塊的封裝做了防爆處理，并選擇本安型或?qū)I(yè)礦用防爆器件.通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)上電后能夠?qū)崿F(xiàn)信息采集、信息處理、數(shù)據(jù)上傳、上位機(jī)顯示及超閾值自動(dòng)報(bào)警等功能，證實(shí)了設(shè)計(jì)的可行性.根據(jù)煤礦井下實(shí)際要求，該裝置在體積上可以靈活安排，對于其它需要監(jiān)測的環(huán)境指標(biāo)，可以對該設(shè)計(jì)進(jìn)行再度開發(fā).基于TMS320F28335的煤礦綜采監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)符合煤礦安全生產(chǎn)的需要，對及時(shí)清除威脅開采安全的危險(xiǎn)隱患、降低事故發(fā)生率、提高煤礦生產(chǎn)安全有一定幫助.