便攜式智能無損錨桿檢測儀的硬件電路設計

李　英

[摘要]在分析煤礦中錨桿檢測的重要作用，明確錨桿檢測儀的發展研究現狀的基礎上，結合嵌入式系統的特點，提出任務設計具有本質安全性的便攜式智能無損錨桿檢測儀的硬件電路。從錨桿檢測儀所要實現的功能入手，先規劃硬件總體結構圖，然后根據實際需要，選擇ARM處理器S3C2410作為本系統的核心器件。完成硬件電路設計。

[關鍵詞]錨桿檢測 3C2410 硬件設計

中圖分類號：TN4文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0310009－01

一、引言

在我國以煤為主的能源發展戰略占有很重要的地位，目前煤礦安全形勢依然嚴峻，事故總量仍然很大，解決煤礦事故隱患勢在必行。事故發生的原因很多，要解決問題，加強技術管理、提高安全管理水平、做好預防檢測[1]的工作必不可少，錨桿檢測是其中很重要的一項。

目前的錨桿檢測儀大多都是只能用于地面，有部分的錨桿檢測儀能用于井下，但是還不具有普遍性。針對煤礦井下錨桿檢測的需要，本文設計具有本質安全性的便攜式智能無損錨桿檢測儀的硬件電路。

二、硬件總體結構設計

錨桿檢測儀的主要用途就是對錨固質量檢測，包括測量錨桿長度、錨固狀態（或砂漿飽滿度）的檢測，其中錨固狀態含檢測錨桿的自由段長度、錨固段長度、施工缺陷和整體評價錨固施工質量。根據需要，本系統除了核心處理器之外，要包含很多模塊，主要分為兩部分：一部分為核心支持模塊，主要包含電源模塊，存儲器模塊，時鐘和復位模塊；另一部分為通信模塊，包括串口模塊、以太網模塊、USB模塊和LCD模塊。硬件總體結構如圖-1所示。

1．電源模塊：電源模塊是整個系統正常工作的基礎，它為處理器和各個部件提供工作電壓。系統對電源模塊的要求一般有兩個：第一，能夠提供系統所需要的功率；第二，能夠穩定的輸出工作電壓。

2．存儲器模塊：用來存儲程序和數據。

3．時鐘和復位模塊：時鐘模塊主要是給處理器提供穩定的時鐘頻率。復位模塊是當上電復位和硬件復位時，給處理器提供一個一定寬度的復位脈沖。

4．串口模塊：主要是為PC機或控制臺提供訪問和控制錨桿檢測儀的接口，同時作為系統調試接口。

5．USB模塊：該模塊的設計主要功能有兩個，一個是作為設備用來與PC機之間的檢測數據的傳輸；另一個是作為主機來外接存儲設備（如U盤）。

6．以太網模塊：通過該模塊實現對設備的遠程管理、傳輸檢測數據和在線升級的功能。如果CPU不具備以太網控制器，因此本系統要采用外擴的以太網控制器。

7．LCD顯示模塊：由于本系統需要實時顯示檢測的數據和設備的狀態，因此采用了大屏幕LCD顯示模塊。

三、主要電路介紹

（一）電源電路

本系統包含了很多集成芯片，這就需要電源模塊能夠提供較大功率的電源。由于各個器件對電平的要求是不一樣的，系統需要三種模式的電平：5V、3.3V和1.8V。我們采用的設計方案是由外部提供5V和3.3V的電源，而1.8V的電源是通過MAX8860由3.3V的輸入電源轉換而得。

（二）以太網接口電路

S3C2410內嵌一個以太網控制器，支持媒體獨立接口和帶緩沖DMA接口；可在半雙工或全雙工模式下提供10M/100Mbps的以太網接入，即S3C2410內部實際上已包含了以太網MAC控制，但未提供物理層接口，因此需要外接一片物理層芯片以提供以太網的接入通道。

RTL8019AS以其成熟可靠的性能和低廉的價格占領了全球10M網卡使用的網絡芯片的大部分份額，有著極大的應用。所以在我們的設計中選用了這款芯片作為網絡接入的以太網控制器。

（三）串行接口電路

要完成最基本的串行通信功能，實際上只需要RXD、TXD和GND即可，但由于RS-232-C標準所定義的高、低電平信號與S3C2410系統中USB直流電源邏輯定義的高、低電平信號完全不同。S3C2410中定義高電平對應2.5V～3.3V，低電平為0V～0.8V；而RS-232-C標準采用負邏輯方式，標準邏輯“1”對應-5V～-15V，“0”對應+5V～+15V。要兩者進行通信必須經過信號電平的轉換，這里采用的電平轉換電路為Sipex公司的SP3232E[3]。

S3C2410的UART提供3個獨立的異步串行輸入輸出口，每一個都可工作在中斷模式和DMA模式下。如果用系統時鐘，UART可支持達230.4Kbps的位速率；如果用外部裝置通過UCLK提供的時鐘，那么UART可工作在更高的速率。S3C2410可以很方便地用UART實現RS232串口功能，但S3C2410的供電電壓為1.8V/3.3V，所以I/O口的最大邏輯電平也是3.3V。

S3C2410自帶USB主從接口，不需要專門的USB芯片支持，只要對其安裝驅動程序即可進行USB傳輸數據。本系統中，采用兩個USB主機接口、一個USB設備接口。

（四）A／D轉換模塊

敲擊錨桿時產生的振動信號為模擬信號，需要經過濾波電路，然后經過A/D轉換器轉換成數字信號，而經A/D轉換出來的數字信號是串行的，因此要通過FPGA芯片轉為并行信號導入CPU。S3C2410集成了一個8路10位A/D轉換器，其分辨率為10比特，可通過軟件設置為Sleep摸式，可節電減少功率損失，最大轉換率為500K，非線性度為正負1位。

錨桿檢測儀的傳感器工作在8KHz左右，為了計算其受力狀況，需要在每次敲擊錨桿時采集到足夠多的數據，而且這些數據要有相當高的精度。用S3C2410內部集成的A/D轉換器不夠精確，因此本系統中另外設計的A/D轉換模塊。這里選用的模數轉換器是ADI公司的產品AD7653[4]，具有16位高分辨率、采樣轉換速度可達1Msps、單極性ADC、帶有基準電壓源、最大非線性±0.003%、14位無誤碼、快速轉換（轉換時間15us）和功耗850mW的特點。

四、結語

本文根據實際需要提出并設計了具有本質安全性的便攜式智能無損錨桿檢測儀的硬件電路。由于煤礦環境的特點以及時間的原因，本系統還需要軟件方面進一步的應用層的開發，從而能真正應用到煤礦井下。

參考文獻：

[1]唐照成、徐書謙，煤礦頂板事故成因及預防，煤炭技術，2004,9．

[2]Samsung S3C2410 32-Bit RISC Microprocessor Revision 1.2 Datasheet．

[3]Sipex'SP3222E/3232E True+3.0V to+5.5V RS-232 Transceivers data sheet．

[4]16-Bit 1 MSPS PulSARTM Unipolar ADC with Reference AD7653 data sheet．

作者簡介：

李英，女，2007年7月畢業于中國礦業大學，碩士學位，江蘇蘇州建設交通高等職業技術學校電子系教師，主要從事單片機、電工電子課程的教學工作和科研工作。