一種液壓支架端頭控制器通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李文華,許春雨,宋建成 ,田慕琴

(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,山西 太原 030024)

煤礦綜采工作面環(huán)境惡劣,液壓支架數(shù)量多且控制復(fù)雜,目前普遍采用的綜合機(jī)械化采煤工作面與無人值守采煤工作面相比,其存在自動(dòng)化程度較低,工作強(qiáng)度大,安全性差等問題。在綜合機(jī)械化自動(dòng)采煤工作面內(nèi)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)及液壓支架的降柱、移架、升柱支護(hù)頂板、推移輸送機(jī)等工序均需要人工干預(yù),而無人值守采煤工作面上述操作將全部由端頭控制器集中控制自動(dòng)完成。無人值守采煤工作面開采技術(shù)必須以強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸通道為依托,完成間架控制器與端頭控制器之間大量狀態(tài)參數(shù)和命令信息傳遞,并保證端頭控制器可以實(shí)時(shí)地把這些數(shù)據(jù)上傳到位于順槽中控室的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)后由工控計(jì)算機(jī)統(tǒng)一指揮工作。針對無人值守采煤工作面液壓支架控制要求,本文提出一種基于RS-485總線的綜采工作面液壓支架端頭控制器通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),效果良好。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓支架端頭控制器通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。端頭控制器集中控制所有的間架控制器,通信方式采用主從方式,樹枝狀結(jié)構(gòu),所有的間架控制器都掛在端頭控制器的通訊總線上,端頭控制器的通信方式默認(rèn)為發(fā)送狀態(tài),所有間架控制器通信方式默認(rèn)為接收狀態(tài)。間架控制器在收到端頭控制器發(fā)送的控制信號后,才能執(zhí)行具體動(dòng)作。端頭控制器與防爆工控計(jì)算機(jī)通訊采用主從方式,端頭控制器通信方式默認(rèn)為接收狀態(tài),防爆工控計(jì)算機(jī)通信方式默認(rèn)為發(fā)送狀態(tài)。端頭控制器接收到防爆工控計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制信號后,執(zhí)行防爆工控計(jì)算機(jī)發(fā)送的動(dòng)作命令。建立一套可實(shí)現(xiàn)液壓支架端頭控制器與上位防爆工控計(jì)算機(jī)及多臺下位間架控制器之間的網(wǎng)絡(luò)通訊。系統(tǒng)基于 RS-485通信協(xié)議,通過端頭控制器集中控制液壓支架,同時(shí)端頭控制器還具備與上位防爆工控計(jì)算機(jī)通訊功能,支持防爆工控計(jì)算機(jī)對液壓支架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖1 液壓支架端頭控制器通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structural drawing of the communication system for the electro-hydraulic terminal controller

2 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作中,液壓支架端頭控制器要通過間架控制器對液壓支架的狀態(tài)和動(dòng)作,進(jìn)行全面監(jiān)測監(jiān)控。為了提高數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸速度,本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F001作為CPU。單片機(jī)C8051F001的時(shí)鐘頻率可達(dá)25 MHz,采用流水線指令結(jié)構(gòu),70%指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期,可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。

RS-232通訊協(xié)議支持的通信方式信號傳輸距離較近,一般不超過50 m,并且抗干擾能力差。與RS-232通信協(xié)議相比,RS-485通信協(xié)議支持的通訊方式,信號傳輸距離能夠達(dá)到1 200 m,傳輸距離遠(yuǎn),而且抗干擾能力強(qiáng)。

端頭控制器通訊系統(tǒng)采用MAXIM公司的MAX485芯片作為 RS-485通信協(xié)議的收發(fā)器。MAX485是芯片具有強(qiáng)抗干擾能力的低功耗收發(fā)器,支持RS-485通信協(xié)議,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2.5 Mb/s。MAX485芯片內(nèi)部設(shè)有輸入接收器和輸出驅(qū)動(dòng)器,控制輸入接收器和輸出驅(qū)動(dòng)器的使能管腳是DE和在使能信號為禁止?fàn)顟B(tài)情況下,輸入接收器和輸出驅(qū)動(dòng)器處于高阻態(tài),MAX485芯片的輸入接收器和輸出驅(qū)動(dòng)器可抗±15 kV的靜電沖擊。

CPU引腳為TTL電平,擴(kuò)展一片MAX485芯片作為RS-485通信協(xié)議的電平轉(zhuǎn)換單元;防爆工控計(jì)算機(jī)的串行異步通信基于RS-232標(biāo)準(zhǔn)。兩者通信協(xié)議的邏輯電平不一致,必須進(jìn)行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。端頭控制器與防爆工控計(jì)算機(jī)的通信采用RS-485通信協(xié)議,HXSP-2108B轉(zhuǎn)換器作為RS-485和RS-232的協(xié)議轉(zhuǎn)換器,從而實(shí)現(xiàn)端頭控制器和防爆工控計(jì)算機(jī)之間的遠(yuǎn)距離傳輸。

2.1 RS-485通訊通道設(shè)計(jì)

液壓支架端頭控制器通信原理框圖如圖2所示。由于CPU芯片單一的串行通信接口不能滿足上述通訊系統(tǒng)要求,必須通過VK3212芯片擴(kuò)展成兩個(gè)通訊接口,分別與間架控制器和防爆工控計(jì)算機(jī)通信。CPU的通訊信號通過VK3212芯片連接光電耦合模塊和MAX485轉(zhuǎn)換模塊,轉(zhuǎn)換變成RS-485通信協(xié)議信號,經(jīng)過防高壓保護(hù)電路后與對應(yīng)的接口連接。與間架控制器連接的通訊通道用于端頭控制器向間架控制器發(fā)送命令,修改其控制參數(shù),并實(shí)現(xiàn)液壓支架動(dòng)作控制及接收間架控制器采集的液壓支架狀態(tài)信息;與防爆工控計(jì)算機(jī)連接的通訊通道,用于端頭控制器向防爆工控計(jì)算機(jī)返回液壓支架的狀態(tài)參數(shù),這些參數(shù)將由防爆工控計(jì)算機(jī)傳遞到地面監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一處理。無人值守采煤工作面開采過程中,端頭控制器實(shí)時(shí)向間架控制器發(fā)送控制指令,并根據(jù)間架控制器返回的狀態(tài),下達(dá)后續(xù)動(dòng)作指令,實(shí)現(xiàn)端頭控制器對液壓支架的集中控制;另一方面端頭控制器作為防爆工控計(jì)算機(jī)與間架控制器之間的通訊中轉(zhuǎn)站,支持防爆工控計(jì)算機(jī)對液壓支架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖2 液壓支架端頭控制器通信系統(tǒng)原理框圖Fig.2 The functional block diagram of the communication sy stem of the electro-hydraulic terminal controller

2.2 抗干擾電路設(shè)計(jì)

針對RS-485串行通信過程中共模干擾和總線阻抗匹配所引起的信號干擾問題,系統(tǒng)制定了如下措施。

2.2.1 共模干擾

RS-485通訊協(xié)議采用差分方式傳輸信號,不需要相對于參照點(diǎn)來檢測信號,接收器只需檢測兩線之間的電位差。RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定傳輸信號共模電壓應(yīng)小于3 V,當(dāng)系統(tǒng)A向系統(tǒng)B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),系統(tǒng)A的輸出存在共模電壓,當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)時(shí),兩系統(tǒng)的地之間可能存在十幾伏甚至數(shù)十伏電位差。此時(shí)系統(tǒng)B的接收器輸入端共模電壓將會(huì)是兩者之和,并可能伴有強(qiáng)干擾信號,導(dǎo)致系統(tǒng)B共模輸入超出正常工作范圍,并在信號線上產(chǎn)生干擾電流。但收發(fā)器只能在共模電壓不超出一定范圍(-7～12 V)的條件下才能正常工作,否則就會(huì)影響通信的可靠性,甚至損壞接口。

針對這一問題,本系統(tǒng)作如圖3處理,將系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的信號地連接,以消除高阻型共模干擾;為了消除低阻型共模干擾,采用浮地技術(shù),隔斷接地環(huán)路,將干擾源浮置起來,即將系統(tǒng)的信號地與大地隔離,隔斷了接地環(huán)路,避免形成很大的環(huán)路電流。

圖3 RS-485通信電路框圖Fig.3 The communication circuit diagram of RS-485

2.2.2 總線阻抗匹配

RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接收器的門限為±200 mV,具有良好的噪聲抑制能力。但當(dāng)接收器接收到的總線電壓信號在±200 mV中間時(shí),接收器會(huì)導(dǎo)致不確定的輸出狀態(tài),而UART串行通訊時(shí)序以一個(gè)前導(dǎo)“0”觸發(fā)接收動(dòng)作,所以接收器的不定態(tài)可能會(huì)使UART串行通訊錯(cuò)誤地接收一些數(shù)據(jù),導(dǎo)致誤操作。系統(tǒng)器件連接方式如圖3所示,在引腳A上接上拉電阻R1(典型值20 kΩ),在引腳B上接下拉電阻R3(典型值20 kΩ),在引腳A和引腳B之間接匹配電阻R2(典型值120 Ω)。吸收總線上的反射信號,消除毛刺信號,保證信號正常傳輸,沒有信號傳輸時(shí)增大引腳A和引腳B之間的壓差,使干擾信號很難產(chǎn)生串行通信的起始信號“0”,增加了總線抗干擾能力。

2.3 接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)

為滿足系統(tǒng)串口擴(kuò)展和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求,系統(tǒng)采用VK3212芯片作為擴(kuò)展芯片,其主接口為標(biāo)準(zhǔn)的三線UART接口(RX,TX,GND),無需其它地址和控制信號線。具有可編程波特率設(shè)置功能,最高數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá) 1 Mbit/s。VK3212芯片母串口和子串口的工作波特率可以由軟件調(diào)節(jié),不需要修改外部電路和晶振頻率。通過芯片內(nèi)置的協(xié)議處理器實(shí)現(xiàn)多串口擴(kuò)展,不需地址線控制。兩個(gè)子串口均為全雙工,每個(gè)子串口可以通過軟件開啟和關(guān)閉,波特率可以獨(dú)立設(shè)置,子串口最高可達(dá)920 kb/s。

VK3212芯片內(nèi)部設(shè)有兩級中斷:子串口中斷和全局中斷。當(dāng)IRQ引腳指示有中斷時(shí),通過讀取全局中斷寄存器GIR以判斷當(dāng)前中斷類型,去讀取相應(yīng)的中斷狀態(tài)寄存器,以確定當(dāng)前中斷源。VK3212芯片的每個(gè)子串口都有獨(dú)立的中斷系統(tǒng),當(dāng)任意一個(gè)中斷使能后,滿足中斷條件就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷,執(zhí)行讀/寫操作,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

通訊接口擴(kuò)展具體連接方式如圖4所示。將引腳IR設(shè)為低電平選擇普通UART通訊模式;中斷指示引腳IRQ與CPU的INT1引腳連接,用于傳遞中斷信號,增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸能力;VK3212芯片與CPU之間做共地處理。寫操作時(shí),先向VK3212的RX寫入一個(gè)命令字節(jié),隨后寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)字節(jié);讀操作時(shí),先向VK3212的RX寫入命令字節(jié),相應(yīng)的數(shù)據(jù)字節(jié)從 TX讀取?？筛鶕?jù)寫入命令字選擇不同的子串口通道號、子串口寄存器地址、寫入/讀取FIFO的數(shù)據(jù)字節(jié)個(gè)數(shù)。

圖4 通訊接口擴(kuò)展示意圖Fig.4 The expansion diagram of communication interface

3 通訊軟件設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證系統(tǒng)通訊電路設(shè)計(jì)的可靠性,編寫系統(tǒng)調(diào)試通信軟件。通訊過程以本系統(tǒng)為主通訊裝置向下位機(jī)間架控制器發(fā)送16個(gè)數(shù)據(jù),并由間架控制器將所接收數(shù)據(jù)依據(jù)接收順序返回,主通訊裝置所發(fā)送數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲器的0X20-0X2F單元,接收數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲器的0X30-0X3F單元。端頭控制器與間架控制器通信采用主從方式,端頭控制器的通信方式默認(rèn)為發(fā)送狀態(tài),所有間架控制器通信方式默認(rèn)為接收狀態(tài),間架控制器接收到端頭控制器發(fā)送的控制信號后,執(zhí)行發(fā)送動(dòng)作。軟件共包括4部分:主程序,中斷處理程序,數(shù)據(jù)發(fā)送程序,數(shù)據(jù)接收程序。軟件主程序流程圖如圖5a所示。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化設(shè)置和系統(tǒng)資源的分配,隨后向間架控制器發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù),同時(shí),傳送數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器減1,判斷此時(shí)數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢。如果沒有發(fā)送完畢再次向間架控制器發(fā)送數(shù)據(jù),如果發(fā)送完畢則向間架控制器發(fā)送返回?cái)?shù)據(jù)命令,判斷此時(shí)數(shù)據(jù)是否接收完畢。如果沒有接收完畢則返回上一級再次判斷數(shù)據(jù)是否接收完畢,如果此時(shí)數(shù)據(jù)接收完畢則結(jié)束。

系統(tǒng)中斷處理程序流程圖如圖5b所示。系統(tǒng)在接收到中斷信號后,關(guān)閉所有中斷并保護(hù)現(xiàn)場,讀取中斷標(biāo)志寄存器,判斷中斷是否為數(shù)據(jù)接收中斷,如果中斷為數(shù)據(jù)接收中斷,接收數(shù)據(jù),恢復(fù)現(xiàn)場,開所有中斷,最后跳出中斷;如果中斷不是數(shù)據(jù)接收中斷,恢復(fù)現(xiàn)場,開所有中斷,最后跳出中斷。

圖5 主程序和中斷處理程序流程圖Fig.5 T he flow diagram of main program and interrupt process program

數(shù)據(jù)接收程序流程圖如圖6a所示。數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖6b所示。

圖6 數(shù)據(jù)接收與發(fā)送程序流程圖Fig.6 T he program flow diagram of data reception and transmission process

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為檢測本設(shè)計(jì)的合理性,依據(jù)第4節(jié)所設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn):由本系統(tǒng)為主通訊方式向下位機(jī)間架控制器發(fā)送16位數(shù)據(jù),并由間架控制器將數(shù)據(jù)依據(jù)接受順序返回,存儲到數(shù)據(jù)存儲器的0X30-0X3F中,所發(fā)送數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲器的0X20-0X2F中。實(shí)驗(yàn)得到的傳輸與返回?cái)?shù)據(jù)截圖如圖7所示。左側(cè)為地址編碼,右側(cè)為通訊過程中所存儲的數(shù)據(jù)。

圖7 傳輸與返回?cái)?shù)據(jù)截圖Fig.7 The screenshot of transmission and return data

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,數(shù)據(jù)傳遞準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性強(qiáng),不僅可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸,而且還能通過主干網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。滿足端頭控制器對液壓支架集中控制的通訊要求。

5 結(jié)論

在煤礦井下現(xiàn)有液壓支架通訊設(shè)備的基礎(chǔ)上,根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的要求,設(shè)計(jì)了一種基于RS-485總線的煤礦端頭控制器通訊方案,搭建了系統(tǒng)硬件電路。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明,其硬件可靠性高,抗干擾能力強(qiáng),能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,達(dá)到了對間架控制器遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控和防爆工控計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪康?滿足液壓支架端頭控制器集中控制的通訊要求。

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