適用于煤礦生產的多功能檢測控制裝置的電路設計

于振飛

（中煤平朔集團有限公司井工二礦，山西 朔州 036006）

0 引言

煤礦的安全問題一直受到關注，但對安全檢測控制設備的研究開發卻是近幾年才開始被重視。我國煤礦的檢測控制技術應用較晚，主要通過技術引進的方式發展起來。20世紀80年代后，我國先后從國外引入數十套綜合型監控系統，如英國的MINOS系統、法國的CTT63／40系統、德國的TF-200系統等。同時，結合我國煤礦的實際情況，先后研制了KJZ、KJ4、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75等監控系統。然而，我國煤炭安全檢測控制設備一直未受足夠重視。從系統集成來看，有關安全檢測控制設備的自動化水平相對較低；從產業角度來看，目前煤礦行業安全生產軟硬件研發和服務保障系統相對滯后，研發力量薄弱，適合煤礦行業特點和需求的軟硬件與電子專用設備、儀器目前仍比較缺乏，還難以滿足煤礦安全生產的需求和技術升級的需要。

本文研究的多功能檢測控制裝置即煤礦工業生產中的一種嵌入式電子設備，它用于循環采樣煤礦企業一些通風設備的周圍環境溫度，并將檢測到的數據信息進行處理和顯示，供使用者查看實時信息。而且通過使用相應的傳感器，該裝置不僅可以采集溫度信號，還可以采集壓力、流量等物理量。開發這樣一個多功能檢測控制裝置，一方面在功能上要滿足煤礦工業生產環境的需要，另一方面在穩定性、精確性、通用性方面都有嚴格要求。因此，該裝置的研發不僅局限于滿足某個生產環境的需要，它還可以運用于將來更多場合的項目中，比如冶金工業、石油石化工業、紡織業、造紙業等。在本裝置的基礎上來完善其功能，可以開拓更為廣闊的應用前景。

1 檢測控制裝置的硬件設計

1.1 系統框架

本裝置采用S3C2440A核心板，底層電路需實現的功能包括12路Pt100溫度傳感器的循環采集、采用TCP／IP協議與上位機進行通信、2路4～20 m A通用變送器的數據采集、添加主從USB口和串口以及CAN接口等常用端口等。整體結構如圖1所示。

在本裝置的功能設計中，以S3C2440A核心板為系統的控制中心，通過它的GPIO口來循環采集12通道Pt100溫度傳感器電路和2通道4～20 m A變送器電路的輸入信號；S3C2440A核心板通過對采集到的數據進行分析和處理，輸出相關的數字量信息，通過基于IIC總線的DA電路轉換為模擬量，來實現對外圍設備的調節控制；主從USB口、串口等常用接口用于下載WinCE操作系統內核鏡像文件和連接移動存儲設備；本裝置還可以通過TCP／IP協議和上位機進行通信，將采集到的實時數據傳輸到上位機界面進行顯示和繪制變化曲線，供使用者隨時監測各通道的當前狀態。

圖1 系統硬件結構框圖

1.2 硬件設計

1.2.1 電源電路和掉電保護電路

本系統設計的電源電路和掉電保護電路分別如圖2和圖3所示，由于底層電路的AD7705芯片和74HC4051等芯片需提供5 V工作電壓，而核心板需提供3.3 V工作電壓，為此，在圖2中采用可負載1.5 A電流的低壓差線性穩壓芯片AS1117AR，該芯片可以實現5 V轉3.3 V的功能。同時為了防止電路不穩定造成電源電路的電流過大燒壞核心板，使用一個50 m A的保險絲，以起到保護的作用。圖3中的掉電保護電路部分采用RTC電池，從圖中電路可知，當電源電路斷開連接時，由備用電池給核心板的VDDRTC引腳提供3 V左右的電壓，它的作用在于當核心板處于掉電模式時，備用電池可以使WinCE系統保存一些設置信息和時間的同步信息。

圖2 電源電路的設計

1.2.2 基于IIC總線的DA電路

圖3 掉電保護電路的設計

本裝置中的DA電路用于實現反饋調節作用。核心板提供外圍電路的控制數字信息，經過DA電路轉換為相應的模擬量輸出來調節外部設備的電壓，改變其工作狀態，再采集它的相關參數來實現閉環控制的作用。DA電路部分如圖4所示，該部分電路采用基于IIC總線通信方式的MAX517芯片，它是單通道的2線串行8位數字模擬轉換器（DAC），允許在多個設備之間進行通信。MAX517采用5 V電源供電，它的內部精密緩沖區允許DAC輸出軌到軌，輸出電壓的范圍可為0～5 V。由于該芯片采用5 V供電，當使用IIC總線和核心板進行通信時，需要采用3 V和5 V電平轉換電路才能正常工作。

圖4 DA電路的設計

2 系統性能測試和分析

本裝置的輸入通道部分采用Pt100鉑電阻三線制接法，3根輸入導線的長度相同，這樣能夠有效消除現場到控制室之間數十到數千米的導線對測量造成的影響。固態繼電器電路用于控制12路Pt100溫度傳感器輸入通道的選通和斷開狀況，其控制方法是通過S3C2440A核心板的GPIO輸出引腳的高低電平來決定哪路固態繼電器導通。本裝置設計的采集方式為12路輸入通道循環導通來采集數據，循環周期為100 ms，每隔1.2 s所有通道都被采集1次。裝置的WinCE操作系統界面將顯示采集到的每路Pt100的電壓值，單位為m V。由于Pt100分度表中的溫度和阻值是一一對應的，根據這個對應關系，只需將Pt100的電壓值轉換為電阻值，就可以對應得出溫度值。通過這個轉換關系，可在上位機界面顯示Pt100溫度傳感器所在工業環境的溫度值。

為了方便實驗的測試過程，選用阻值為100Ω的電阻和量程為200Ω的變阻器來代替Pt100鉑電阻，并分2個部分對系統進行測試。

（1）在第12路Pt100輸入通道接入100Ω的電阻，在WinCE應用程序中選通第12路通道，實驗板上的讀取結果為183 m V。由此可知，本裝置實現了選擇通道、采集數據、傳輸數據到上位機這3個功能。

（2）在第1路Pt100輸入通道接量程為200Ω的變阻器，在WinCE應用程序中選通第1路通道，調節變阻器的阻值分別為93Ω、97Ω、105Ω、108Ω、116Ω、120Ω、125Ω、131Ω，查看實驗結果，給出了阻值為93Ω、105Ω時PC機界面上采集到的溫度值。實驗數據及誤差分析如表1所示。

表1 系統測試的1組數據

由表1中的測試結果可以分析出本裝置在輸入電阻為93～131Ω之間時，檢測到的最大溫度相對誤差為1.64%，最小誤差為1.08%，這樣的效果是符合本項目設計要求的。從本裝置的實際應用考慮，當Pt100鉑電阻處于煤礦生產環境中時，其周圍環境的溫度變化使鉑電阻的阻值在90～130Ω之間變化，而這個區間的電阻值輸入信號用本裝置來進行實時采集和轉換后，可以使誤差維持在1.7%以下，因此，在精確性方面裝置是滿足要求的。通過以上2個實驗的結果可以得出結論：該裝置實現了多路Pt100溫度信號輸入的循環采集功能，具有實時監測作用。

3 結語

本文完成了設計和研究煤礦用多功能檢測控制裝置的工作，包括從電路原理設計到軟件程序編寫，再到電路板調試和測試的整個流程。本裝置采用體積小、性價比高、功能完善的ARM芯片S3C2440A作為微處理器，以目前流行的WinCE5.0系統作為裝置的操作系統，并且實現了與PC機的TCP／IP通信功能。通過底層電路的設計本裝置可以循環采集多路信號，并實時顯示在WinCE的界面和PC機的Windows界面上。實驗證明，該裝置工作正常、系統穩定、精確性較高，適用于煤礦工業生產環境，達到了預期效果。

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