煤礦用本安型無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

郝葉軍 郭玉彪

【摘要】針對(duì)現(xiàn)有煤礦井下移動(dòng)設(shè)備布置有線傳輸傳感器的眾多不便，設(shè)計(jì)了一款適合煤礦井下使用無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器。該無(wú)線轉(zhuǎn)換器無(wú)線工作頻率可支持2.4G或900M，轉(zhuǎn)換器可將具有頻率信號(hào)、RS485信號(hào)的傳感器通過轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸，并可通過其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換器可輸出頻率或RS485信號(hào)接入煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。通過現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了該轉(zhuǎn)換器具有功耗低、實(shí)時(shí)性高、傳輸距離遠(yuǎn)、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，具有良好的煤礦應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】煤礦；無(wú)線；信號(hào)轉(zhuǎn)換；2.4G

引言

隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的日益重視，部分國(guó)有大型煤礦綜采工作面和掘進(jìn)工作面都存在著大型的移動(dòng)設(shè)備[1]，而根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》及AQ1029-2007《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器使用管理規(guī)范》的規(guī)定這些區(qū)域都要配備瓦斯傳感器并實(shí)現(xiàn)區(qū)域瓦斯超限斷電功能，而現(xiàn)有煤礦井下的環(huán)境用瓦斯傳感器傳輸都采用有線傳輸，而以上區(qū)域空間狹小，而大型設(shè)備由于掘進(jìn)或開采而發(fā)生前后移動(dòng)或左右移動(dòng)，而過程中需要帶著瓦斯傳感器及信號(hào)電纜一起移動(dòng)，在實(shí)際的使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)電纜變形或壓斷，而規(guī)程規(guī)定這些區(qū)域的瓦斯傳感器出現(xiàn)故障要閉鎖斷電，采煤或掘進(jìn)工作無(wú)法正常進(jìn)行，極大的影響了煤礦的安全生產(chǎn)。因此在井下部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無(wú)線傳輸對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義[2]。

筆者設(shè)計(jì)了一款本安型無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了區(qū)域中對(duì)瓦斯傳感器數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線傳輸[3]，并通過此對(duì)應(yīng)的無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換而接入煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，可有效的保障煤礦的安全生產(chǎn)，并通過典型的應(yīng)用展示其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用方法。

1.硬件設(shè)計(jì)及功能

無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器如圖1所示，主要由微處理器模塊、無(wú)線傳輸模塊、顯示模塊、頻率輸入輸出模塊、RS485通信模塊、紅外遙控模塊及供電模塊組成[4]。

1.1 微處理器模塊

微處理器模塊采用C8051F340芯片，該芯片是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)性的MCU，其硬件資源豐富，內(nèi)含最多2個(gè)UART、SPI及5個(gè)PCA，并具有其他豐富的I/O外設(shè)接口，其芯片整體功耗低且價(jià)格較低完全滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要。

1.2 無(wú)線模塊

該無(wú)線模塊設(shè)計(jì)時(shí)采用了通用接口的方式可接入標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線工作頻率為2.4G和900M的模塊，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、能耗和設(shè)計(jì)成本等因素，本設(shè)計(jì)采用了市場(chǎng)上現(xiàn)成的無(wú)線模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)（如圖2所示），大大簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和設(shè)計(jì)成本。

1.3 顯示模塊及紅外遙控模塊

轉(zhuǎn)換器采用了4位共陰極8段式數(shù)碼管顯示和HS0038紅外遙控設(shè)計(jì)，通過顯示和紅外遙控實(shí)現(xiàn)了基本的人機(jī)交互，主要完成了設(shè)備地址設(shè)置、無(wú)線通信模塊選擇、頻率端口輸入輸出選擇、安裝發(fā)射和接收選擇、傳輸模式和制式選擇、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示等。

1.4 頻率輸入輸出模塊

頻率輸入輸出部分采用了最簡(jiǎn)單的三極管、電阻和電容搭建的輸入輸出電路，輸出部分采用了微處理器定時(shí)的方式，輸入采集通過微處理器的PCA口實(shí)現(xiàn)采集和處理。

1.5 RS485通信模塊

轉(zhuǎn)換器RS485通信模塊采用了SP3485E芯片，其外圍保護(hù)電路等如圖3所示，此部分通信可根據(jù)接入對(duì)象不同而進(jìn)行設(shè)置，主要有兩個(gè)對(duì)象，一種是傳感器的RS485通信實(shí)現(xiàn)數(shù)字式的數(shù)據(jù)采集，另一種是與分站RS485直接的通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，兩者之間的設(shè)定通過遙控器進(jìn)行選擇。

1.6 供電模塊

轉(zhuǎn)換器內(nèi)部各模塊需要5V和3.3V電源，其內(nèi)部供電主要采用小封裝的TPS794XX系列電源管理芯片，芯片輸出5V和3.3V，電流800mA，可滿足各模塊的供電要求。

2.軟件設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用程序是基于C8051F340芯片平臺(tái)，采用了C語(yǔ)言進(jìn)行編程，主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示、無(wú)線信號(hào)的控制與傳輸及不同條件下對(duì)轉(zhuǎn)換器的相關(guān)設(shè)置，包括地址、發(fā)射與接收選擇、傳輸制式選擇等。

3.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

針對(duì)綜采工作面和掘進(jìn)工作的實(shí)際情況，并結(jié)合煤礦的安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)搭建了應(yīng)用環(huán)境（如圖4所示），并順利的接入到監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳[5]。現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了轉(zhuǎn)換器接收側(cè)的瓦斯、一氧化碳傳感器分別通過頻率或RS485進(jìn)行采集，通過無(wú)線傳輸傳遞給接收側(cè)的轉(zhuǎn)換器，接收側(cè)轉(zhuǎn)換器也分別用頻率或RS485的方式接入到監(jiān)控系統(tǒng)的分站中，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳至地面中心站計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。轉(zhuǎn)換器現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證其無(wú)線傳輸距離不低于200米，其信號(hào)質(zhì)量較好，傳輸穩(wěn)定，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要。

4.結(jié)語(yǔ)

本文介紹了無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器的基本設(shè)計(jì)和應(yīng)用，其功能主要是將煤礦部分區(qū)域中傳感器輸出的頻率信號(hào)或RS485信號(hào)，采集轉(zhuǎn)換為無(wú)線射頻信號(hào)進(jìn)行無(wú)線傳輸，并傳遞給接收側(cè)轉(zhuǎn)換器在通過頻率或RS485信號(hào)接入到煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域的無(wú)線傳輸，解決了移動(dòng)設(shè)備布線和有線傳輸使用不便的問題，其轉(zhuǎn)換器具有功耗低、實(shí)時(shí)性高、傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，具有良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：郝葉軍（1982—），男，山西朔州人，碩士研究生，長(zhǎng)期從事煤礦自動(dòng)化研究工作。