基于LPC1778的六路RS485總線煤礦安全監控分站的研究

徐士敏 樊曉明 李波

【摘要】本文提出了一種基于LPC1778的六路RS485總線的煤礦安全監控分站的詳細設計方案，能夠為目前煤礦現場的采煤工作面和掘進工作面傳感器提供遠距離供電，同時能夠減少煤礦現場的多個傳感器的用線數量，該分站具備七路電源輸入和六路RS485總線接口，與子設備通信的每路RS485接口都配套電源輸出。該分站的應用能夠提高煤礦安全監控系統的可靠性，降低煤礦企業的生產成本。

【關鍵詞】監控分站;遠距離;采集;總線接口

引言

隨著采煤技術的進步和大型煤礦的發展，煤礦掘進工作面和采煤工作面不斷的加長[1]，超過3km的掘進工作面和采煤工作面已經比比皆是?！禔Q6201煤炭安全監控系統通用技術要求》規定，傳感器及執行器至分站之間的傳輸距離應不小于2km，眾多安全監控系統生產廠家對傳感器與分站的傳輸距離和供電距離定為2km，超過2km后，很難保證傳感器的正常穩定工作，同時由于工作面所需采集參數眾多，所需接入傳感器數量大，傳感器多采用三線制或四線制頻率傳輸的方式，導致工作面的布線成本大大增加。為了解決煤礦現場出現的以上問題，提高傳感器的工作穩定性以及減少工作面的布線數量，本文對多路RS485總線的煤礦安全監控分站進行研究，其主要特點是具備七路本安電源輸入和六路RS485總線接口（其中四路RS48接口是與數字型傳感器關聯使用），與傳感器配合使用的每路RS485接口均具備獨立的24V電源輸出，為總線型傳感器的遠距離供電提供動力保障。同時由于分站采用RS485總線接口與傳感器連接，其一根四芯線纜可以接入多個傳感器，大大減少了工作面的布線數量，降低煤礦企業生產成本。

1.組成模塊

分站采集各頻率、開關量、總線型傳感器的參數后，通過傳輸接口將這些參數傳送至地面的計算機，計算機通過監測軟件將這些環境參數以及設備工作狀態，展示給地面的工作人員，從而完成監測的功能[2]。同時，分站按照采集到的環境參數及接收到的控制邏輯，通過控制執行器對被控制設備進行實時控制，從而完成控制功能。按其功能主要由：通訊模塊、頻率數據采集模塊、開關量輸入輸出模塊、RS485接口擴展模塊、電源模塊、數據存儲模塊、人機交互模塊、嵌入式軟硬件模塊[3]部分組成。其硬件組成模塊框圖如圖1所示。

圖1 分站硬件組成模塊框圖

2.硬件電路詳細設計

2.1 輸入輸出電源設計

具備7路獨立電源輸入接口，其中1路用于分站自身供電，其余6路用于對外的頻率端口和RS485端口電源輸出。對外部輸出的6路獨立輸入電源進行管理及保護設計，提供12路電源輸出，分別提供給4路模擬量接口、4路開出控制接口、4路RS485接口，其中4路模擬量接口共用1路電源、4路開出控制接口共用1路電源、4路485接口各用1路電源。對模擬量接口及開出控制接口實現過流保護[4]、電源控制、狀態輸出，其所有電源輸出端口具有抗浪涌、群脈沖能力。分站輸入輸出電源設計原理框圖如圖2所示。

圖2 分站輸入輸出電源設計原理框圖

2.2 頻率量和開關量輸入端口設計

可以接入8個頻率量（或開關量）傳感器，頻率量和開關量輸入口采用兼容設計，數據采集模塊完成頻率信號、開關量信號信號的隔離、轉換及整形，具有抗浪涌、群脈沖能力，輸出信號供最小系統采集。輸入端口采用TVS保護器件，提高抗浪涌和群脈沖能力，采用信號電流驅動光耦隔離，光耦后端采用施密特觸發器對頻率信號整形。頻率量和開關量信號采集原理框圖如圖3所示。

圖3 頻率量和開關量信號采集原理框圖

2.3 RS485總線接口設計

具備6路獨立的RS485總線信號通信模塊，各路RS485信號互相隔離。端口采用TVS、共模線圈等保護器件，提高抗浪涌和群脈沖能力，UART與RS485接口芯片相互隔離，采用不帶隔離功能的RS485接口芯片加外部光耦隔離等方式實現。RS485總線接口設計原理框圖如圖4所示。

圖4 RS485總線接口設計原理框圖

2.4 開關量輸出端口設計

通過隔離、驅動電路，完成4路控制信號輸出。處理器輸出信號驅動光耦隔離，光耦后端采用三極管驅動信號輸出。輸出端口采用TVS保護器件，提高抗浪涌和群脈沖能力。開關量輸出端口設計原理框圖如圖5所示。

圖5 開關量輸出端口設計原理框圖

2.5 人機交互模塊設計

顯示采用單色320×240點陣圖形液晶顯示模塊、2個紅/綠LED指示燈用于指示電源及分站運行、H38V3V紅外接收采用芯片、五維薄膜按鍵，實現文字及數據信息顯示、電源及通訊狀態指示、紅外遙控接收及按鍵輸入功能。人機交互模塊設計原理框圖如圖6所示。

圖6 人機交互模塊設計原理框圖

2.6 最小系統設計

通過串行FLASH芯片AT45DB321D，完成4M Bytes數據的存儲;通過芯片CAT1161完成外部看門狗及EEPROM的存儲功能;通過恩智浦LPC1778處理器作為主控芯片實現數據處理、控制、邏輯運算、存儲、系統掉電時鐘管理等功能，與其他外圍電路模塊一起，實現頻率信號和TTL電平信號采集、485通訊控制、控制信號輸出等功能。最小系統設計原理框圖如圖7所示。

圖7 最小系統設計原理框圖

3.結論

針對目前國內煤礦安全監控分站在采煤工作面和掘進工作面的應用現狀與問題，本文提出了一種監控分站的設計新思路，并設計研究出一款基于LPC1778的六路RS485總線煤礦安全監控分站，改善了目前煤礦安全監控系統中傳感器無法長距離供電、采掘工作面布線多的問題，降低了煤礦的生產成本。該煤礦安全監控分站已取得防爆證和安標證，且已應用到諸多采煤現場，取得了良好的成效。

參考文獻

[1]申寶宏，郭玉輝.我國綜合機械化采煤技術裝備發展現狀與趨勢[J].煤炭科學技術，2012（2）：1-3.

[2]王啟峰，祝國源，孫小進. 基于FPGA的煤礦安全監控系統監控分站的設計[J].工礦自動化，2010（10）：29-31.

[3]徐竟天.基于ARM9嵌入式和工業以太網的礦井瓦斯監控系統研究[M].西安：西安電子科技大學，2011.

[4]程曉潔.基于低壓差電源穩壓器的CMOS過流保護電路設計[M].四川：西南交通大學，2006.

項目來源：天地（常州）自動化股份有限公司橫向科研項目（項目號：13SY021）。

作者簡介：徐士敏（1984—），男，山東昌樂人，碩士，工程師，主要從事煤礦安全監控系統的研究。