基于光纖傳輸的礦用監測系統設計

趙慶偉

（同煤集團機關事務處， 山西 大同 037003）

1 信號采集模塊硬件設計

各種信號采集模塊雖然采集的信號各不相同，但硬件設計大致相同，文中分別以甲烷傳感器和設備開停傳感器作為代表介紹模擬量和開關量信號采集模塊。以甲烷信號采集模塊為例，整個模塊主要由處理器單元、傳感檢測單元、總線接口單元、電源管理單元和顯示與警報單元組成，在這些單元中處理器單元采用TI公司的低功耗的芯片MSP430F149，傳感檢測單元采用MC112型熱催式瓦斯傳感器，總線接口單元采用TI的防雷RS485總線芯片75LBC184，電源管理單元中電源管理芯片采用的是LM2676-5.0電壓轉換模塊與AS1117直流穩壓芯片，顯示單元則采用GYTF018MIBOM彩色TFT顯示屏[1-2]。

1.1 處理器模塊硬件設計

模擬量和開關量信號采集模塊的處理器模塊均采用TI公司的低功耗的芯片MSP430F149。處理器單元的主要功能：分析處理采集的數據，并驅動顯示模塊，將數據準確顯示出來，分析串口通信數據，根據接收的總線數據，把采集的數據經過處理后通過串口發送[3]。

處理器模塊單元為MSP430F149最小系統，需要電源電路、系統時鐘電路、復位電路及JTAG電路等。其中晶振采用的是一個4 MHz石英晶振和一個32.768 kHz的無源晶振，其中4 MHz石英晶振作為主CPU時鐘，連接芯片內部的PLL倍頻電路為系統運行提供時鐘；32、768 kHz的無源晶振作為RTC時鐘。復位電路采用專業的復位芯片MAX813實現CPU所需要的復位脈沖。

1.2 傳感檢測模塊硬件設計

傳感器監測模塊根據采集信號的不同應該分為模擬量傳感檢測模塊和開關量傳感檢測模塊兩種不同的類型，這里僅以甲烷檢測模塊和設備開停模塊作為兩種類型傳感檢測模塊的代表作介紹。其中甲烷傳感器作為模擬量采集模塊的代表，所采用的甲烷檢測傳感探頭為MC112型熱催式瓦斯傳感器。其輸出信號經放大調理電路處理后將檢測信號放大并轉換成0～3.3 V的電壓信號，然后將這個電壓信號傳送到A/D轉換芯片，A/D轉換電路將輸入電壓轉換為數字信號并傳送至相應模塊的處理器單元，再通過處理器單元的解析轉換為標準數值予以顯示。

1.3 電源管理模塊硬件設計

信號采集模塊中各元件正常工作所需要的電壓有5 V和3.3 V。3.3 V主要用來給處理器模塊的MSP430F149提供電源，同時也為液晶顯示模塊提供電源。5 V則供給其他的工作模塊，比如RS485總線控制芯片75LBC184和時鐘控制芯片DSl302等。

在電源管理模塊中實現18～5 V直流電平變換所使用的是LM2676-5.0。實現5～3.3 V電平變換采用的是LM1117-3.3。LM1117是一個低壓差電壓調節器系列。其電路如圖1所示：

圖1 信號采集模塊電源管理單元電路圖

1.4 總線接口設計

信號采集模塊與光纖以太網傳輸模塊之間通過RS485總線進行通信，而礦用系統的RS485接口需要具有很好的抗干擾能力與安全性，同時，通信信號的指示也必不可少。所以RS485總線接口芯片采用了由德州儀器生產的75LBC184通信芯片，其功耗低，抗干擾能力強，同時具有防雷功能，工作溫度范圍從0～70℃，最高傳輸速率為250 kbit/s，最多可以連接128個相同的485通信設備，非常適合作為礦井下的RS485總線通信芯片。

1.5 顯示與警報單元硬件設計

信號采集模塊不僅能將信號進行采集外，而且還能對檢測信號進行全面的監測，需要將采集到的信號以恰當的方式展現出來，即要做到采集信號的實時顯示以及檢測量超標的聲光報警，這些功能都是礦井安全監測系統國家相關行標文件的明確要求。本模塊采用的顯示單元采用的是GYTF018M1BOM彩色TFT顯示屏。其屏幕尺寸為1.77英寸，分辨率為128×160，色彩支持為RGB Stripe，最大色深 18 bit。

信號采集模塊聲光報警部分也是整個系統不可或缺的重要部分，此單元采用了高音量的蜂鳴器作為報警聲源以達到報警聲音強度的要求，而光報警則是采用了高亮度的發光二極管以達到報警光強的要求。

2 光纖以太網傳輸模塊硬件設計

光纖以太網傳輸模塊的主要功能是實現不同接口之間數據的轉換，通過RS485總線與信號采集模塊通信，同時也可以通過光纖與光纖以太網進行通信。主要由處理器單元、總線接口單元、光纖以太網接口單元、電源管理單元和顯示單元組成，其中處理器單元采用的是基于ARM920T的16/32位RISC嵌入式處理器S3C2440芯片，總線接口單元采用的也是11的RS485總線防雷芯片75LBC184，電源管理芯片采用的也是是LM2676-5.0電壓轉換模塊與AS1117直流穩壓芯片，顯示單元采用ZQ3506-V0彩色TFT顯示屏[4]。

2.1 處理器單元設計

處理器單元可以看成是S3C2440的最小系統。此外處理器單元還包括了組成最小系統必須的相關元件，主要有SDRAM存儲器、Flash存儲器、系統晶振以及復位電路等。其中SDRAM存儲器采用使用了32 Mbytes的SDRAM芯片（型號為：HY57V561620FTP），一般稱之為內存，其最大數據傳輸寬度可達到100 MB/s，滿足系統需求。

2.2 總線接口設計

總線接口與信號采集模塊相同，相比信號采集模塊只需要將75LBC184的TTL電平信號端與S3C2440的串口0連接，而RS485信號端與信號采集模塊的RS485信號端口相連便可以實現與信號采集模塊的RS485總線通信。

2.3 光纖以太網接口設計

以太網接口部分采用DM9000來實現以太網通信功能。光纖收發部分主要包括光電介質轉換芯片和光信號接口，光電轉換芯片采用的是IP113c。

2.4 電源管理單元硬件設計

與信息采集模塊相同，光纖以太網傳輸模塊也是通過礦用本安電源供電，即需要通過18～5 V的直流電平變換，同時為了提供系統各模塊工作要求的電壓，還需要5～3.3 V以及5～1.8 V的電平變換。其中實現18～5 V直流電平變換所使用的也是LM2676-5.0，其電路連接方式與信號采集模塊一致。實現5～3.3 V以及5～1.8 V的電平變換采用的是LM1117-3.3和LM1117-1.8兩款電壓轉換芯片。

2.5 顯示單元硬件設計

本模塊的顯示單元采用了ZQ3506-V0彩色TFT顯示屏。其屏幕尺寸為3.5英寸，分辨率為240×320，色彩支持為 RGB Stripe，最大色深 18 bit，典型像素時鐘6.39 MHz，液晶驅動器為STC12LE1052-351-SOP20。

3 光纖傳輸系統設計

以太網信號輸系統是整個礦用監測系統信號傳輸的主要通道。其采用的傳輸標準以及拓撲結構會直接影響整個系統的信號傳輸性能，而由于礦井下環境復雜，干擾因素較多，整個系統的拓撲結構和抗干擾性能便成為了基于光纖傳輸的礦用監測系統需要注意和改進的關鍵。通過分析本系統采用了單模光纖作為系統傳輸的主要介質，而光纖以太網的拓撲結構則采用以太環網的形式，達到以太網雙向自愈的性能要求，以保證礦井下信息傳輸的可靠性[5]。

3.1 光纖傳輸架構設計

礦用監測系統用于傳輸信號主要是通過光纖以太網系統。本系統根據需求和現在以太網系統發展狀況，采用100 Mb/s快速以太網標準的子類100BASE-FX。本系統采用以太環網結構來組建系統光纖傳輸路線，以太環網（又叫環網）是由一組IEEE 802.1兼容的以太網數據傳輸節點組成的環形拓撲網絡結構，每個節點通過基于802.3媒體訪問控制的環端口與其他兩個節點相連，而以太網MAC結構能夠通過SDHVC、MPLS的以太網偽線技術等來實現，從而使得系統內各節點間可以通過以太環網進行兩兩通信。

除了采用性能優良環網外，要組成光纖以太環網，以太網通信介質的選擇也很重要。光纖即為光導纖維的簡稱。光纖通訊是以光波為載頻，以光導纖維為傳輸媒介的一種通信方式。

光纖以太網的傳輸介質可以選擇單模光纖和多模光纖。要保證數據傳輸的有效性，正常情況下多模光纖的最大傳輸距離為2 km，而單模光纖的最大傳輸距離最大則可以達到40 km。由于礦井下設備之間的距離比較遠，有時甚至長達10 km左右，所以本系統選用單模光纖作為通信介質，以保證信號的衰減在可接受的范圍之內。從而從系統信號的傳輸介質上，保證了系統信號傳輸的穩定和安全。

光纖環網通過多個光纖環網交換機的光纖接口通過光纖進行環形連接形成，這種結構不僅可靠性高而且成本相對較低，是實現礦用傳輸系統理想的傳輸系統架構。

3.2 光纖環網組成單元設計

光纖傳輸以太網采用的是礦用本質安全型光纖環網交換機，因現在常用的以太網交換機不具有環網交換功能，若將其連接成以太環網將會在整個系統中形成廣播風暴，是整個系統的信號傳輸崩潰。若是采用環網交換機則不會出現這樣的問題，而且這樣的網絡結構具有信號傳輸可靠，傳輸量大以及系統冗余性能好等其他結構所不具備的優點。當多個環網交換機形成環網后，如果其環結構上其中一段鏈路斷開，系統會做出自動的網絡鏈路自動選擇以生成新的鏈路連接，而不會對網絡系統上的數據傳輸造成影響。因此本系統引入了礦用環網交換機。這種交換機可以通過連接與之相鄰的交換機上的環網接口并以手拉手的形式組建環形網絡。本系統所采用的每個交換機模塊至少應具有兩個以上的光纖接口以組成環網，并且應留有備用接口和其他設備的光纖擴展接口。礦用交換機也應該具有多個RJ45以太網接口以便其他礦井下設備的聯網。

4 結論

本文設計的基于光纖傳輸的礦用監測系統硬件，在礦井監測中起到了很好的監測作用，整個礦用檢測系統性能穩定，結構合理，實現了經濟性與實用性的良好結合。該檢測系統不僅用于礦用信息的檢測，作為新一代礦用檢測系統，通過適當的擴展，也可以作為建筑以及工程安全監測系統。