基于LPC1768的液壓支架端頭控制器設計

宿太明

（西山煤電股份有限公司西銘礦，山西太原 030052）

0 引言

近年來隨著科技的發展，越來越多的新型技術和概念可以被應用到煤炭行業，其中最為典型的是井下工作面無人開采。這一概念的提出對礦井機械生產的自動化也提出了更高的要求。而工作面最為復雜和難以實現自動化的便是液壓支架整個的控制系統。目前我國礦井下使用的液壓支架控制器主要依賴進口，由于國內的同類型產品在自動化程度、可靠性以及穩定性方面都無法達到礦井生產的要求。而進口產品又存在許多的局限性，例如：維修不方便、費用高、與國產其他設備兼容性差以及采購周期長等一系列缺點。這嚴重的限制了我國煤礦行業的發展，因此，開發出一套自動化程度高、穩定性好、具有自主知識產權的液壓支架控制系統便顯的尤為重要，不僅能夠打破國外的壟斷，還能夠為礦井下其他設備的自動化研發提供經驗，為我國煤礦生產的無人值守奠定基礎[1]。

本文基于此設計了一套液壓支架端頭控制器，通過功能驗證證明其性能穩定、安全可靠性良好，能夠應用于井下生產。

1 控制器總體結構

如圖1所示為液壓支架控制系統整體結構圖。從圖中可看出整個控制系統由三層結構組成。液壓直接控制器處于最底層，端頭控制器是中間層，最上層是防爆計算機[2]。

圖1 液壓支架控制系統整體結構圖

液壓支架的動作直接由處在最底層的液壓直接控制器控制，液壓支架上的各種傳感器將采集到的信號傳輸到支架控制器。當端頭控制器在通訊總線上巡檢時液壓支架控制器將收集到的信息上傳；端頭控制器下發的動作命令通過液壓支架控制器來控制各個閥門具體執行；此外液壓支架控制器還負責進行控制參數的修改、以及軟件升級等。

端頭控制器處在整個控制系統的中間層次，是底層與上層信息交互的橋梁。由于端頭控制器的重要性以及礦井生產的穩定性要求，所以采用一用一備的方式布置。它們的數據也互為備份。其主要功能包括以下幾項：對液壓支架進行控制命令下發；巡檢液壓支架控制器的參數，以達到對工作面液壓支架的實時監控；對液壓支架控制參數的修改；對液壓支架控制器控制程序進行升級；根據采煤機實時位置對液壓支架進行控制。

處在最上層的是防爆工控機，其主要功能是將端頭控制器采集上傳的液壓支架各項數據收集、整理和顯示；通過遠程控制功能對單個液壓支架或者是成組液壓支架進行工作控制；對整個控制系統進行參數修改；向端頭控制器下發更新程序；查詢工作歷史記錄；端頭控制器控制切換；以及工作面通訊檢測等監控功能。

圖2 端頭控制器硬件總體框圖

圖3 RS-485通訊電路原理圖

2 控制器硬件設計

2.1 控制器硬件總體框圖

如圖2所示為液壓支架端頭控制器硬件總體框圖。從圖中可以看出本控制器有兩路RS-485通訊模塊，主要用于和上層計算機以及下層液壓支架控制器之間實現通訊。LCD顯示屏方便人際交互。鍵盤電路實現界面操作和參數的輸入。聲光報警模塊用于故障提示；XRAM擴充CPU存儲。最后就是CPU組成的最小系統包括震蕩源、下載接口、復位接口等等[3]。

2.2 CPU選型與硬件資源配置

LPC1788微控制器是NXP公司開發的基于ARM內核的32位微處理器。主頻能夠達到120 MHz，提供了外部擴展SDRAM控制器，內部具有512 kB的Flash，4 kB的EEPROM以及32 k的RAM，能夠滿足較大系統的存續存儲需求。本芯片還提供5個異步串行通訊接口，完全能夠滿足本設計的需求[4]。如表1所示為本系統的CPU資源配置。

表1 LPC1768資源配置

2.3 RS-485通訊電路

端頭控制器主要通過RS-485通訊總線實現與上層防爆工控機以及下層液壓支架控制器的通訊。因此RS-485通訊總線的穩定性以及通訊能力直接影響到整個液壓支架控制系統的穩定性。由于井下環境比較復雜，各種干擾層出不窮，所以要求本系統設計的RS-485通訊總線需要具備極強的抗干擾能力[5]。

本系統選用的RS-485通訊模塊型號為TD501D485H-E，是一款在工業現場應用比較廣泛的RS-485芯片。該模塊內集成了信號隔離電路、電壓隔離電路、通訊驅動電路以及保護電路等，不僅簡化了外電路的設計，還能夠有效地提高整個通訊系統的抗干擾能力。該模塊的工作電壓為DC5V，還具有靜電保護功能，在復雜環境中最大的通訊節點能夠達到256個，完全能夠滿足本系統的設計要求。

芯片的電路接口原理圖如圖3所示。其中SMCJ6.SA為TVS二極管，其主要作用是用來抑制電路中瞬時的電壓變化，起到保護芯片以及預防噪音的目的；C84電解電容主要用來對電源進行濾波；電容C86和電感L81組成了一個低通濾波器，能夠有效的濾除電路中的高次諧波，消除干擾。

SCIO-A和SCIO-B為發送和接收的兩根數據線接口，為了降低干擾在出口處接入了C15和C14兩個電容；R9，R11的主要作用是限制信號線上電流的大小；U5為三端氣體放電管，主要用來預防雷擊，起到保護電路的作用。

圖4 聲光報警電路原理圖

2.4 聲光報警電路

煤礦井下工作條件比較復雜各種噪音粉塵等比較多，所以為了更好地提示故障，本系統設計了聲光報警模塊，通過該模塊的提示能夠及時提醒工作人員故障的發生。

如圖4所示為本系統設計的聲光報警原理圖。圖4（a）為燈光報警電路原理圖，當系統運行正常時CPU的PJ1口輸出為低電平，此時NPN三極管為截至狀態，所以紅色指示燈不亮，當有故障發生時PJ1口被拉高，此時NPN三極管導通，紅色指示燈亮。聲音報警的工作原理如圖4（b），與燈光報警類似，這里便不再贅述。

3 軟件設計

3.1 軟件總體方案

端頭控制器主程序流程圖如圖5所示：由于端頭控制器承擔的功能比較多，例如：數據查詢、支架動作控制、參數修改、軟件升級等。本系統采用中斷的方式來觸發子程序的執行。中斷子程序分為三種，分別是通訊子程序、鍵盤子程序和定時器中斷程序。程序首先是進行軟硬件的初始化，完成各種功能配置，包括通訊、中斷、定時、以及I∕O等。當有某一個中斷出現后，開始執行相應的中斷服務子程序，當該程序執行完畢后中斷返回，等待下一個中斷的發生。在程序中按功能的重要性程序將中斷設置了相應的優先級。最高為通訊中斷，最低為定時器中斷，鍵盤中斷居中[6]。

圖5 端頭控制器主程序流程圖

3.2 支架動作控制程序設計

（1）參數巡檢和判斷程序

參數的巡檢屬于通訊程序，命令是由端頭控制器下發的，其中通訊內容的組成格式為：支架號+巡檢代碼(04H)+校驗位；當液壓支架控制器接收到巡檢命令后便會將各項數據依次上傳，端頭支架將上傳的信息存儲到指定的位置，如果數據傳輸失敗則端頭支架會再次發送查詢命令，如果連續三次都失敗則會提示故障，等所有的數據收集完畢后將其上傳到防爆工控機。參數巡檢程序流程如圖6所示。

（2）控制模式選擇程序

端頭控制器的控制模式有三種分別是：遠程模式、就地模式和集控模式[7]。三種控制模式的切換程序流程如圖7所示。

圖6 參數巡檢程序流程圖

圖7 控制模式切換流程圖

4 小結

本文以液壓支架端頭控制器為研究對象，設計了一套液壓支架端頭控制器，主要介紹了該控制系統的總體結構以及硬件和軟件設計思路，通過該控制器的設計為礦井其他控制器設計提供了思路。