一種礦用信號轉換器的設計*

王璐

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

0 引言

隨著通信技術的快速發展，我國煤炭行業提出建設數字化礦山的新目標，要求井下監測、監控系統進行系統融合，對設備傳輸信號格式進行統一規范[1]。目前，一些煤礦企業已經安裝安全監控、瓦斯抽放、水害監測和礦壓監測等系統[2]，傳感器作為這些系統的終端采集設備，其種類繁多，輸出信號各不相同，為了滿足同一種傳感器能夠方便快捷地接入不同系統，需將傳感器的輸出信號轉換成上級設備能識別的信號[3]。研究表明，現有礦用傳感器輸出信號主要分為開關量信號、200～1 000 Hz頻率信號、(4～20)mA/(1～5)mA電流信號和總線數字信號等[4]。系統在確定所需接入的傳感器類型后，可通過信號轉換器輸出所能識別的信號制式，以避免傳感器的重復開發，既能縮短系統的建設周期，又可提高煤礦企業的安全生產水平和經濟效益。為此，設計了一種礦用多功能信號轉換器，可實現頻率、電流和RS-485信號之間的相互轉換，該信號轉換器使用方便，精度高，運行穩定可靠。

1 轉換器的工作原理

信號轉換主要分為模數轉換和數模轉換兩類，依靠轉換元件和轉換電路實現，將電學量和非電物理量相互變換，把非標準的信號轉換成標準信號[5]。模數轉換實現模擬信號到數字信號的變換，一般要經過采樣、保持、量化和編碼幾個步驟，轉換電路主要由模擬電子開關、位權網絡、數字寄存器、求和運算放大器和基準電壓源等部分組成。數模轉換是將離散的數字信號轉變為連續的模擬信號，即采集到的數字信號，按不同等級對應相應數字寄存器，控制對應的模擬電子開關，在位權網絡上產生和其位權對應的模擬量。

目前，大多數傳感器可完成輸入信號的檢測，被測環境信號在傳感器內部進行采集、處理和輸出。傳感器的輸出信號可直接與信號轉換器連接，微處理器作為信號轉換器的核心，對接入信號的進行采集、線性化處理、量程調整和數據轉換，實現非標信號到標準信號的相互轉換和遠距離傳輸。

2 轉換器的總體設計

信號轉換器作為煤礦監測、監控系統的配套產品，可實現電流與頻率不同類型信號之間的相互轉換，也可通過RS-485總線進行模擬信號的數字化傳輸。依據信號轉換器的工作原理，對于(1～5)mA和(4～20)mA電流信號,通過取樣電阻轉換成電壓信號,再經過單片機A/D轉換,最后計算輸出頻率。對于200～1 000 Hz的頻率信號，通過單片機轉換成數字輸出，再經過D/A芯片轉換成電壓信號，最后由電壓轉電流電路輸出4～20 mA電流。轉換后的信號均可通過RS-485總線進行數據通信，實現終端傳感設備往監測、監控系統的接入。

3 轉換器硬件設計

3.1 轉換器硬件電路總體設計

信號轉換器硬件電路主要由供電電路、單片機電路、存儲電路、遙控電路、頻率采集電路、電流采集電路、頻率輸出電路、電流輸出電路和RS-485總線通信電路等部分組成，如圖1所示。信號轉換器選用新華龍C8051F310作為核心處理器，具有16位AD采集功能，確保信號的采集精度。為滿足各個模塊電路對電源的需求，設計輸出12 V、3.3 V和5 V 3種直流電源，電源模塊的前端軟啟動電路和貼片大電容采用澆封處理，增強抗浪涌和群脈沖干擾等級，可通過遙控完成設備地址和通信等參數的設定和存儲，避免數據丟失。轉換器通過RS-485方式與上級設備通信，通信電路選用帶隔離功能的RS-485芯片ADM2587，通信端口搭配防雷管、共模線圈和TVS管等保護器件，提高RS-485總線的抗干擾能力。

圖1 信號轉換器總體結構

3.2 頻率采集電路設計

所接入的傳感器若輸出為頻率信號，則可將傳感器的輸出線與信號轉換器的頻率采集口F+和F-端子相接，實現信號轉換器的頻率采集，電路如圖2所示。處理器的P0.1管腳配置為頻率采集口F_IN, 當頻率口輸入為高電平時，信號通過TVS管VD1和共模線圈L1, PC357光耦隔離器件N1導通，單片機引腳采集F_IN為低電平。當頻率口輸入為低電平時，隔離元件N1不導通，單片機引腳采集F_IN為高電平。處理器可通過每輪捕獲高低電平的時間，進而計算得出采集信號的頻率。

圖2 頻率采集電路

3.3 電流采集電路設計

所接入的傳感器若輸出為電流信號，則可將傳感器的電流輸出線與信號轉換器的電流采集口I_IN+和I_IN-端子相接，由信號轉換器完成電流采集，通過短接帽跳接實現(1～5)mA和(4～20)mA電流信號的切換，電路如圖3所示。處理器的P1.0管腳配置為電壓采集口V_MCU, 當有電流輸入時，電阻R14兩端產生電勢差，經R17分流電阻進入運算放大器LM358的INA+，通過可變電阻器VR2調節運放的輸出電壓，送入單片機的ADC采集引腳，計算得出輸入電流的大小。

圖3 電流采集電路

3.4 頻率輸出電路設計

轉換器由電流采集電路檢測出輸入電流大小，通過電流與頻率對應比例關系，(4～20)mA(1～5 mA)對應200～1 000 Hz，計算出輸入電流所需輸出的對應頻率。處理器P1.2引腳配置為頻率輸出控制口FOUT0，由內部定時器控制FOUT0引腳定時翻轉輸出高低電平，輸出信號經2個三極管處理后，每秒電平翻轉的次數即是所需輸出的頻率。電路如圖4所示。

圖4 頻率輸出電路

3.5 電流輸出電路設計

轉換器由頻率采集電路檢測出輸入頻率大小，通過頻率與電流對應比例關系， 200～1 000 Hz對應(4～20)mA(1～5 mA)，計算出輸入頻率所需輸出的對應電流。電流輸出電路中N6為數模轉換芯片TLC5615，參考源為1.2 V，處理器根據對應關系輸出相應數字信號，經數模轉換芯片處理后由AOUT引腳輸出對應電壓。N5為運算放大器LM324, 具有四路獨立、高增益、內部頻率補償的運算放大器，數模轉換芯片N6輸出電壓經運放電路處理后，由三極管V5集電極I_OUT+輸出電壓，進而產生相應電流輸出，電路如圖5所示。

4 轉換器軟件設計

轉換器軟件采用keil4設計，主要由數據采集、遙控操作、數據轉換和RS-485通信等模塊組成，具體流程如圖6所示。上電后，軟件先進行程序初始化，主要完成時鐘、I/O口、設備參數、定時器和UART等初始化。通過紅外遙控可配置轉換器參數，如設備地址、通信速率、轉換方式等，并寫入外部存儲器，避免重要參數的丟失。在一個完整周期內，對輸入信號進行采集，再經過轉換算法處理后，獲得需要輸出的數據類型，并通過總線進行遠距離傳輸。

圖5 電流輸出電路

圖6 傳感器節點軟件程序流程

5 結論

設計了一種新型礦用信號轉換器，詳細介紹了信號轉換器的工作原理，給出信號轉換器的總體設計、硬件設計和軟件設計，主要實現頻率與電流的相互轉換、并可通過RS-485總線傳輸。實際應用表明，該轉換器精度高，運行穩定可靠，使用方便，可有效解決不同廠家生產的傳感器無法接入監測監控的難題。