數字式安全監控系統關鍵參數檢測裝置設計

王樂軍

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

風電閉鎖、瓦斯超限閉鎖、故障閉鎖是煤礦安全監控系統最重要的功能，斷電控制執行時間是衡量監控系統性能的關鍵技術指標[1-2]。隨著《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》(煤安監函[2016] 5 號)及AQ6201-2019《煤礦安全監控系統通用技術要求》的相繼發布，對升級改造后的煤礦安全監控系統斷電控制執行時間提出了更高、更嚴格的要求。

“數字化傳輸”是煤礦安全監控系統升級改造的核心內容，升級后的系統，傳感器到分站之間普遍采用RS485、CAN 或工業以太網進行數字化交互[3]。但是，目前主要的煤礦設備檢驗中心卻仍采用人工秒表計時的方式或者使用基于200～1 000 Hz 頻率信號的簡易計時工裝來測試系統的各項斷電閉鎖時間[4-5]，上述檢測手段存在自動化程度低，檢測效率低，計時精度不高，無法基于數字信號進行檢測等問題。可應用于各種總線接口、不同通信制式、不同協議的全自動監控系統關鍵技術指標檢測裝置，在國內監控系統檢測檢驗領域尚屬空白[6]。因此，研制一種自動化程度高、計時精度高、適用于數字傳輸的煤礦安全監控系統關鍵技術指標檢測裝置勢在必行。

該文以ARM 和FPGA 為核心，基于精密時間間隔測量機理和多總線接口融合技術的研究，結合煤礦安全監控設備性能指標檢驗、檢測的具體要求，研制開發了一種高精度、全自動、適用多總線接口的監控系統關鍵技術指標檢測裝置，可實現對監控系統超限閉鎖、故障閉鎖、風電閉鎖等功能的斷電控制執行時間進行自動檢測，兼容不同廠家、不同通信制式的監控系統總線接口及傳輸協議，實現減少人為因素影響，快速、準確檢驗檢測的目的。

1 檢測裝置總體結構設計

檢測裝置由人機對話、傳感器模擬數據發生、斷電信號檢測等模塊組成，與被測系統中的監控分站、斷電執行器、計算機平臺組成數字式安全監控系統關鍵參數檢測系統，系統整體結構如圖1 所示。其中檢測裝置的核心控制單元由ARM、FPFA 單位以及相關的外設電路組成。

圖1 檢測系統整體結構圖

檢測裝置的所有參數如傳感器信號的制式、通訊波特率、數據校驗方式等預先通過人機對話模塊上的觸摸屏人工進行輸入設置，ARM 單元根據設置的參數模擬產生數字式傳感器超限報警信號并輸出至監控分站，同時FPGA 單元采用鎖相環倍頻和時鐘分相開始計時，監控分站獲取模擬的傳感器數值之后，依據監控系統設定的斷電閉鎖閾值進行相應的判斷和動作。當數據超過設定的斷電閉鎖閾值時，監控分站驅動斷電器動作，產生斷電信號，檢測裝置的FPGA 單元捕獲斷電信號，同時停止計時，由此獲得監控系統斷電閉鎖所用時間。FPGA 處理單元負責高精度時間測量和多總線通道的信號采集任務，基于其并行運算、實時性好和時序嚴格可控的特點，可實現安全監控系統在“一對一”、“一對多”、“多對一”等多種控制模式下斷電執行時間的檢測需求。

為了降低測試過程中的不確定度，往往進行多組循環測試，每一組測試的時間數據與誤差修正數據均可自動儲存在ARM 單元的存儲模塊中，大量的測試數據可以在本機實時顯示，還可通過裝置中的通信單元（RS232、USB、無線等）上傳至計算機軟件中進行存儲并做進一步分析。

2 檢測裝置硬件設計

檢測裝置的外殼采用防護等級為IP68 的儀表箱制成，方便攜帶，可廣泛應用于煤礦現場及實驗室對監控系統關鍵技術指標的測試。

檢測裝置內部采用ARM 和FPGA 雙處理器架構，模塊化設計，主要由ARM 單元、FPGA 單元、電源轉換單元、人機交互的觸摸屏單元、存儲單元和傳感器信號傳輸單元組成，檢測裝置的硬件設計圖如圖2所示。

圖2 檢測裝置硬件設計圖

ARM 單元采用STM32F107VC 高性能處理器，最高運行主頻高達72 MHz，內置256 kB Flash 和64 kB的SRAM，集成了各種高性能工業標準接口，配合uC/OS-Ⅲ實時操作系統，可完成檢測裝置主板與觸摸屏的數據交互與顯示，與FPGA 的SPI 接口通訊，數據存儲或上傳，模擬生成傳感器的各種報警數據，按照觸摸屏設定的信號制式，如CAN 總線、RS485 總線或無線傳輸方式，通過信號傳輸單元發送到監控分站。傳輸單元接口采用周立功的高速CAN 總線隔離驅動器CTM8251AT 和RS485 總線高速隔離收發器RSM3485CHT，配接電磁兼容輔助保護電路[7-9]。

FPGA 單元選用Altera 公司的EP4CE15E22 型處理器，此款處理器可同時完成多路信號采集、捕捉，其內部集成了4 個PLL 鎖相環，利用鎖相環倍頻和時鐘分相的方法，可實現斷電控制時間的精準分割與計算。根據檢測精度的不同要求，可將檢測裝置的計時模塊分為粗測量模塊和細測量模塊，在測試過程中，采用粗、細測量模塊相結合的測量方式，可極大提升檢測效率，提高測試精度，同時減少不必要的時間開支[10-11]。

計時模塊中的粗測量模塊統計待測斷電時間間隔內的系統時鐘周期的個數，基于同步并聯計數器，時間分辨力可達單個系統時鐘周期。細測量模塊工作在粗測量模塊的計時基礎之上，由基于時鐘分相法的時間釆樣單元、編碼單元和數據緩沖單元組成[12]。

時鐘分相法是利用FPGA 中的鎖相環PLL 對50 MHz 的系統時鐘進行倍頻、移相得到時鐘頻率為200 MHz，相位分別為0°、90°、180°、270°的4 路倍頻時鐘信號，檢測裝置通過計算移相后的4 路倍頻時鐘信號與被測信號的相位差值，即可檢測到更高的時間分辨精度，基于此種原理，計時等效分辨精度可達到1.25 ns。

檢測裝置總線接口電路如圖3所示。CTM8251AT是一款將CAN 控制器的邏輯電平轉換為CAN 總線的差分電平并且帶有DC-DC 隔離功能的通用CAN收發器芯片,完全符合ISO 11898 標準。檢測裝置中所有用于CAN 信號數據傳輸的通道均設置此款隔離控制器。控制器的CANH 和CANL 引腳與總線間加入電阻，防止其受過電流的沖擊。CANH 和CANL與地之間并聯了兩個30 pF 的小電容，濾除總線上的高頻干擾并在一定程度上抑制電磁輻射。同時，為防止靜電放電時產生的浪涌高壓，在CANH 和CANL與地之間使用一個放電管，進行浪涌保護[13-14]。檢測裝置中RS485 總線接口的驅動和保護電路與CAN 總線接口基本類似。

圖3 檢測裝置總線接口電路

檢測裝置的數據傳輸模塊將最終檢測結果及測試數據發送至上位機，可以通過傳統的RS232 或USB 接口，也可以通過無線的方式進行傳輸。該裝置中無線傳輸模塊采用的是ZigBee 無線網絡技術。基于IEEE802.15.4 標準的ZigBee 技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低誤碼率、低成本的無線通信技術，是目前無線數據網絡應用較為成熟的技術之一。設計時選用Chipon 公司推出的低功耗MCU芯片CC2430，其內部集成了2.4 GHz 的RF 收發器，51 單片機內核，最大128 kB Flash 存儲器和2 kB 字節數據存儲器，8 通道8～14 bit ADC，片載溫度傳感器，支持PHY、MAC 層協議，為產品開發提供了足夠的技術支持[15]。

對比其他采用處理器外部擴展無線射頻模塊的方案，文中設計采用CC2430 單片機為核心，構建無線數據傳輸網絡的方案只需要在CC2430 芯片外圍接入少量電容、電阻、晶振等簡單器件，不僅能夠滿足整個檢測裝置無線通信功能的需求，而且還具有功耗低，電路簡單以及成本低廉等優勢，由于考慮到設備體積的限制，板上所有元器件都采用了0805 的封裝，大大縮小了無線通信模塊的尺寸，具體電路圖如圖4 所示。

圖4 CC2430處理電路

3 檢測裝置軟件設計

檢測裝置的軟件設計分為兩部分，一是基于ARM的uC/OS-Ⅲ嵌入式實時操作系統，實現檢測過程中的多任務調度和命令處理；二是基于QuartusⅡ開發環境的FPGA 開發，通過Verilog 語言與原理圖、IP 核的結合，實現時鐘分相內插法[16]。

檢測裝置中的ARM 處理器是實現各項檢測功能的基礎，按照裝置功能的劃分和檢測需求，設計系統各子任務，其任務架構圖如圖5 所示，系統先進行裝置硬件的初始化，同時，實時監測FPGA 各個模塊的工作狀態，通過人機交互觸摸屏輸入裝置的工作模式、選取通道、被測系統通信制式、通信傳輸波特率、數據傳輸校驗方式等參數，設置完畢后通過內部串口發送到ARM 處理器，對參數進行解析后。ARM 處理器依據設置啟動相應的CAN 模式或RS485 模式的數據發送程序，同時，通過系統內部總線給FPGA 運算單元一個捕捉開始信號，并由計時模塊開始計時，待FPGA捕捉到測試結束信號后，計時模塊停止計時，將計算出來的斷電時間通過SPI 接口傳送到ARM 處理器，ARM 處理器對檢測結果進行顯示、存儲和上傳。

圖5 操作系統任務架構

檢測裝置的人機界面采用10 寸800×480 TFT 真彩屏設備操作，參數設置通過軟鍵盤來操作。檢測裝置上電，系統自檢完畢，會自動切換到功能選擇界面，如圖6 所示。

圖6 檢測裝置功能選擇界面

選擇“監控系統斷電測試”功能后，會進入到測試參數設置的界面。在界面中設置被測系統的測試方式、數據通信制式、測試通道、數據傳輸時間間隔、測試次數等參數。數據通信制式分為CAN 總線方式和RS485 總線兩種方式，依據被測系統的實際工作傳輸方式選擇。被測系統數據傳輸波特率可在1 200～9 600 bps 范圍之間任意選擇，此范圍之外的數據傳輸波特率不具備實際使用意義[17-18]。

選擇完系統的通信制式和通信波特率之后，下一步依據各個監控廠家的通信協議編輯傳感器類型、傳感器超限數據報文、超限數據遞增量等信息并按照操作向導指引，逐一將測試基礎數據輸入到檢測裝置中。

參數設置完畢，裝置自動進入測試界面，選定需要的測試內容，并點擊開始按鈕，則裝置自動進入測試模式。當選取報文測試時，測試裝置會依據事先編輯好的傳感器超限數據，定時模擬實際傳感器向監控分站發送超限數據，同時系統軟件開始計時，當被測監控分站收到超限數據后，立即向所連接的斷電器發送斷電指令，斷電器執行斷電操作，觸發測試裝置停止計時，所得時間差值即為系統超限斷電時間。待測試完畢后，由LCD 顯示屏顯示斷電時間、測試次數以及測試判定結果，若測試結果超出國家標準，裝置將自動發出聲光報警。

檢測裝置將測試數據及結果保存在片外EEPROM中，數據傳輸模塊在上傳數據前讀取存儲器中的測試數據、測試結果以及裝置的身份和配置信息，之后通過指定接口上傳至上位機。當選擇無線傳輸模式時，檢測裝置的操作系統將啟動無線數據傳輸流程。整個傳輸流程包括無線模塊的初始化程序、發射程序和接收程序。初始化程序主要是對CC2430單片機、射頻芯片等進行處理；發射程序將建立的數據包通過射頻發生模塊輸出；接收程序完成數據、命令的接收并進行處理，無線數據傳輸的軟件流程如圖7 所示。

圖7 無線數據傳輸的軟件流程

4 檢測裝置測試與應用

以煤炭科學技術研究院有限公司的KJ83X(A)數字式安全監控系統為實際測試對象，在實驗室分別對監控分站的瓦斯超限斷電閉鎖、設備故障閉鎖等功能進行多次測試。測試結果表明，檢測裝置的各種功能及性能均滿足預先設計要求，應用效果良好，且整個測試過程均為裝置自動測試，無人工干預。測試報告如表1 所示，表1 為不同功能檢測項目下，不同波特率、不同超限報警濃度下，檢測裝置測出的系統閉鎖時間。測試結果均滿足AQ6201-2019《煤礦安全監控系統通用技術要求》中要求的甲烷超限閉鎖執行時間。

表1 技術指標測試功能

5 結論

該設計針對現有煤礦安全監控系統斷電性能檢驗檢測技術滯后，無法適用于新型數字式監控系統自動檢驗的現實問題，在監控系統數字化傳輸特性和現有硬件架構基礎上，通過對多總線數據接口融合和精密計時技術的研究，基于ARM 和FPGA 雙處理器架構，設計研制出適用于新一代煤礦安全監控系統關鍵技術指標的高精度、全自動檢測裝置，實現了快速、精準、多接口和多通道的監控系統關鍵技術指標自動檢測，并試制出一批檢測裝置樣機，在實驗室對數字式監控系統的瓦斯超限斷電、故障斷電等功能進行多次自動測試。結果證明該檢測裝置操作簡便，結果準確，應用效果良好。