基于CAN總線與ZigBee的礦井下錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孔德鴻

(常州大學(xué) 懷德學(xué)院,江蘇 靖江 214500)

0 引言

煤炭在我國(guó)能源使用中占有重要地位,但由于不良的地質(zhì)條件、復(fù)雜的存儲(chǔ)環(huán)境以及人員管理疏忽等原因,其開(kāi)采和生產(chǎn)過(guò)程中事故頻發(fā),給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民安全帶來(lái)了巨大的危害,其中頂板事故就屬于多發(fā)類型事故。為了預(yù)防頂板事故的發(fā)生,研究頂板動(dòng)態(tài)活動(dòng)、實(shí)時(shí)掌握礦山壓力變化十分必要。鑒于早期礦井下,用于頂板工作面的錨桿應(yīng)力采集裝置,多采用電纜線將檢測(cè)結(jié)果傳送至井下基站,使得網(wǎng)絡(luò)布線繁雜、移動(dòng)麻煩、維護(hù)不便。一旦線路破損,必然嚴(yán)重影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[1]。為此,本文設(shè)計(jì)了一種全新的礦井下應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。壓力采集部分引入了無(wú)線射頻技術(shù),在礦井下形成了分布式無(wú)線采集網(wǎng)絡(luò),能夠?qū)㈨敯鍓毫?shí)時(shí)、可靠、全面地發(fā)送給井下通信分站[2]。通過(guò)有線通信技術(shù),將接收到的壓力值傳送到地面監(jiān)控中心。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性,本設(shè)計(jì)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由2部分組成:一是采集分站,主要負(fù)責(zé)錨桿應(yīng)力的采集、存儲(chǔ)及無(wú)線傳輸;二是通信分站,作為無(wú)線通信和有線通信的中轉(zhuǎn)站,需將井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄系谋O(jiān)控中心。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,多臺(tái)采集分站組成一個(gè)以某臺(tái)通信分站為中心的網(wǎng)絡(luò),可以向此通信分站無(wú)線傳輸信息,同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的采集分站也可以相互傳遞信息;通信分站主要負(fù)責(zé)將下面由無(wú)線傳輸上來(lái)的信息通過(guò)CAN總線方式傳送到終端,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)上傳,可方便后期對(duì)壓力情況的研究分析和預(yù)測(cè)。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

2 采集分站硬件設(shè)計(jì)

采集分站的處理器為STM32F103RB,是32位的Cortex-M3內(nèi)核CPU。具有高性能、多通信接口、低功耗等優(yōu)勢(shì),其豐富強(qiáng)大的外設(shè)資源及運(yùn)算轉(zhuǎn)換速率能滿足設(shè)計(jì)要求。采集分站硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,在采集分站中,傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后將直接送入CPU單元,由控制芯片內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。采集分站在電源管理下實(shí)現(xiàn)了壓力數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖2 采集分站硬件結(jié)構(gòu)

2.1 傳感器信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用南京沃天科技有限公司生產(chǎn)的以PC10系列OEM硅壓阻式芯體為核心的傳感器,該傳感器需采用1.5 mA的恒流源作為激勵(lì)源,當(dāng)外部收到60 MPa的礦壓時(shí),輸出電壓僅為80 mV,所以需要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后,方能傳送給處理器進(jìn)行采集。傳感器信號(hào)采集電路如圖3所示。

圖3 傳感器信號(hào)采集電路

由于PC10系列傳感器內(nèi)部為橋式電路,輸出電壓中有共模信號(hào),所以需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行差分放大。因此,系統(tǒng)選用AD623芯片作信號(hào)放大器,這是一款既可單電源也可雙電源供電的儀表放大器,對(duì)共模信號(hào)有很好的抑制能力。在AD623中,電阻R1=R2=R3=50k,輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系如下:

(1)

由式(1)得知,AD623的放大倍數(shù)完全取決于電阻RG,這里大約需要放大30倍,所以在該芯片的1號(hào)與8號(hào)引腳之間接上了一個(gè)阻值為3.09k的電阻,同時(shí),為了防止放大后的電壓超過(guò)3.3 V而損壞主芯片,在AD623的電壓輸出端接上了一個(gè)二極管,當(dāng)電壓大于3.3 V并達(dá)到4 V時(shí),二極管就會(huì)導(dǎo)通,電流從此路流走,從而保護(hù)了主芯片。為了減少射頻干擾,電路中還增加了濾波電容C26、C27、C28及限流電阻R23、R25。

2.2 外部存儲(chǔ)及時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

采集分站中,為了預(yù)防數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐蝗恢袛?需要將采集到的數(shù)據(jù)除了上傳到監(jiān)控中心外,還要在本臺(tái)機(jī)器上做長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)備份,因此需要外加存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊。外部存儲(chǔ)和時(shí)鐘電路如圖4所示。

圖4 外部存儲(chǔ)和時(shí)鐘電路

采集分站使用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302。可提供年、月、日、時(shí)、分、秒、星期等信息且具有閏年補(bǔ)償功能。它采用串行通信方式,外部使用雙電源供電(主電源和電池),保證系統(tǒng)在斷電下時(shí)鐘繼續(xù)工作,計(jì)時(shí)不會(huì)停止。存儲(chǔ)芯片型號(hào)為M25P16,工作電壓在2.7～3.6 V,由SPI方式連接到控制器,內(nèi)存2 M大小,分為32個(gè)扇區(qū),每個(gè)扇區(qū)有64 K容量。采集過(guò)程中會(huì)考慮數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍的存儲(chǔ),長(zhǎng)時(shí)間不變的數(shù)據(jù)不會(huì)存入存儲(chǔ)器,所以一般此Flash中可以保持近幾個(gè)月的數(shù)據(jù)量。

3 通信分站硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的通信分站將無(wú)線和有線通信方式功能集合于一體,實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)絡(luò),將網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由CAN總線方式上傳給上位機(jī),能夠在液晶模塊上顯示出各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的具體參數(shù)。針對(duì)以上功能,設(shè)計(jì)了通信分站的硬件結(jié)構(gòu),如圖5所示。從整體結(jié)構(gòu)上來(lái)看,通信分站的硬件系統(tǒng)主要由主控制單元、CAN收發(fā)器單元、無(wú)線通信單元、顯示單元等部分構(gòu)成。

圖5 通信分站硬件結(jié)構(gòu)

3.1 無(wú)線射頻模塊

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的無(wú)線通信采用ZigBee射頻技術(shù),選用以STM32W108為核心的ZigBee射頻模塊REX3SP。STM32W108內(nèi)置32位ARM Cortex-M3微處理器、128 K大小的Flash和8 K RAM等基本單元,還集成了基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)器單元以及配備了適合于ZigBee底層驅(qū)動(dòng)的協(xié)議庫(kù)。

無(wú)線射頻通信模塊硬件電路如圖6所示。REX3SP無(wú)線射頻模塊的程序下載模式選用SWD,所以將復(fù)位引腳W_nRESET、時(shí)鐘引腳W_JTCK、數(shù)據(jù)傳輸W_PC4、3.3 V電源、接地GND分別引至端子Header 5上。為了與通信分站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,將引腳W_RX與W_TX分別和主芯片連接[3]。

圖6 無(wú)線射頻通信模塊

3.2 CAN總線通信電路設(shè)計(jì)

通信分站中需要將無(wú)線接收到的數(shù)據(jù)以CAN總線方式發(fā)送出去,系統(tǒng)使用的MCU中自帶了CAN總線控制器,可支持CAN 2.0A與2.0B協(xié)議,最高通信波特率達(dá)到1 Mbit/s。外部引腳直接連接到CAN收發(fā)器ADM3053的接收和發(fā)送管腳。

ADM3053是一款隔離式CAN收發(fā)器,它基于ISO11898的標(biāo)準(zhǔn)定義了CAN物理層協(xié)議,內(nèi)部集成了隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器。元件有電流限制和熱關(guān)斷的功能,防止輸出短路。CAN總線通信電路如圖7所示。ADM3053由5 V供電,VIO端提供邏輯信號(hào)電源,供電電壓3.3 V(MCU電壓基準(zhǔn))。C25是儲(chǔ)能電容,其他電容為去耦電容。R29是動(dòng)態(tài)電阻。芯片支持2種工作模式:高速模式和斜率控制模式。當(dāng)R29為0時(shí)選擇高速模式,此時(shí)輸出信號(hào)沒(méi)有上升和下降斜率的限定。

圖7 CAN總線通信電路

CAN總線有主動(dòng)和被動(dòng)2種狀態(tài),當(dāng)CAN H和CAN L兩端之間的差分電壓值大于0.9 V或1.0 V時(shí),總線呈現(xiàn)主動(dòng)狀態(tài);而當(dāng)CAN H和CAN L兩端之間的差分值電壓小于0.4 V或0.5 V時(shí),總線呈現(xiàn)被動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)總線為主動(dòng)狀態(tài)時(shí),CAN H引腳是高電平,CAN L引腳是低電平。當(dāng)總線為被動(dòng)狀態(tài)時(shí),CAN H和CAN L引腳均是高阻狀態(tài),高阻狀態(tài)即為電平不確定的狀態(tài)。R30是終端匹配電阻,可以降低CAN H和CAN L回路中的阻抗,使CAN H和CAN L具有確定的電平[4]。

圖7中終端電阻為120 Ω,根據(jù)實(shí)際測(cè)試,不同傳輸長(zhǎng)度下電阻值為120～300 Ω最佳。終端電阻不僅起到匹配線路電阻阻抗的作用,也能消除通信過(guò)程中線路電纜中的信號(hào)反射,提升能源效益。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控軟件的實(shí)現(xiàn)是基于現(xiàn)在市場(chǎng)上逐漸發(fā)展起來(lái)的RT-Thread操作系統(tǒng)。它是本土化的開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),由開(kāi)源社區(qū)開(kāi)發(fā)、維護(hù),其開(kāi)放的源代碼吸引了越來(lái)越多的人參與開(kāi)發(fā)和使用。在RT-Thread系統(tǒng)上,整個(gè)監(jiān)控中各個(gè)功能可以作為某個(gè)線程實(shí)現(xiàn)[5]。線程是RT-Thread中最基本的調(diào)度單元,描述的是任務(wù)執(zhí)行的上下文關(guān)系及這個(gè)任務(wù)所處的優(yōu)先級(jí)。監(jiān)控系統(tǒng)分為采集分站和通信分站,如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)

采集分站將任務(wù)分為5個(gè)線程:按鍵控制線程、無(wú)線通信線程、采集線程、動(dòng)態(tài)顯示線程、軟件定時(shí)器線程。其中,采集線程包括數(shù)據(jù)的采集、軟件優(yōu)化運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ);通信分站包括按鍵控制線程、無(wú)線通信線程、CAN通信線程、動(dòng)態(tài)顯示線程、軟件定時(shí)器線程[6]。

5 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性測(cè)試

為了驗(yàn)證壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,對(duì)5組不同的標(biāo)準(zhǔn)壓力進(jìn)行了檢測(cè),測(cè)試結(jié)果如表1所示,最終計(jì)算得出5組數(shù)據(jù)的最大絕對(duì)誤差為0.4 MPa,最大相對(duì)誤差為1.96%,符合工業(yè)級(jí)儀表的精度要求。

表1 壓力準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

為了能夠穩(wěn)定、可靠地對(duì)礦井下頂板壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),本文設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無(wú)線技術(shù)與CAN總線的新型壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。整套系統(tǒng)分為采集分站與通信分站,采集分站分布在頂板的多個(gè)錨桿壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)上,通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù),將監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力值實(shí)時(shí)傳送給通信分站,通信分站則通過(guò)CAN總線將壓力數(shù)據(jù)傳送至地面監(jiān)控中心。

為了驗(yàn)證該套系統(tǒng)的可行性,進(jìn)行了壓力監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性測(cè)試。結(jié)果表明,該套系統(tǒng)基本符合預(yù)期要求。