趙 健

(泰山學院物理與電子工程學院，山東泰安 271021)

1 引言

基于CAN總線的煤巖應力動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是一套高度自動化的分布式遠程監(jiān)測系統(tǒng)，可連續(xù)動態(tài)監(jiān)測礦井下各個區(qū)域內的煤巖應力狀態(tài)、分析處理采集到的數據、記錄與顯示監(jiān)測結果.本系統(tǒng)包括井上監(jiān)控服務器、井上監(jiān)控主機、井下監(jiān)控分站、CAN總線傳輸網絡等功能模塊.井下監(jiān)控分站負責煤巖應力的測量、存儲、顯示、傳輸和報警功能;通過CAN總線傳輸網絡將煤巖應力狀態(tài)的實時數據傳送到井上監(jiān)控主機;井上監(jiān)控主機將收到的數據進行整理，發(fā)送給井上監(jiān)控服務器，并能脫離服務器獨立運行;井上監(jiān)控服務器對數據進行處理，并實時顯示，供監(jiān)控人員查詢和管理.本文主要介紹井下監(jiān)控分站的設計.

2 監(jiān)控分站的組成

監(jiān)控分站硬件模塊主要包括:微控制器、煤巖應力測量裝置、多路開關、信號放大器、A/D轉換器、鍵盤、LCD顯示模塊、數據存儲器、CAN總線接口、報警電路、“看門狗”電路、電源電路等，其結構框圖如圖1所示.

3 監(jiān)控分站各模塊設計

3.1 微控制器模塊

監(jiān)控分站采用基于ARM7的32位微控制器LPC2103，完成整個監(jiān)控分站的控制任務.外圍電路包括:監(jiān)控電路、掉電存儲電路和矩陣鍵盤等.

LPC2103是飛利浦公司生產的高性能微控制器，最高工作頻率可達到70MHz，內部資源豐富，具有8K字節(jié)的數據存儲器，能夠滿足程序運行期間數據存儲的要求，32K字節(jié)的程序存儲器，存儲系統(tǒng)代碼;芯片內部設計了實時時鐘、定時器和計數器，無需外部擴展;芯片具有32條可承受5V電壓的通用輸入輸出接口，還擴展了I2C接口、串行接口、SPI接口等新型接口，方便連接外設;芯片支持在線調試技術，通過ISP下載線可實時調試.

微控制器外部連接了MAX813L“看門狗”定時器，作為監(jiān)控電路監(jiān)測微控制器的運行，防止外部干擾導致系統(tǒng)死機而引發(fā)事故.

系統(tǒng)將監(jiān)測數據和設定信息存入E2PROM，防止因掉電造成數據丟失，采用了具有I2C接口的32KB存儲器AT24C256.

圖1 監(jiān)控分站結構框圖

3.2 電磁輻射信號接收

根據煤巖變形產生電磁輻射的理論［1］，受載煤巖體變形及破裂時能夠產生電磁輻射，煤巖中應力越高，變形破裂過程越強烈，電磁輻射信號越強.系統(tǒng)通過測量電磁輻射強度，來確定煤巖應力狀態(tài).測量電磁輻射信號的基本過程:煤巖產生的電磁輻射信號由接收天線接收后，送井下監(jiān)控分站的信號調理放大電路，經過高精度A/D轉換后送微控制器處理.

煤巖變形產生電磁輻射主要在1～500 KHz頻段內［2］，系統(tǒng)中的電磁輻射接收天線采用1～500 kHz的寬頻帶、定向、非接觸式天線.

3.3 信號調理放大電路

天線接收的電磁輻射信號極其微弱，幅度為毫伏級的頻率信號.在外部干擾和傳感器自身噪聲的情況下，單獨依靠傳感器無法識別電磁輻射信號.因此，只有在有效控制噪聲干擾的前提下，將信號放大到需要的級別才是有效的.信號調理放大電路原理圖如圖2所示.

圖2 放大電路原理圖

前置放大器的噪聲系數決定了整個放大電路的噪聲系數［3］，對于毫伏級的微弱信號，專門采用分立元件進行了設計.

帶通濾波電路用來保留頻率在1～500KHz之間的信號.因此濾波器的通帶范圍設計為1～500KHz，它由高通濾波器和低通濾波器組成.實際采用的高通濾波器如圖3所示.其中高通濾波器截止頻率為1KHz，采用的是單端反饋高通濾波器電路，由運放LF356和分離的R、C元件構成.為了降低信號調制頻率以外的高頻干擾信號，加入了此低通濾波器將之濾除.低通濾波由具有極低的失調電壓與溫漂、低輸入偏置電流、低噪聲、低功耗的單運放集成電路OP1177和R、C元件構成二階壓控有源低通濾波電路，低通濾波電路如圖4所示.

主放大器由集成電路AD603及外圍增益調整電路組成，主放增益可以由鍵盤設置，主放大電路實現信號由毫伏級放大到伏特級.

圖3 高通濾波電路

圖4 低通濾波電路

3.4 A/D 轉換電路

A/D轉換電路采用12位分辨率的高精度A/D轉換器MAX1275，對主放大器輸出的模擬量進行采樣，將模擬量轉換成微控制器易于處理和傳輸的數字量.由于主放大器增益可調，可以將放大的輸出信號控制在0～5V范圍內，MAX1275允許模擬輸入信號電壓為－0.3V ～ +5.3V(參考地電壓0V，電源電壓+5V)，滿足信號幅度要求.電磁輻射信號的頻率為1～500KHz，根據采樣定理，采樣頻率要大于被采樣信號帶寬的2倍，也就是采樣頻率必須至少是信號中最大頻率分量頻率的2倍，MAX1275采樣率為1.8Msps，滿足這一要求.

3.5 CAN總線傳輸接口

在CAN總線的傳輸接口設計中，使用的主要器件包括:CAN控制器［4］SJA1000、CAN驅動器PCA82C250、高速光耦6N137和DC/DC隔離電源B0505S－1W.具體電路如圖5所示.

圖5 CAN節(jié)點電路圖

CAN控制器SJA1000(U2)和LPC2103(U1)的連接關系:數據線AD0～AD7連接至P0.17～P0.24;中斷申請端INT連至P0.14(EINT1);片選端CS連至P0.13.

SJA1000(U2)的XTAL1、XTAL2外接16M晶振;模式選擇端MODE接高電平，工作在Intel模式;RST復位端外接獨立復位電路，由10k電阻(R3)和22uF電容(C6)組成.

DC/DC電源隔離器B0505S－1W(DC－DC)的1(VCC)、2(GND)引腳分別連接 SJA1000(24)、6N137(U4)的輸入端、6N137(U5)的輸出端的電源和地線;隔離輸出3(VCC2)、4(GND2)引腳連接至6N137(U4)的輸出端、6N137(U5)的輸入端、82C250(U6)的電源和地線.

通過高速光耦6N137(U4、U5)將CAN控制器SJA1000(U2)的TX0和RX0與CAN收發(fā)器82C250(U6)的TXD和RXD進行電氣隔離，使得CAN總線節(jié)點的抗干擾能力大大加強.為了使82C250(U6)免受過流的沖擊，將82C250(U6)的CANH和CANL引腳分別通過電阻(R4、R5)與CAN總線相連.

3.6 電源模塊設計

監(jiān)控分站采用KDW17通用本質安全型不間斷電源［5］，它可以在瓦斯、煤塵爆炸等危險環(huán)境中使用.本電源具有三路12～24V本安電源輸出，并有二組繼電器控制隔離輸出回路，用于向本質安全型設備提供本安直流電源，同時可用于斷電控制.監(jiān)控分站各模塊中:微控制器LPC2103需要+3.3V和+1.8V電源;MAX1275、CAN接口需要+5V電源;光報警電路需要+9V電源;聲報警模塊需要+5V和+9V電源;放大器需要+5V和－5V電源.監(jiān)控分站電源電路如圖6所示.

圖6 監(jiān)控分站電源電路圖

4 總結

系統(tǒng)通過測量煤巖變形產生的電磁輻射信號來確定煤巖應力狀態(tài)，測試結果準確可靠，并且精度高.同時，系統(tǒng)將CAN總線技術引入了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，利用CAN總線的高度靈活性以及強大的通訊功能將井下的監(jiān)測儀表的數據上傳至井上遠端的監(jiān)控服務器，可以實現對井下煤巖應力參數的全面、實時、動態(tài)的監(jiān)控.井下監(jiān)測儀表裝置硬件采用微控制器進行了設計，微控制器系統(tǒng)軟件運用結構化設計思想，進行了模塊化設計，并驗證了該模型在實際生產過程中的正確性和可靠性.

［1］肖棟，賈慧霖，李忠輝，等.電磁輻射與聲發(fā)射礦井綜合信息采集系統(tǒng)設計［J］.煤炭科學技術，2009，37(4):82－84.

［2］竇林名，何學秋.沖擊礦壓危險預測的電磁輻射原理［J］.地球物理學進展，2005，20(2):427－430.

［3］譚超，董浩斌.低頻μV信號放大器的設計與制作［J］.電測與儀表，2007，44(11):55－57.

［4］孔莉芳，張虹.CAN總線在安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸中的應用［J］.微計算機信息，2008，24(1－2):43－44.

［5］黃自偉，崔玉亮，閆相宏.礦用測試儀器設計［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1996.