杜曉月

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

礦用總線式數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

杜曉月

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

作為煤礦井下設(shè)備監(jiān)控中的一項(xiàng)基礎(chǔ)功能,數(shù)據(jù)采集對(duì)生產(chǎn)效率的提高、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)等起著重要的作用。針對(duì)煤礦井下設(shè)備的需求,以液壓支架為應(yīng)用對(duì)象設(shè)計(jì)了一款支持多總線、多通道、多種類(lèi)信號(hào)的通用型礦用數(shù)據(jù)采集模塊。同時(shí),設(shè)計(jì)了不同量程切換、可進(jìn)行電流與電壓信號(hào)軟件設(shè)定的切換電路,以及支持以太網(wǎng)、CANbus、Profibus、RS-485等多總線網(wǎng)絡(luò)接口。在硬件電路設(shè)計(jì)方面,采用磁隔離技術(shù)進(jìn)行總線隔離,采用線性光耦進(jìn)行模擬量線性隔離。該采集模塊適合煤礦井下使用,抗干擾能力強(qiáng),具有一定的擴(kuò)展能力。

數(shù)據(jù)采集 總線隔離 線性隔離 以太網(wǎng) 多總線網(wǎng)絡(luò)接口 硬件電路

0 引言

目前,礦用數(shù)據(jù)采集模塊在一定程度上滿足采集的需求,但存在一些采集缺陷,如輸入輸出端口數(shù)量過(guò)少,無(wú)法滿足端口需求;煤礦設(shè)備分散、空間狹小、布線困難,卻采用單一的通信方式;礦用傳感器信號(hào)多樣,但模塊支持的信號(hào)類(lèi)型較少[1]等。本文在分析了國(guó)內(nèi)外礦用數(shù)據(jù)采集模塊的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一款支持多總線、多通道、多種類(lèi)信號(hào)的通用型礦用數(shù)據(jù)采集模塊。

1 采集模塊功能

由于液壓支架所需采集數(shù)據(jù)較多,為了滿足其通用性需求,在對(duì)液壓支架、水泵、風(fēng)機(jī)等進(jìn)行系統(tǒng)需求分析后,確定了采集模塊的系統(tǒng)組成,如圖1所示。本數(shù)據(jù)采集模塊用于液壓支架的動(dòng)作控制。分布安裝在綜采工作面上的采集模塊節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集壓力、行程、傾角數(shù)據(jù)以及采煤機(jī)的紅外位置信號(hào)。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制端通過(guò)CAN總線輪詢(xún)各個(gè)采集模塊節(jié)點(diǎn)所采集到的壓力、行程、傾角數(shù)據(jù)和采煤機(jī)的紅外信號(hào),從而控制采集模塊節(jié)點(diǎn)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)分布式動(dòng)作和集中監(jiān)控。

圖1 采集模塊系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of acquisition module

2 采集模塊的系統(tǒng)組成

采集模塊由ARM主控制器、模擬量采集電路、數(shù)字量輸出接口模塊、CAN總線接口模塊、Profibus-DP總線接口模塊、以太網(wǎng)總線接口模塊、RS-485總線接口模塊、存儲(chǔ)模塊、電源模塊,以及其他輔助電路模塊組成,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Block diagram of the system hardware

采集模塊以ARM主控制器為核心,選用STM32F103VCT6作為該采集模塊的主芯片。該芯片具有成本低、引腳數(shù)目多、系統(tǒng)功耗低、中斷響應(yīng)機(jī)制快速以及計(jì)算性能高效等特點(diǎn),滿足井下使用環(huán)境具有低功耗功能等要求[2]。本設(shè)計(jì)軟件部分植入了μC/OS-Ⅱ微型嵌入式操作系統(tǒng),在該系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)各種接口電路驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。為達(dá)到信號(hào)采集通用性要求,設(shè)計(jì)了可采集常見(jiàn)傳感器輸出信號(hào)0～5 V、0～10 V、0～20 mA單極性信號(hào)以及±5 V、±10 V雙極性信號(hào)電路。本采集模塊設(shè)計(jì)了單、雙極性普通信號(hào)輸入接口各8路,高速采集接口4路;數(shù)字量信號(hào)輸入接口8路,輸出接口為24路。PCA9534芯片為8位低功耗I2C串口擴(kuò)展并口器件。ULN2803(高耐壓、大電流的達(dá)林頓管)輸出模塊用于驅(qū)動(dòng)液壓支架電磁閥,滿足大功率需求。

CAN總線接口模塊是嵌入式處理器與外擴(kuò)CAN總線的通信硬件接口,其通過(guò)CAN總線和CAN應(yīng)用協(xié)議完成數(shù)據(jù)采集模塊與控制中心的通信。Profibus-DP總線模塊接口是嵌入式處理器與外擴(kuò)DP總線的485驅(qū)動(dòng)器通信硬件接口,其以PLC控制器為主站,通過(guò)485接口與DP從站協(xié)議完成數(shù)據(jù)采集模塊與控制中心的通信。為了能夠與地面控制中心進(jìn)行通信,加入以太網(wǎng)模塊接口電路。

存儲(chǔ)模塊為16 Mbit SPI串口的Flash存儲(chǔ)器,進(jìn)行相關(guān)配置、運(yùn)行參數(shù)的存儲(chǔ)以及采集數(shù)據(jù)的暫存。電源模塊包括外接電源接口以及電源分壓電路,實(shí)現(xiàn)各主要元器件所需的電源。采集模塊采用外接ADC,對(duì)經(jīng)過(guò)前置電路處理后的壓力、行程和傾角信號(hào)進(jìn)行采集。前置電路的作用包括線性隔離、軟件開(kāi)關(guān)選擇、濾波,以及將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為ADC所接收的信號(hào)類(lèi)型。

3 采集模塊隔離電路設(shè)計(jì)

雙極性信號(hào)線性隔離電路如圖3所示。

圖3 雙極性信號(hào)線性隔離電路Fig.3 The linear isolation circuit of bipolar signal

煤礦井下的設(shè)備都應(yīng)達(dá)到抗干擾的基本要求。為了隔離干擾源,本設(shè)計(jì)采用了線性光耦隔離技術(shù)。同時(shí),在總線通信接口采用磁隔離技術(shù),并且在電源輸入輸出端采用隔離電源器件。

線性隔離是為了隔離模擬信號(hào)而設(shè)計(jì)的隔離方式。普通光耦主要由1個(gè)光敏二極管和1個(gè)發(fā)光二級(jí)管組成,它的隔離模式是單發(fā)單收。線性光耦由2個(gè)光敏二極管和1個(gè)發(fā)光二級(jí)管組成,線性光耦的組成多了1個(gè)光敏二極管。該光敏二極管作為用于反饋的光接收電路。通過(guò)兩個(gè)光電路的非線性抵消,實(shí)現(xiàn)了線性隔離。對(duì)于單極性信號(hào),采用1個(gè)HCNR200線性光耦與1個(gè)LM358雙運(yùn)放放大器組成放大隔離電路;對(duì)于雙極性信號(hào),采用2個(gè)HCNR200與1個(gè)LM358雙運(yùn)放放大器組成隔離放大電路[3]。

ADuM12XX系列磁隔離模塊是基于ADI專(zhuān)利的iCoupler數(shù)字隔離器,其采用平面磁場(chǎng)專(zhuān)利隔離技術(shù)。該技術(shù)具有低功耗、高速率等性能,滿足總線高速運(yùn)行的要求[4]。iCoupler技術(shù)具有低功耗性能,其功耗僅為傳統(tǒng)光電隔離器的2%～10%。在設(shè)計(jì)CAN總線收發(fā)器電路隔離時(shí),為了提高CAN總線各節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力,當(dāng)CAN收發(fā)器接收來(lái)自微處理器傳來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí),先通過(guò)數(shù)據(jù)隔離器將信號(hào)隔離,隨后才接入CAN收發(fā)器[5]。

CAN總線磁隔離電路如圖4所示。

圖4 CAN總線磁隔離電路Fig.4 The magnetic isolation circuit of CAN bus

4 采集信號(hào)軟件切換電路設(shè)計(jì)

可編程多量程轉(zhuǎn)換電路主要由雙運(yùn)放電路和LF13509電路組成。

單極性信號(hào)的可編程多量程轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 可編程多量程轉(zhuǎn)換電路Fig.5 Programmable multiscale conversion circuit

采集多通道、多種類(lèi)信號(hào)時(shí),PLC采用硬件切換方式,即通過(guò)量程卡的接插來(lái)選擇不同的模擬信號(hào)輸入。這種方式達(dá)不到快速響應(yīng)的目的[4-6]。因此,本采集模塊設(shè)計(jì)了不同量程切換、可進(jìn)行電流與電壓信號(hào)軟件設(shè)定的切換電路,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。LF13509是具有四通道差分輸入的高精度模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。該器件導(dǎo)通電阻RON=380 Ω,通道導(dǎo)通電阻差異大于7 Ω,開(kāi)關(guān)切換時(shí)間topen=1.6 μs,轉(zhuǎn)換速度高[7]。

由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)原理可知,當(dāng)開(kāi)關(guān)VIN1_S3B和VIN1_ DB接通時(shí),即開(kāi)關(guān)S3接通時(shí),輸入信號(hào)為0～5 V電壓信號(hào);當(dāng)開(kāi)關(guān)VIN1和VIN1_DB接通,即S2接通時(shí),輸入信號(hào)為0～10 V電壓信號(hào);當(dāng)開(kāi)關(guān)VIN1_S1B和VIN1_ DB接通,即S1接通時(shí),輸入信號(hào)為0～20 mA電流信號(hào)。

5 總線電路設(shè)計(jì)

本采集模塊共有四種總線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式,每種傳輸方式都有各自的優(yōu)勢(shì)和接口電路。CAN總線接口電路如圖6所示。

CAN總線接口電路的硬件組成部分分為以下5部分,具體介紹如下。

①CAN總線控制器采用STM32F103處理器的內(nèi)置CAN總線控制器,可通過(guò)軟件配置PB0、PB1作為CAN控制器收發(fā)接口。

②CAN總線收發(fā)器電路采用高速、具有差動(dòng)接收發(fā)送性能的TJA1050收發(fā)器,它和CAN控制器共同組成CAN總線通信硬件的核心電路。

③總線的電磁隔離部分,是采用帶有iCoupler技術(shù)的數(shù)字隔離模塊——ADuM1201組成的隔離輸入電路,隔離微處理器與CAN總線接口之間的信號(hào)干擾。

④保護(hù)器NUP2106保護(hù)CAN收發(fā)器,使其在高速和容錯(cuò)狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)下不受到ESD和其他有害的瞬態(tài)電壓的損害。

⑤隔離電源模塊,用于隔離數(shù)字隔離器ADUM1201的兩個(gè)電源。

圖6 CAN總線接口電路Fig.6 CAN bus interface circuit

由于總線傳輸速率高,電流沖擊大,為了達(dá)到限流目的,防止TJA1050收發(fā)器受到過(guò)電流沖擊,在CAN收發(fā)器TJA1050的差分輸入引腳之間接入1個(gè)電阻值為120 Ω的電阻,之后再與總線連接[8]。另外,兩根總線接入端與地之間接入了一個(gè)雙重線總線保護(hù)器NUP2105,防止較高負(fù)電壓及其他有害的瞬態(tài)電壓對(duì)TJA1050造成過(guò)壓損害[9]。同時(shí),采用帶5 V隔離輸出的DC-DC電源模塊,經(jīng)過(guò)ADP667穩(wěn)壓器對(duì)隔離電源穩(wěn)壓,濾除電源波紋,有效提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性[10]。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于液壓支架的動(dòng)作控制,完成了通用、安全的礦用模擬量數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用低功耗ARM STM32F103VCT6作為數(shù)據(jù)采集模塊的微控制器。同時(shí),設(shè)計(jì)了該模塊的硬件電路,并介紹了隔離、通道選擇及CAN總線硬件電路的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了煤礦井下安全、通用、快速的數(shù)據(jù)采集。

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Hardware Design of the Bus Type Data Acquisition Module for Coalmine

As one of the basic functions in underground equipment monitoring for coalmine,data acquisition plays an important role in enhancing production efficiency and detecting equipment states.In accordance with the requirements of underground equipment of coalmine, with hydraulic supporter as the application object,the universal data acquisition module suitable for multiple buses,multiple channels,and multiple types of signals has been designed.In addition,the switching circuit which can be setup for voltage or current,and change ranges by software,and the multi-bus network interface supporting Ethernet,CAN bus,Profibus and RS-485 are designed.In hardware design,the bus isolation is conducted by using magnetic isolation technology;the analog linear isolation is conducted by using linear opto-coupling.This data acquisition module features strong anti-interference capability for application in coalmine and possesses certain expansion capability.

Data acquisition Bus isolation Linear isolation Ethernet Multi-bus network interface Hardware circuit

TD676

A

修改稿收到日期:2014-03-06。

作者杜曉月(1992-),女,現(xiàn)為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生;主要從事礦井提升方向的研究。