楊　超,孔祥春,蘇　暢，秦春波，胡麗娜

(黑龍江工業(yè)學(xué)院,黑龍江 雞西　158100)

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基于嵌入式的OFDM技術(shù)采煤機電力載波通信系統(tǒng)設(shè)計

楊超,孔祥春,蘇暢，秦春波，胡麗娜

(黑龍江工業(yè)學(xué)院,黑龍江 雞西158100)

電力線載波通信(PLC)，在民用通信中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。煤礦開采技術(shù)應(yīng)用中還沒有大量開展，尤其是采煤機控制通信中沒有得到應(yīng)用。在煤礦開采過程中采煤機控制計算機采集的數(shù)據(jù)實時傳輸給順槽集中控制計算機，目前采用的通信線路有同軸電纜和雙絞線等，采煤過程中采煤機的位置是動態(tài)和實時變化的，由于同軸電纜、雙絞線等控制芯線較細，移動時容易折斷，一旦折斷就要更換整條通信線，如果采用電力載波通信，則情況完全不同，電力線的直徑大，耐拉和耐移動。那么，在采煤機控制信號通信系統(tǒng)中利用基于嵌入式的OFDM技術(shù)電力載波通信取代采煤機傳統(tǒng)的通信線路，可以解決采煤機專用通信線路移動過程中折斷的問題。

載波通信；煤礦開采；嵌入式；OFDM技術(shù)；采煤機

近年來，通過配電網(wǎng)實現(xiàn)通信，又稱電力線載波通信(PLC)越來越引起人們的廣泛關(guān)注。隨著調(diào)制解調(diào)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，PLC技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。隨著ARM技術(shù)的迅猛發(fā)展和正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM技術(shù))應(yīng)用于PLC領(lǐng)域，傳輸?shù)目煽啃院退俾室策_到了一個新的高度。PLC應(yīng)用廣泛：Internet的接入、智能家庭組建、自動遠程抄表等。社會需求的不斷提升和對生活、工作便捷等各方面的要求，使得電力線載波技術(shù)在工業(yè)、民用等領(lǐng)域快速發(fā)展，但是在煤礦開采自動化技術(shù)中電力載波通信還未得到廣泛應(yīng)用，本項目旨在研究電力線載波技術(shù)應(yīng)用到采煤機控制信號傳輸中以解決井下信號傳輸?shù)牟糠謫栴}。

1　采煤機控制信號通信中應(yīng)用電力線載波通信的意義

目前，工業(yè)和民用各類信號的傳輸主要采用光纖、同軸電纜、雙絞線等通信媒介，隨著電力載波的不斷發(fā)展，低壓電力線的主要功能不但是電力傳輸還可以作為載波信號的傳輸媒介，我國主要采用50Hz頻率的工頻信號供電，雖然電力線可以作為載波信號的媒介但是卻不可能直接支持高頻通信。在煤礦開采過程中采煤機控制計算機采集的數(shù)據(jù)實時傳輸給順槽集中控制計算機，目前采用的通信線路有同軸電纜和雙絞線等，采煤過程中采煤機的位置是動態(tài)和實時變化的，由于同軸電纜、雙絞線等控制芯線較細，移動時容易折斷，一旦折斷就要更換整條通信線，如果采用電力載波通信，即通信線路就是采煤機供電的電力線，則情況完全不同，由于采煤機的功率大，工作電流大，所以電力線的直徑大，耐拉和耐移動，用電力通信取代采煤機傳統(tǒng)的通信線路，可以解決采煤機專用通信線路移動過程中折斷的問題。

2　嵌人式控制系統(tǒng)總體設(shè)計

嵌人式控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的通信控制及數(shù)據(jù)處理的中樞機構(gòu)，利用嵌入式控制系統(tǒng)不僅可以存儲各類數(shù)據(jù)還可以進行數(shù)字信號的處理，當(dāng)然，模擬信號也可以采集后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換由系統(tǒng)來處理，之后系統(tǒng)對信號進行算數(shù)運算和邏輯運算等。利用該系統(tǒng)負責(zé)采煤機控制信號(數(shù)據(jù))的處理及ETHERNET IP 包和Power- Packet電力包兩種信號相互轉(zhuǎn)換；首先，控制系統(tǒng)利用各類傳感器采集工作環(huán)境的各項參數(shù)以反映采煤機的工作狀態(tài)，這部分數(shù)據(jù)可以存儲到系統(tǒng)的存儲器中；接下來就是與采煤機的控制器進行控制數(shù)據(jù)的比較，將比較結(jié)果回傳到控制器，通過運算后發(fā)出相應(yīng)的控制命令。嵌人式控制系統(tǒng)一般安裝在上位機附近，與U、V、W三相電力線鏈接，構(gòu)成主控系統(tǒng)。硬件接口電路總體設(shè)計如框圖1所示。該系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)(傳感器系統(tǒng))構(gòu)成。在系統(tǒng)中嵌人式處理器選擇比較通用的S3C2410嵌入式處理器作為核心處理器。

S3C2410處理器是韓國三星公司在ARM公司的ARM920T處理器核基礎(chǔ)上開發(fā)的32位微控制器，32位處理器完全可以完成系統(tǒng)設(shè)計的需求，也可以為以后控制需求不斷變化進行持續(xù)的升級需要。這里簡單地介紹一下該處理器的基本功能:它具有獨立的16KB指令緩存器和16KB數(shù)據(jù)緩存器，還有內(nèi)存管理單元(MMU)，支持薄膜晶體管的彩色LCD控制器，輸入輸出端口( I/O)，還具有8路10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)；S3C2410處理器主頻率最高可達203MHz，運行速度快，達到了實時控制要求。除此之外，S3C2410處理器接口也很豐富，很多文章對此都有介紹。所以，為了方便設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計中采用了S3C2410作為核心控制部件，利用32位總線擴展64M的FLASH ROM和64M的SDRAM。其中FLASH ROM用于存儲系統(tǒng)程序和應(yīng)用軟件，SDRAM在系統(tǒng)中則作為數(shù)據(jù)存儲器用來存儲數(shù)據(jù)，選擇代碼開放的LINUX加載嵌入式操作系統(tǒng)。

通信方式，選擇利用電力載波通信方式進行數(shù)據(jù)傳送，接收采煤機控制的各類指令，這里系統(tǒng)有采用RS232串口通信作為程序員開發(fā)程序的調(diào)試端口；其中電力載波信號的傳輸是利用S3C2410控制器的SPI口控制電力載波通信模塊的，以此來收發(fā)各類信號和控制指令；顯示系統(tǒng)根據(jù)鍵盤輸入的鍵值向主控系統(tǒng)發(fā)送請求，通過控制系統(tǒng)進行此類輸入信號的采集，判斷按鍵后發(fā)送控制信號和把相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示器和發(fā)光二極管LED上，實現(xiàn)人機交互。嵌入式控制系統(tǒng)主要作用是：系統(tǒng)要和上位機之間機型通信，接收上位機發(fā)出的各類控制指令，系統(tǒng)根據(jù)上位機發(fā)出的控制要求，設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送控制信號完成控制動作，系統(tǒng)還可以校正時鐘、設(shè)置各類控制功能等。主控系統(tǒng)對上位機、傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)能夠存儲、運算以及發(fā)送控制命令等。

圖1　硬件接口電路總體設(shè)計

3　煤礦開采中電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計中數(shù)據(jù)的傳輸主要采用電力線載波通信的方式，那么通信系統(tǒng)需要完成的任務(wù)就主要包括采集作為通信介質(zhì)的配電線路和線路中所有電力設(shè)備的運行參數(shù)，并接收上位機的相關(guān)控制信號。因此，系統(tǒng)需要控制器來協(xié)調(diào)和管理本地與遠端的關(guān)系，研究中我們首先采用了S3C2410處理核心，主要負責(zé)采煤機控制信號(數(shù)據(jù))的處理及ETHERNET IP 包和Power- Packet電力包兩種信號相互轉(zhuǎn)換。

為了確定載波傳輸數(shù)據(jù)的準確性，通信模塊首次選擇了利用電力線通信收發(fā)芯片MAX2986和電力線通信模擬前端MAX2980為核心，建立了一套電力線載波通信綜合實驗測試平臺，框圖如圖2。

MAX 2986電力線收發(fā)器目前是領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的一種，它是采用CMOS設(shè)計技術(shù)制造的收發(fā)器，靈活性好，性能可靠。MAX 2986是一款高度集成的收發(fā)器，內(nèi)部不但有媒體訪問控制層還有物理層。MAX2986數(shù)字收發(fā)器采用了目前非常先進的OFDM電力線引擎，具有高達14Mbps的自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率。

OFDM是Orthogonal Frequency Division Multiplexing的縮寫，OFDM就是正交頻分復(fù)用技術(shù)，是MCM多載波調(diào)制的一種。OFDM就是將通信信道分成了若干個正交子信道，可以把高速串行數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，并且可以通過調(diào)制控制分配到每個子信道上進行數(shù)據(jù)傳輸。正交信號利用OFDM技術(shù)可以在接收端將傳輸來的信號分開，通過這種方式的處理就可以大大地減少各個子信道之間的相互干擾。經(jīng)過處理后的信號在每個子信道上的信號帶寬就不會超過信道的帶寬，使得每個子信道上就可以近似看作線性衰減，消除了碼間串?dāng)_。并且每個子信道的帶寬又僅僅是傳輸信道帶寬的一部分，傳輸信道均衡變得相對容易。

MAX2980是電力線通信模擬前端(AFE)集成電路，一般情況下與MAX 2986配合使用，MAX2980也是采用先進的CMOS工藝的集成器件。它的優(yōu)點是不但具有高可靠性，而且價格低廉。MAX2980高集成度器件，在該片上廠家也集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)以及信號調(diào)理和線驅(qū)動器等部件。

在系統(tǒng)設(shè)計中調(diào)制解調(diào)器模塊采用MAX2986和MAX2980的主要原因是： MAX2986電力線集成收發(fā)器采用改進的OFDM調(diào)制法，并與HomePlug1.0協(xié)議兼容，MODEM也可以更好地與其它設(shè)備實現(xiàn)相互兼容。前面介紹過MAX2986數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達到14Mbps，這個傳輸速度完全勝任采煤機控制信號傳輸?shù)囊?。并且MAX2986電力線收發(fā)器是一款可編程集成收發(fā)器，能夠直接接入MACAPI，內(nèi)嵌ARM946微處理器，大大降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜程度。MAXIM公司設(shè)計的模擬前端收發(fā)器MAX2980專門配合MAX2986使用，從而提高了系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。

圖2　MAX2986和MAX2980構(gòu)成的調(diào)制解調(diào)器框圖

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計思路

采煤機電力載波控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計雖然不算復(fù)雜，但是軟件系統(tǒng)工作過程相對復(fù)雜。不但系統(tǒng)需要和上位機相互通信，同時還要和各種采集器交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)采煤機各種工作信號傳輸，利用相關(guān)接口還要在LCD輸出相關(guān)信息，并在LED上顯示各類工作狀態(tài)等功能。在煤礦的工作面上還要提高采煤機的工作效率，并把各類控制信號在電力線上傳輸、轉(zhuǎn)換等，設(shè)計軟件系統(tǒng)時對S3C2410利用Linux操作系統(tǒng)作為片上操作系統(tǒng)，在Linux系統(tǒng)上就可以編出多任務(wù)的應(yīng)用程序。

建立交叉編譯環(huán)境主機上配置交叉開發(fā)環(huán)境。Linux操作系統(tǒng)與其它操作系統(tǒng)的內(nèi)核稍有區(qū)別，編譯時都要有固定的步驟,系統(tǒng)內(nèi)核根據(jù)MakeFile文件的不同而產(chǎn)生一定差異,應(yīng)該參考其他相關(guān)文檔,軟件系統(tǒng)編譯的任務(wù)要在個人計算機上使用Telnet工具實現(xiàn)。操作時按照制定的步驟編譯內(nèi)核,在相應(yīng)的文件夾下就會生成一個二進制的文件(機器碼),這個二進制文件就是系統(tǒng)要執(zhí)行的程序，將這個二進制文件傳回個人計算機,再將文件寫入系統(tǒng)的存儲器中。

5　結(jié)論

本系統(tǒng)是基于S3C2410處理器的采煤機控制信號傳輸?shù)囊粋€終端控制器。該系統(tǒng)利用嵌入式處理器芯片S3C2410，嵌入式LINUX操作系統(tǒng)構(gòu)成軟硬件系統(tǒng)，調(diào)制解調(diào)器部分分別采用MAXIM公司的MAx2986(電力線集成數(shù)字收發(fā)器)和MAX2980(電力線模擬前端收發(fā)器)。由于煤礦井下相對危險，那么只能在實驗室增加一些干擾信號來測試此方案，測試中結(jié)果差距不大，這說明在通信環(huán)境比較惡劣時，此設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)通信距離20m左右，基本能夠滿足煤礦井下對控制信號傳遞給采煤機實現(xiàn)自動控制的通信要求，數(shù)據(jù)傳輸速率大于100Kbps，控制信號誤碼率也不大，可以基本滿足控制要求，本設(shè)計系統(tǒng)中的電力線載波通信表現(xiàn)出了良好的抗干擾能力和抗多徑衰減性能，基本滿足對采煤機的控制需求。在接下來的實驗中還將進一步在如何提升通信距離和降低信號傳遞的誤碼率上深入研究。

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Class No.:TP273Document Mark：A

(責(zé)任編輯：宋瑞斌)

Design of Power Line Communication in the Shearer Based on Embedded OFDM Technology

Yang Chao, Kong Xiangchun, Su Chang, Qin Chunbo, Hu Li’na

(Heilongjiang University of Technology, Jixi, Heilongjiang 158100，China)

Power Line Communication (PLC), is widely applied in civil communication, nevertheless, it is not well developed in coal mining, particularly in shearer control communication. Sampling data from shearer control computer during coal mining process are transmitted to crossheading centralized control unit in real time. At Present, coaxial cable and twisted-pair cable are commonly used as communication cables which core wire for purpose of control are very thin and the wires are easily wrecked due to position of shearer process is dynamic and variable during coal mining. It needs to replace the entire wire if it is wrecked. PLC has its vantage，diameter of power line is bigger which has good tactility and good mobility. By applying power line communication in the shearer based on embedded OFDM to substitute conventional communication cable, the wire wrecked problem of communication cable can be solved.

carrier communication; coal mining; flushbonading; OFDM technology; coal mining machine

楊超，碩士，副教授，黑龍江工業(yè)學(xué)院。研究方向：電氣自動化。

2014年黑龍江省青年科學(xué)基金項目“基于ARM的OFDM技術(shù)在采煤機電力載波通信中的研究”，項目編號：QC2014C082。

1672-6758(2016)06-0046-3

TP273

A