王璐

(天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

0 引言

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，我國煤炭行業(yè)提出建設(shè)數(shù)字化礦山的新目標(biāo)，要求井下監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)融合，對(duì)設(shè)備傳輸信號(hào)格式進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范[1]。目前，一些煤礦企業(yè)已經(jīng)安裝安全監(jiān)控、瓦斯抽放、水害監(jiān)測(cè)和礦壓監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)[2]，傳感器作為這些系統(tǒng)的終端采集設(shè)備，其種類繁多，輸出信號(hào)各不相同，為了滿足同一種傳感器能夠方便快捷地接入不同系統(tǒng)，需將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成上級(jí)設(shè)備能識(shí)別的信號(hào)[3]。研究表明，現(xiàn)有礦用傳感器輸出信號(hào)主要分為開關(guān)量信號(hào)、200～1 000 Hz頻率信號(hào)、(4～20)mA/(1～5)mA電流信號(hào)和總線數(shù)字信號(hào)等[4]。系統(tǒng)在確定所需接入的傳感器類型后，可通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器輸出所能識(shí)別的信號(hào)制式，以避免傳感器的重復(fù)開發(fā)，既能縮短系統(tǒng)的建設(shè)周期，又可提高煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)水平和經(jīng)濟(jì)效益。為此，設(shè)計(jì)了一種礦用多功能信號(hào)轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)頻率、電流和RS-485信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，該信號(hào)轉(zhuǎn)換器使用方便，精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

1 轉(zhuǎn)換器的工作原理

信號(hào)轉(zhuǎn)換主要分為模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換兩類，依靠轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)，將電學(xué)量和非電物理量相互變換，把非標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)[5]。模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的變換，一般要經(jīng)過采樣、保持、量化和編碼幾個(gè)步驟，轉(zhuǎn)換電路主要由模擬電子開關(guān)、位權(quán)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字寄存器、求和運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓源等部分組成。數(shù)模轉(zhuǎn)換是將離散的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的模擬信號(hào)，即采集到的數(shù)字信號(hào)，按不同等級(jí)對(duì)應(yīng)相應(yīng)數(shù)字寄存器，控制對(duì)應(yīng)的模擬電子開關(guān)，在位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生和其位權(quán)對(duì)應(yīng)的模擬量。

目前，大多數(shù)傳感器可完成輸入信號(hào)的檢測(cè)，被測(cè)環(huán)境信號(hào)在傳感器內(nèi)部進(jìn)行采集、處理和輸出。傳感器的輸出信號(hào)可直接與信號(hào)轉(zhuǎn)換器連接，微處理器作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器的核心，對(duì)接入信號(hào)的進(jìn)行采集、線性化處理、量程調(diào)整和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)非標(biāo)信號(hào)到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)距離傳輸。

2 轉(zhuǎn)換器的總體設(shè)計(jì)

信號(hào)轉(zhuǎn)換器作為煤礦監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)的配套產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)電流與頻率不同類型信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，也可通過RS-485總線進(jìn)行模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸。依據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的工作原理，對(duì)于(1～5)mA和(4～20)mA電流信號(hào),通過取樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),再經(jīng)過單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換,最后計(jì)算輸出頻率。對(duì)于200～1 000 Hz的頻率信號(hào)，通過單片機(jī)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，再經(jīng)過D/A芯片轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，最后由電壓轉(zhuǎn)電流電路輸出4～20 mA電流。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)均可通過RS-485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)終端傳感設(shè)備往監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)的接入。

3 轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)換器硬件電路總體設(shè)計(jì)

信號(hào)轉(zhuǎn)換器硬件電路主要由供電電路、單片機(jī)電路、存儲(chǔ)電路、遙控電路、頻率采集電路、電流采集電路、頻率輸出電路、電流輸出電路和RS-485總線通信電路等部分組成，如圖1所示。信號(hào)轉(zhuǎn)換器選用新華龍C8051F310作為核心處理器，具有16位AD采集功能，確保信號(hào)的采集精度。為滿足各個(gè)模塊電路對(duì)電源的需求，設(shè)計(jì)輸出12 V、3.3 V和5 V 3種直流電源，電源模塊的前端軟啟動(dòng)電路和貼片大電容采用澆封處理，增強(qiáng)抗浪涌和群脈沖干擾等級(jí)，可通過遙控完成設(shè)備地址和通信等參數(shù)的設(shè)定和存儲(chǔ)，避免數(shù)據(jù)丟失。轉(zhuǎn)換器通過RS-485方式與上級(jí)設(shè)備通信，通信電路選用帶隔離功能的RS-485芯片ADM2587，通信端口搭配防雷管、共模線圈和TVS管等保護(hù)器件，提高RS-485總線的抗干擾能力。

圖1 信號(hào)轉(zhuǎn)換器總體結(jié)構(gòu)

3.2 頻率采集電路設(shè)計(jì)

所接入的傳感器若輸出為頻率信號(hào)，則可將傳感器的輸出線與信號(hào)轉(zhuǎn)換器的頻率采集口F+和F-端子相接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的頻率采集，電路如圖2所示。處理器的P0.1管腳配置為頻率采集口F_IN, 當(dāng)頻率口輸入為高電平時(shí)，信號(hào)通過TVS管VD1和共模線圈L1, PC357光耦隔離器件N1導(dǎo)通，單片機(jī)引腳采集F_IN為低電平。當(dāng)頻率口輸入為低電平時(shí)，隔離元件N1不導(dǎo)通，單片機(jī)引腳采集F_IN為高電平。處理器可通過每輪捕獲高低電平的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算得出采集信號(hào)的頻率。

圖2 頻率采集電路

3.3 電流采集電路設(shè)計(jì)

所接入的傳感器若輸出為電流信號(hào)，則可將傳感器的電流輸出線與信號(hào)轉(zhuǎn)換器的電流采集口I_IN+和I_IN-端子相接，由信號(hào)轉(zhuǎn)換器完成電流采集，通過短接帽跳接實(shí)現(xiàn)(1～5)mA和(4～20)mA電流信號(hào)的切換，電路如圖3所示。處理器的P1.0管腳配置為電壓采集口V_MCU, 當(dāng)有電流輸入時(shí)，電阻R14兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，經(jīng)R17分流電阻進(jìn)入運(yùn)算放大器LM358的INA+，通過可變電阻器VR2調(diào)節(jié)運(yùn)放的輸出電壓，送入單片機(jī)的ADC采集引腳，計(jì)算得出輸入電流的大小。

圖3 電流采集電路

3.4 頻率輸出電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換器由電流采集電路檢測(cè)出輸入電流大小，通過電流與頻率對(duì)應(yīng)比例關(guān)系，(4～20)mA(1～5 mA)對(duì)應(yīng)200～1 000 Hz，計(jì)算出輸入電流所需輸出的對(duì)應(yīng)頻率。處理器P1.2引腳配置為頻率輸出控制口FOUT0，由內(nèi)部定時(shí)器控制FOUT0引腳定時(shí)翻轉(zhuǎn)輸出高低電平，輸出信號(hào)經(jīng)2個(gè)三極管處理后，每秒電平翻轉(zhuǎn)的次數(shù)即是所需輸出的頻率。電路如圖4所示。

圖4 頻率輸出電路

3.5 電流輸出電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換器由頻率采集電路檢測(cè)出輸入頻率大小，通過頻率與電流對(duì)應(yīng)比例關(guān)系， 200～1 000 Hz對(duì)應(yīng)(4～20)mA(1～5 mA)，計(jì)算出輸入頻率所需輸出的對(duì)應(yīng)電流。電流輸出電路中N6為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLC5615，參考源為1.2 V，處理器根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系輸出相應(yīng)數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片處理后由AOUT引腳輸出對(duì)應(yīng)電壓。N5為運(yùn)算放大器LM324, 具有四路獨(dú)立、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片N6輸出電壓經(jīng)運(yùn)放電路處理后，由三極管V5集電極I_OUT+輸出電壓，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)電流輸出，電路如圖5所示。

4 轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換器軟件采用keil4設(shè)計(jì)，主要由數(shù)據(jù)采集、遙控操作、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和RS-485通信等模塊組成，具體流程如圖6所示。上電后，軟件先進(jìn)行程序初始化，主要完成時(shí)鐘、I/O口、設(shè)備參數(shù)、定時(shí)器和UART等初始化。通過紅外遙控可配置轉(zhuǎn)換器參數(shù)，如設(shè)備地址、通信速率、轉(zhuǎn)換方式等，并寫入外部存儲(chǔ)器，避免重要參數(shù)的丟失。在一個(gè)完整周期內(nèi)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換算法處理后，獲得需要輸出的數(shù)據(jù)類型，并通過總線進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

圖5 電流輸出電路

圖6 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件程序流程

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新型礦用信號(hào)轉(zhuǎn)換器，詳細(xì)介紹了信號(hào)轉(zhuǎn)換器的工作原理，給出信號(hào)轉(zhuǎn)換器的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)頻率與電流的相互轉(zhuǎn)換、并可通過RS-485總線傳輸。實(shí)際應(yīng)用表明，該轉(zhuǎn)換器精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用方便，可有效解決不同廠家生產(chǎn)的傳感器無法接入監(jiān)測(cè)監(jiān)控的難題。