柏思忠

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司, 重慶 400039； 2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室， 重慶 400039)

0 引言

煤礦井下設備和儀器儀表的位置信息是定位和導航的基礎，是煤礦智能化、信息化的前提。王國法等[1-2]在科學規(guī)劃智能化煤礦頂層設計時，要求建立地下精準位置服務系統(tǒng)，包括定位和導航組合技術(shù)，為井下人員、車輛、機電設備提供精準定位服務；GB/T 33900—2017《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)儀表應用屬性協(xié)議》[3]規(guī)定工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)儀表位置屬性指工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)儀表的安裝位置，是經(jīng)緯度確定的絕對位置、海拔高度及相對位置信息?？梢姡瑹o論是智能化煤礦頂層設計還是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)儀表自身要求，智能化煤礦用設備和儀器儀表都應該提供位置信息。

現(xiàn)階段煤礦井下設備和儀器儀表定位存在2個主要問題：① 大量工作的在線設備不具備提供位置信息的功能[4]，增加定位功能需要內(nèi)置定位模塊逐臺進行升級改造，數(shù)量龐大且涉及安標管理，短期內(nèi)無法實現(xiàn)。② 以無線定位技術(shù)為主，但定位性能受多方面影響，如李濤等[5]分析了煤礦井下ZigBee、WiFi、RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)、UWB(Ultra Wide Band，超寬帶)4種無線定位技術(shù)的優(yōu)缺點，指出井下環(huán)境中強電磁干擾會影響定位精度；陳偉[6]指出RFID技術(shù)傳輸距離短且極易受干擾，ZigBee技術(shù)定位誤差偏大，WiFi技術(shù)同頻干擾嚴重且定位精度不高；王偉[7]指出井下存在多種影響UWB等無線定位精度的噪聲，特別是遮擋引起的非視距誤差導致定位誤差較大；孫繼平等[8-9]指出煤礦井下無線傳輸受無線頻段、天線位置和巷道工況影響，導致傳輸損耗大，且受本質(zhì)安全限制，無線發(fā)射功率小，而機電設備特別是變頻器功率大、啟停頻繁、設備相對集中，對無線傳輸造成嚴重的電磁干擾。

針對上述問題，本文提出了一種采用有線方式實現(xiàn)設備間距離測量的方法。首先闡述了設備間距離測量原理；然后分析了影響距離測量精度的主要因素，并針對影響因素制定了相應措施；最后通過試驗驗證了采用該方法進行設備間距離測量和定位的效果。

1 設備間距離測量原理

除部分無線設備外，煤礦井下設備間采用電纜連接進行供電和通信。若電纜按規(guī)范安裝和鋪設，則設備間距離可通過測量連接設備的電纜長度得到?；陔娎|故障測距的時域反射 (Time Domain Reflectometry，TDR)法[10]和無線單邊雙向測距 (Single-Sided-Two-Way-Ranging，SS-TWR)飛行時間(Time of Flight，TOF)法[11]，提出了基于RS485數(shù)據(jù)幀計時的總線設備間距離測量方法。

1.1 TDR法

TDR法不僅可用于測量傳輸線的特征阻抗，還能定位斷點或短路點[12]，據(jù)此可測量電纜長度。如圖1所示，在電纜一端發(fā)射1個電壓脈沖，脈沖沿電纜傳輸，在另一端會發(fā)生反射。記錄從發(fā)送脈沖到接收脈沖的時間t，結(jié)合電磁波在電纜中的傳播速度vs，即可計算出電纜長度：

圖1 TDR法測量電纜長度原理

(1)

1.2 SS-TWR TOF法

SS-TWR TOF法原理如圖2所示。假設基站發(fā)送UWB信號時刻為T0，標簽接收信號時刻為TR，標簽對信號進行時間戳記錄后向基站回發(fā)信號的時刻為TS，基站接收到回發(fā)信號的時刻為TEnd。

圖2 SS-TWR TOF法原理

根據(jù)圖2可知，UWB信號從基站到標簽的TOF為

(2)

根據(jù)Ttof可計算出基站與標簽間的距離：

Dtof=Ttofc

(3)

式中c為電磁波在空氣中的傳播速度,c=3×108m/s。

1.3 基于RS485數(shù)據(jù)幀計時的總線設備間距離測量方法

用一段有限長度的電纜連接主機E0和任意一臺從機Ei，i=1,2，…，n(n為從機數(shù)量)。根據(jù)TDR法測量電纜長度原理，采用RS485數(shù)據(jù)幀中某一固定位置的波形作為發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的特征波，用來記錄傳輸時刻。結(jié)合SS-TWR TOF法原理，記錄主機發(fā)送呼叫數(shù)據(jù)時刻T0、從機接收呼叫數(shù)據(jù)時刻TiR、從機向主機回發(fā)應答數(shù)據(jù)時刻TiS、主機接收應答數(shù)據(jù)時刻TEnd，如圖3所示。所有記錄的時刻均以主機和從機MCU串口中斷時刻為準。

圖3 RS485數(shù)據(jù)幀計時原理

根據(jù)記錄時刻計算數(shù)據(jù)從主機到從機的TOF：

(4)

進而得出主機E0與從機Ei之間的電纜長度(設備間距離)：

(5)

RS485總線上主機和沿線所有從機連接如圖4所示。

圖4 RS485總線設備連接

主機E0和應答從機Ei之間的距離通過式(5)計算。其他從機與主機之間的距離計算方法如下。其他任意從機Ej(j=1,2，…，n，j≠i)在線監(jiān)聽數(shù)據(jù)傳輸中的特征波，記錄本機接收到各特征波的時刻，計算出Ei與Ej之間的距離：

(6)

式中：Tji為數(shù)據(jù)從Ei傳輸?shù)紼j的TOF；TjEnd為Ej接收到Ei應答數(shù)據(jù)時刻；Tj0為Ej接收到主機呼叫數(shù)據(jù)時刻。

所有從機的一維距離坐標以應答從機Ei為原點，主機E0到Ei的距離D0i、任意從機Ek(k=1,2，…，n)到Ei的距離Dki(k=i時Dki=0，k≠i時Dki根據(jù)式(6)計算)共同組成一維向量Ai=[D0iD1i…Dni]。同理，主機呼叫另一臺從機Em(m=1,2，…，n，m≠i)，得到一維向量Am=[D0mD1m…Dnm]。根據(jù)2個一維向量中的距離，得出總線上任意從機Ek以主機E0為原點的一維坐標：

(7)

式中f為計量TOF的計數(shù)器頻率。

總線上從機的一維坐標X=[x1x2…xn]、所有設備的一維分布如圖5所示。

圖5 設備一維分布

2 設備間距離測量精度分析

分析式(5)、式(6)可知，設備間距離測量精度與計時時刻精度、電磁波傳播速度有關(guān)。計時時刻精度主要取決于計時時鐘頻率、主從機時鐘偏差和電路時延，因此采用SS-TWR TOF法進行設備間距離測量時，精度從計時時鐘頻率、主從機時鐘偏差、電路時延、電磁波傳播速度4個方面進行分析，并采取相應措施提高測量精度。

2.1 計時時鐘頻率

主機和從機各收發(fā)時刻的計時方式：MCU的系統(tǒng)計數(shù)器按照計時時鐘頻率累加，依據(jù)一定周期周而復始運行，數(shù)據(jù)收發(fā)時刻T通過直接捕獲系統(tǒng)計數(shù)器值N得到。

(8)

式中K為時鐘漂移率，取決于外部晶振和MCU的鎖相環(huán)頻率漂移值。

在時鐘漂移率K和計數(shù)器頻率f一定的情況下，計數(shù)器值N越大，則計時偏差越大。假設K=10×10-6，f=100 MHz，vs=2×108m/s，當N=104時，計時偏差約為10-9s，距離偏差約為0.2 m；當N=106時，計時偏差約為10-7s，距離偏差約為20 m。隨著N進一步增大，計時偏差增大。因此，在計算數(shù)據(jù)收發(fā)時刻時，不采用計數(shù)器絕對數(shù)值，而采用同一計數(shù)器不同時刻的相對數(shù)值，以消除累計誤差，且控制在104數(shù)量級。

可見，要提高計時時鐘頻率精度，首先選擇頻率穩(wěn)定度高的外部晶振，減小時鐘漂移率；然后提高計數(shù)器計時頻率；最后采用計數(shù)器相對數(shù)值，避免絕對數(shù)值造成大的累計誤差，且距離測量范圍不超過5 km時，計數(shù)器相對數(shù)值不超過104數(shù)量級。

2.2 主從機時鐘偏差

主從機分別記錄數(shù)據(jù)收發(fā)時刻。主機時鐘和各從機時鐘獨立運行在各自MCU系統(tǒng)時鐘基礎上，相互之間沒有同步性和協(xié)調(diào)性，主機某一計數(shù)器值和相同時刻從機計數(shù)器值的差值是隨機的。該值附加在計數(shù)器值上，將其增大到105,106,107甚至更大，造成距離偏差幾米、幾十米、幾百米甚至更多。

針對主從機時鐘偏差問題，若采用校時方法，主機用計數(shù)器值精準校時每臺從機，則每臺從機與主機計時器值的差值包含了TOF，因此無法實現(xiàn)同步。若主機和從機采用同一計數(shù)器的相對數(shù)值而非絕對數(shù)值，即可從原理上消除時鐘偏差對距離測量的影響。因此，主從機選用計數(shù)器相對數(shù)值解決時鐘偏差問題。

2.3 電路時延

在計算主從機之間的距離時，TOF依據(jù)主機和各從機的數(shù)據(jù)收發(fā)時刻計算，計算結(jié)果除了數(shù)據(jù)在通信電纜中的TOF外，還包括數(shù)據(jù)從MCU到總線和總線到MCU之間的電路固定時延。固定時延為

Δt0iB=ΔtEndB+Δt0B+ΔtiSB+ΔtiRB

(9)

式中：ΔtEndB為數(shù)據(jù)從總線傳輸至主機MCU的時延；Δt0B為數(shù)據(jù)從主機MCU傳輸至總線的時延；ΔtiSB為數(shù)據(jù)從從機EiMCU傳輸至總線的時延；ΔtiRB為數(shù)據(jù)從總線傳輸至從機EiMCU的電路時延。

考慮固定時延時，數(shù)據(jù)在通信電纜中的TOF為

(10)

除固定時延外，電路時延還包括傳輸波形邊沿變化引起的時延。對此，采用千米長度標校方法，分別用長度為0，1，2，3，4，5 km的通信電纜連接主機和從機總線端口，測量電路時延，結(jié)果見表1?？煽闯鲭娎|長度為0時，電路時延(僅有固定時延)為95 ns，傳輸波形邊沿變化導致每千米時延額外增加180～210 ns。為減小電路時延對距離測量精度的影響，應去除相應長度電纜電路時延標校值，得到凈TOF。

表1 電路時延千米長度標校結(jié)果

2.4 電磁波傳播速度

測量總線上設備間距離時，電磁波在通信電纜中的傳播速度直接影響距離測量結(jié)果。考慮電磁波傳播速度偏差時，主從機之間的距離為

(11)

式中d為電磁波傳播速度的實際偏差率。

假設d=2%，測量1 000 m電纜時偏差為2 m，可見電磁波傳播速度對測量結(jié)果影響較大。

電磁波傳播速度與通信電纜材質(zhì)[13]密切相關(guān)。

(12)

式中：μr為通信電纜外層絕緣材質(zhì)的相對磁導率；εr為通信電纜外層絕緣材質(zhì)的相對介電常數(shù)。

從式(12)可看出，電磁波在通信電纜中的傳輸速度與導線材質(zhì)、長度等無關(guān)，取決于外層絕緣材質(zhì)。針對該問題，采用電纜故障測試儀對實際使用的標準長度通信電纜進行測試[14]，反算出電磁波在實際電纜中的傳播速度[15]，以消除誤差。

3 試驗驗證

3.1 試驗平臺

試驗平臺如圖6所示。1臺礦用本安型顯示屏為主機(E0)，其通過RS485總線連接8臺從機(E1—E8)，包括4臺GD4瓦斯抽放多參數(shù)傳感器(簡稱流量計)和4臺GJG100J(B)管道激光甲烷傳感器(簡稱甲烷傳感器)。1號流量計(E1)和1號甲烷傳感器(E2)通過礦用通信電纜MHYVP 1×4連接在距主機100 m電纜處；2號流量計(E3)和2號甲烷傳感器(E4)連接在距主機500 m電纜處；3號流量計(E5)和3號甲烷傳感器(E6)連接在距主機1 000 m電纜處；4號流量計(E7)和4號甲烷傳感器(E8)連接在距主機2 000 m電纜處。通信方式采用主從點對點輪詢機制，主機依次呼叫E1—E8，對應從機應答，周而復始進行半雙工通信。

圖6 試驗平臺

主機和從機MCU均采用STM32F407VET6。運行前后臺程序，計數(shù)器TIM2采用32 位自動重載計數(shù)器，計時時鐘頻率為84 MHz，預分頻比置為1(不分頻)，計時周期為8.4×107(對應時長1 s)，通過函數(shù)TIM_GetCounter(TIM2)捕獲計數(shù)器TIM2當前值。

3.2 試驗及結(jié)果分析

主機和從機之間的TOF通過數(shù)據(jù)幀收發(fā)完成，采用主機和從機之間的校時命令幀進行測量，幀格式見表2。以第3個字節(jié)收發(fā)串口中斷截取計數(shù)器值作為計時時刻。

表2 校時命令幀格式

試驗步驟包括電磁波傳播速度測試、主從機距離測試、主從機位置一維分布計算。

(1) 電磁波傳播速度測試。礦用通信電纜MHYVP 1×4為聚乙烯絕緣銅芯材料，截取100 m標準長度，利用電纜故障測試儀對被測電纜進行測試，反算出電磁波傳播速度。經(jīng)測試，礦用通信電纜MHYVP 1×4中電磁波傳播速度為1.94×108m/s。

(2) 主從機距離測試。測試步驟：① 主機MCU呼叫E3，在發(fā)送完校時命令幀第3字節(jié)時捕獲計數(shù)器TIM2值作為主機發(fā)送時刻T0。② E3接收校時命令幀第3字節(jié)時捕獲計數(shù)器TIM2值作為從機接收時刻T3R。③ E3接收完1幀數(shù)據(jù)后向主機發(fā)送校時命令應答幀，發(fā)送完第3字節(jié)時捕獲計數(shù)器TIM2值作為從機發(fā)送時刻T3S，并將校時命令幀的前4字節(jié)賦值為T3R，后4字節(jié)賦值為T3S，回發(fā)給主機。④ 主機接收到校時命令應答幀的第3字節(jié)時捕獲計數(shù)器TIM2值作為主機接收時刻TEnd。⑤ 計算主從機之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬鬞OF，計算主機和E3之間的距離D03。⑥ 其他從機Ej(j=1,2,4,5，…，8)全過程監(jiān)聽數(shù)據(jù)傳輸特征波，記錄本機接收呼叫數(shù)據(jù)時刻Tj0、應答從機接收數(shù)據(jù)時刻T3R、應答從機發(fā)送數(shù)據(jù)時刻T3S、本機接收應答數(shù)據(jù)時刻TjEnd，計算本機與E3之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬鬞OFT|j3|，進而得出本機與E3之間的距離Dj3。測試過程中，除電路固定時延外，所有記錄時刻和TOF均用計數(shù)器值表示?？傻肨0=408 864,T3R=103 742，T3S=1 363 892，TEnd=1 669 463,T03=441,Δt03B=190 ns,T|03|=433,D03=500.01 m,其他數(shù)據(jù)見表3，其中Δt0jB為相應從機處的電路固定時延。特別地，E7監(jiān)聽的本機接收應答數(shù)據(jù)時刻TjEnd比接收呼叫數(shù)據(jù)時刻Tj0小，原因是計數(shù)器進入下一個循環(huán)周期，所以應在對應數(shù)值上加8.4×107。

表3 設備間距離測試數(shù)據(jù)

根據(jù)測試結(jié)果可知：E3與主機的距離為500.01 m；以E3為參考，E4與E3的距離為1.15 m，E1，E2與E3的距離分別為399.55，400.70 m，E5，E6與E3的距離分別為500.01，498.86 m，E7，E8與E3的距離分別為1 500.04，1 498.88 m。重復測試10次，主從機之間的距離和各從機之間的距離沒有變化。

(3) 主從機位置一維分布計算。應答從機E3與主機、E3與其他從機之間的距離為一維標量數(shù)據(jù)，距離數(shù)據(jù)無法表明其他從機是在E3的近主機側(cè)還是遠主機側(cè)，因此，增加主機對E5的呼叫，以E5為參考重復進行測試，所得結(jié)果見表4。其他從機與應答從機之間距離差小于1.5 m時，表示2臺從機緊挨在一起，用相同坐標表示，其他從機位置根據(jù)式(7)轉(zhuǎn)換為一維坐標。以主機E0為原點，從機E1—E8的一維坐標為X=[99.89 99.89 500.01500.01 1 000.02 1 000.02 1 999.47 1 999.47]?？偩€上所有設備的一維分布如圖7所示。

表4 從機間距離及一維坐標計算結(jié)果

圖7 試驗設備一維分布

針對試驗設備，電纜總長度為5 km時，末端從機測量RS485信號峰峰值為0.9 V，遠大于RS485總線200 mV的接收要求，因此5 km范圍內(nèi)傳播損耗很小，不影響距離測量精度；按GB/T 2423.10—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fc：振動(正弦)》中試驗Fc規(guī)定的方法帶電測試，按GB/T 17626.3—2006《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 射頻電磁場輻射抗擾度試驗》進行3級射頻電磁場輻射抗擾度試驗，按GB/T 17626.4—2008《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》進行3級電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗，測試數(shù)據(jù)和計算結(jié)果均在±1.5 m誤差范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)TDR法和SS-TWR TOF法原理，提出了基于RS485數(shù)據(jù)幀計時的總線設備間距離測量方法，制定了提高計時時鐘頻率精度、減去電路時延測量凈TOF、消除主從機時鐘偏差、準確測量電纜中電磁波傳播速度等措施，以提高距離測量精度，并根據(jù)2次不同參考點的測量結(jié)果將標量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一維坐標，提供沿線所有設備的一維分布。

(2) 試驗結(jié)果表明：不改變硬件，只更新軟件即可通過有線方式測量RS485總線上所有設備之間的距離；在電纜長度5 km范圍內(nèi)，RS485總線沿線所有設備之間距離測量誤差不超過±1.5 m；針對RS485總線上所有設備可建立以主機為原點的一維分布。

(3) 該方法適用于總線型拓撲結(jié)構(gòu)設備之間距離測量，特別是礦用本安型分站基于RS485連接總線型傳感器、液壓支架監(jiān)測設備、帶式輸送機沿線監(jiān)測設備等場合，是一種可靠的有線測量設備間距離和定位方式，是無線定位的有效補充。但該方法只能建立一維分布，無法建立二維或三維分布，不適用于樹狀、星型或其他帶分支網(wǎng)絡總線拓撲結(jié)構(gòu)。