綜采支架壓力數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)

劉新紅

煙臺(tái)南山學(xué)院，山東煙臺(tái) 265713

液壓支架作為煤礦井下安全支護(hù)的主要設(shè)備，已經(jīng)成為煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。隨著高產(chǎn)高效綜采技術(shù)的發(fā)展，對(duì)液壓支架的動(dòng)態(tài)特性和可靠性的要求越來(lái)越迫切。綜采設(shè)備的應(yīng)用，對(duì)于提高效率、改善安全狀況起到很好的作用，但發(fā)展不平衡，有的開(kāi)機(jī)率較低。影響開(kāi)機(jī)率的一個(gè)主要因素是支架對(duì)工作面的頂板控制的好壞，因此，對(duì)綜采工作面進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)與控制是很有必要的[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。地面部分主要由計(jì)算機(jī)、通信接口組成，井下部分由檢測(cè)主機(jī)、通信分機(jī)、電源、振弦式壓力傳感器等組成[2]。

圖1 綜采支架壓力檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其工作原理是：

先由主機(jī)通過(guò)傳感器對(duì)綜采支架進(jìn)行壓力的檢測(cè)，并記錄相關(guān)參數(shù)，即壓力值、時(shí)間，然后將這些相關(guān)參數(shù)保存在一只大容量掉電不丟失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。當(dāng)工作人員用手持式數(shù)據(jù)采集分機(jī)向主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)采集信號(hào)時(shí)，主機(jī)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸給采集分機(jī)，采集分機(jī)將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，回到地面后，通過(guò)通信接口，將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。

2 數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì)

該數(shù)據(jù)采集器為本安型設(shè)計(jì)并經(jīng)防爆和性能測(cè)試，由無(wú)線通信電路、數(shù)字顯示電路、自動(dòng)復(fù)位電路、大容量存儲(chǔ)電路、電源管理電路和時(shí)鐘電路組成。

2.1 無(wú)線通信電路

該電路采用FC-201SP微功率無(wú)線數(shù)傳模塊，該模塊具有無(wú)需申請(qǐng)頻點(diǎn)、高抗干擾能力與低誤碼率、傳輸性能優(yōu)良、低功耗、高可靠性，體積小，重量輕等特點(diǎn)。該電路實(shí)現(xiàn)了與井下壓力檢測(cè)主機(jī)、地面通信接口之間的數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信指示燈指示數(shù)據(jù)傳輸是否正在進(jìn)行。

2.2 數(shù)字顯示電路

四位數(shù)碼管顯示采集器的工作狀態(tài)，指示數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中是否有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

2.3 自動(dòng)復(fù)位電路

防止單片機(jī)死機(jī)或跑飛問(wèn)題，提高數(shù)據(jù)采集器工作的可靠性和穩(wěn)定性。

2.4 大容量存儲(chǔ)電路

該電路采用大容量存儲(chǔ)器M25P16實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在該存儲(chǔ)器中可存儲(chǔ)2天的壓力數(shù)據(jù)。M25P16是一個(gè)16Mbit（2M×8）的串行Flash存儲(chǔ)器，有先進(jìn)的寫(xiě)保護(hù)機(jī)制，通過(guò)高速SPI兼容總線進(jìn)行讀取。可以用頁(yè)編程指令進(jìn)行頁(yè)寫(xiě)操作，一次可寫(xiě)1～256字節(jié)。M25P16由32個(gè)段組成，每段包括256頁(yè)，每頁(yè)有256字節(jié)。這樣，整個(gè)存儲(chǔ)器可以被看成由8192頁(yè)或2097152字節(jié)構(gòu)成。可以用片擦除指令擦除整個(gè)存儲(chǔ)器，或者用段擦除指令進(jìn)行段擦除，一次只擦除一段。

2.5 電源管理電路

該數(shù)據(jù)采集器由鋰電池供電，在使用過(guò)程中要不斷檢測(cè)電池的電量，以及時(shí)充電。該電路實(shí)現(xiàn)了電量的檢測(cè)與狀態(tài)指示。

2.6 時(shí)鐘電路

該電路采用時(shí)鐘芯片PCF8563來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能，用于記錄數(shù)據(jù)采集的時(shí)間信息。PCF8563是低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片，它提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)中斷輸出和掉電檢測(cè)器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過(guò) I2C 總線接口串行傳遞，最大總線速度為400Kbits/s，每次讀寫(xiě)數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生增量。

3 軟件設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)采集器程序完成從井下檢測(cè)主機(jī)采集壓力數(shù)據(jù)、給井下檢測(cè)主機(jī)校驗(yàn)時(shí)間、傳感器調(diào)零、設(shè)置分站號(hào)、設(shè)置總站號(hào)、設(shè)置時(shí)間間隔等功能，以及向井上監(jiān)控主機(jī)傳送壓力數(shù)據(jù)和接受監(jiān)控主機(jī)傳給本采集器的校驗(yàn)時(shí)間等功能。

3.1 通信協(xié)議

為了實(shí)現(xiàn)本數(shù)據(jù)采集器與井下檢測(cè)主機(jī)以及井上監(jiān)控主機(jī)之間的準(zhǔn)確和可靠的通信，需要統(tǒng)一制定通信協(xié)議。通信是以十六進(jìn)制碼形式傳送，其波特率為9600。每次通信數(shù)據(jù)采集器都會(huì)發(fā)送通信請(qǐng)求命令，收到檢測(cè)主機(jī)或者監(jiān)控主機(jī)的響應(yīng)命令后，才會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿繋瑪?shù)據(jù)由開(kāi)始符（0xdd）、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)碼和結(jié)束符（0xee）組成。數(shù)據(jù)段包括時(shí)間（年、月、日、時(shí)、分、秒）信息六個(gè)字節(jié)、壓力（3個(gè)傳感器）信息六個(gè)字節(jié)，校驗(yàn)碼為數(shù)據(jù)段所有數(shù)據(jù)求和后取最低字節(jié)數(shù)據(jù)。

3.2 程序流程

數(shù)據(jù)采集器按下相應(yīng)按鍵發(fā)送通信請(qǐng)求命令后，等待接收監(jiān)控主機(jī)或者檢測(cè)主機(jī)傳回的響應(yīng)命令，同時(shí)顯示數(shù)據(jù)采集器狀態(tài)，根據(jù)響應(yīng)命令確定下一步的任務(wù)，包括接收存儲(chǔ)壓力數(shù)據(jù)、給檢測(cè)主機(jī)校正時(shí)間、給傳感器調(diào)零、設(shè)置時(shí)間間隔、設(shè)置總站號(hào)、設(shè)置分站號(hào)、向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送壓力數(shù)據(jù)和接受監(jiān)控主機(jī)的時(shí)間校正信息等，任務(wù)結(jié)束后，等待接收結(jié)束命令，收到接收命令結(jié)束程序。流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

數(shù)據(jù)采集器主要子程序功能如下：

初始化子程序：初始化單片機(jī)輸入輸出口，設(shè)置端口的輸入輸出方式，將管腳分配給相應(yīng)的外設(shè)，使能交叉開(kāi)關(guān)；初始化晶振，選擇使用外部晶振，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘；初始化串行端口，設(shè)置串行口工作方式和波特率。

存儲(chǔ)器操作子程序：完成對(duì)M25P80的各種操作，如讀狀態(tài)寄存器、讀數(shù)據(jù)、頁(yè)編程、段擦除和片擦除等。

時(shí)鐘子程序：讀取時(shí)鐘信息并進(jìn)行相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)傳輸子程序：從檢測(cè)主機(jī)按通信協(xié)議接收綜采支架壓力數(shù)據(jù)信息，將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)信息傳輸給監(jiān)控主機(jī)。

校驗(yàn)時(shí)間子程序：檢測(cè)主機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在井下工作，時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘會(huì)出現(xiàn)偏差，需要定期校正。

調(diào)零子程序：壓力傳感器在井下受環(huán)境影響，檢測(cè)的壓力數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，需進(jìn)行調(diào)零處理。

時(shí)間間隔設(shè)置子程序：對(duì)井下壓力的檢測(cè)可根據(jù)各煤礦的實(shí)際情況選擇每隔多長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)一次并記錄。

總站號(hào)和分站號(hào)設(shè)置子程序：由于各檢測(cè)主機(jī)在各煤礦安裝的位置不確定，可根據(jù)實(shí)際安裝地點(diǎn)進(jìn)行總站與分站的設(shè)置。

4 結(jié)論

對(duì)綜采支架壓力數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)所有程序進(jìn)行了調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集器和檢測(cè)主機(jī)及監(jiān)控主機(jī)之間準(zhǔn)確和可靠的通信，硬件和軟件都達(dá)到了預(yù)期的功能要求。

[1]曹同生.綜采支架壓力計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].山東：山東科技大學(xué)，2003.

[2]鄭豐隆，鄧鐵六，武蘊(yùn)濤，等.ZJ-1型綜采支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1994，7(22)：49-52.