基于CAN總線的可變頻率采動(dòng)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟曉靜，汪 毅，趙媛媛

（中國礦業(yè)大學(xué)a.信電學(xué)院；b.徐海學(xué)院，江蘇 徐州221008）

我國的煤炭資源條件較差，90%以上的產(chǎn)量來自于地下開采。目前我國的煤礦已進(jìn)入深部開采期，深部開采容易誘發(fā)以沖擊礦壓、礦震和頂板大面積垮落為代表的煤礦災(zāi)害事故，其中沖擊礦壓作為采礦活動(dòng)誘發(fā)的礦震，以其突然、急劇和猛烈的破壞特征嚴(yán)重威脅著礦山的安全生產(chǎn)，并給我國煤礦造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡［1－2］。這些地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與采動(dòng)應(yīng)力都有著很大的關(guān)系，采動(dòng)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)是研究以及預(yù)防的基礎(chǔ)，而且是煤礦安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”中監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于采動(dòng)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究是很必要也具有很大的實(shí)用價(jià)值［3］。

對(duì)地應(yīng)力測(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)的研究一直是巖石力學(xué)與工程學(xué)科的重要內(nèi)容。目前地應(yīng)力測(cè)量方法有很多種，而以測(cè)定巖體中的應(yīng)變、變形為依據(jù)的力學(xué)法的應(yīng)力解除法與水壓致裂法得到比較廣泛的應(yīng)用［4－7］。但對(duì)采動(dòng)應(yīng)力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，比如尤洛卡的KJ216A、科大中天YAD200等多用油壓監(jiān)測(cè)傳感器和RS485總線傳輸。油枕傳感器結(jié)實(shí)耐用，但精度較小，反應(yīng)速度慢，不能實(shí)時(shí)的反映采動(dòng)應(yīng)力的快速變化；而RS485總線不能滿足長距離傳輸?shù)囊螅铱煽啃耘c實(shí)時(shí)性也都沒有CAN總線高。本文所設(shè)計(jì)的采動(dòng)應(yīng)力實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的，采用新型應(yīng)變材料的電阻－應(yīng)力傳感器，設(shè)計(jì)可變頻率監(jiān)測(cè)的程序，使采樣速率具有智能特性，在采動(dòng)應(yīng)力變化較大時(shí)，能自動(dòng)增加采樣速率，完整記錄煤巖在沖擊發(fā)生過程中的應(yīng)力變化，再利用實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高且可長距離傳輸?shù)腃AN總線，將傳輸數(shù)據(jù)到井上主機(jī)，完成采動(dòng)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)要求［8］。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成

采動(dòng)應(yīng)力實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括以下幾個(gè)部分。

圖1 采動(dòng)應(yīng)力總體設(shè)計(jì)框圖

1.1 傳感器模塊

傳感器模塊主要用來實(shí)時(shí)采集地應(yīng)力數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化及處理工作。其由傳感器和處理電路組成，其中還包括程序設(shè)計(jì)。此模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于傳感器的電阻－應(yīng)力的標(biāo)定、電阻的高精度采集電路設(shè)計(jì)以及變頻率采集的程序設(shè)計(jì)。

1.2 通信模塊

通信模塊包括CAN的底層硬件設(shè)計(jì)，CAN拓?fù)浣M網(wǎng)及協(xié)議編寫，以及CAN-NET轉(zhuǎn)換等。主要完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)腃AN-BUS網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，要保證傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性以及抗干擾，還要滿足煤礦井下的特殊要求。

1.3 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件可實(shí)時(shí)在線顯示各傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果，提供用戶每個(gè)探頭的工作情況，存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲知地應(yīng)力情況異常工作面，并發(fā)布報(bào)警預(yù)告。本文對(duì)上位機(jī)不做深入研究。

2 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的標(biāo)定

傳感器是地應(yīng)力數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，傳感器能否準(zhǔn)確快速反映應(yīng)力的大小及變化，直接影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。本文采用了新型應(yīng)變材料電阻－應(yīng)力傳感器，為保證傳感器的精度和快速恢復(fù)性，首先做好標(biāo)定工作，即標(biāo)定傳感器的電阻－應(yīng)力關(guān)系曲線，如圖2所示0～50kΩ時(shí)電阻－應(yīng)力變化曲線。選擇線性度最好1～5kΩ的應(yīng)變范圍作為傳感器的電阻變化范圍，保證其測(cè)量精度。要求待測(cè)的采動(dòng)應(yīng)力最大值為80MPa，標(biāo)定電阻為1kΩ時(shí)應(yīng)力為井壁的初始應(yīng)力（需要實(shí)際測(cè)量，在這里我們將它標(biāo)定為0 MPa），電阻為5kΩ對(duì)應(yīng)應(yīng)力為80MPa，即電阻每變化1Ω應(yīng)力變化5kPa。然后根據(jù)線性關(guān)系設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路和程序。

圖2 采動(dòng)應(yīng)力總體設(shè)計(jì)框圖

2.2 處理電路的設(shè)計(jì)

采用電阻－應(yīng)力傳感器監(jiān)測(cè)工作面的應(yīng)力及變化，必須把傳感器裝設(shè)在采掘工作面的內(nèi)部，距離井壁8～15m的位置，傳感器和信號(hào)處理電路采用一體化設(shè)計(jì)，因此需設(shè)計(jì)精密的測(cè)電阻電路，同時(shí)要求具有較強(qiáng)的抗干擾能力。綜上考慮系統(tǒng)采用Mi-crochip公司的PIC18F2480單片機(jī)作為主控芯片，且18F2480自帶CAN控制器，減少了硬件的設(shè)置，節(jié)約了PCB板的面積。

電阻測(cè)量采用精密恒流源電路（精度可達(dá)1±0.002mA）。恒流源電路采用TL431作為電壓基準(zhǔn)，OP07作為電壓跟隨器，使PNP的集電極電流保持恒定。傳感器接在P8處，A／D采樣P8兩端的電壓作為原始數(shù)據(jù)，最后通過電壓－電阻－應(yīng)力的關(guān)系由單片機(jī)處理得采動(dòng)應(yīng)力的實(shí)際數(shù)值。

2.3 可變頻率信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)

要準(zhǔn)確記錄應(yīng)力在煤巖采動(dòng)過程中的變化規(guī)律及趨勢(shì)，采樣速率應(yīng)具有智能特性，即應(yīng)力變化較快，采用較高的采樣頻率，應(yīng)力變化慢時(shí)，采用較低的采樣頻率，程序流程如圖3所示。

圖3 變頻率信號(hào)采集流程圖

3 通信模塊設(shè)計(jì)

圖4 通信模塊體系結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)通信整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，為方便網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充和智能探頭的增加。CAN組網(wǎng)采用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個(gè)采掘工作面的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建成一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)通過CAN-NET轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)的格式，通過井下已有的以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛娴谋O(jiān)測(cè)主機(jī)，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于CAN通信模塊設(shè)計(jì)。

3.1 CAN底層硬件設(shè)計(jì)

CAN底層硬件設(shè)計(jì)主要由CAN控制器、CPU、驅(qū)動(dòng)器以及相互之間的連接構(gòu)成。其實(shí)現(xiàn)方案一般有三種：1）CPU＋CAN控制器＋CAN收發(fā)器；2）集成CAN控制器的CPU＋CAN收發(fā)器；3）CAN的串行I／O器件＋CAN收發(fā)器。因智能探頭部分采用是自身帶CAN控制器的PICF2480作為CPU，為此采用第二種方案，以便減少所用的芯片，控制PCB的面積，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。選用PCA82C250作為CAN總線收發(fā)器，它是標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線收發(fā)器，是協(xié)議控制器和物理傳輸線路之間的接口，可以用高達(dá)1Mb／s的速率在兩條有差動(dòng)電壓的總線電纜上傳輸數(shù)據(jù)［9］。

CAN底層硬件電路中主要由3部分所構(gòu)成：采用PIC18F2480作為CPU、82C250作為CAN總線收發(fā)器和6N137的高速光電耦合器。其中CPU主要完成傳感器的信號(hào)采集和CAN的初始化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。為增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，CPU的TX和RX通過6N137連接到82C250的TXD和RXD引腳，光耦合部分采用電源VCC和VCC0完全隔離［10］。

3.2 CAN協(xié)議的設(shè)計(jì)

CAN協(xié)議的目的是為了在任何兩個(gè)基于CAN-BUS的儀器之間建立兼容性；規(guī)范定義了傳輸層，并定義了CAN協(xié)議在周圍各層當(dāng)中所發(fā)揮的作用。CAN協(xié)議分為CAN 2.0A與CAN 2.0B。其中CAN 2.0A支持標(biāo)準(zhǔn)的11位標(biāo)識(shí)符，而CAN 2.0B同時(shí)支持標(biāo)準(zhǔn)的11位標(biāo)識(shí)符和擴(kuò)展的29位標(biāo)識(shí)符。采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求高，并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)僅僅是每個(gè)探頭的測(cè)到的壓力值，因此采用11位的標(biāo)準(zhǔn)幀格式CAN 2.0A即可。其幀格式依次包括：幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC場(chǎng)、ACK場(chǎng)和幀結(jié)束。其中數(shù)據(jù)段長度可編程0～8個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)包含8位。位仲裁是CAN總線獨(dú)特競爭機(jī)制，可避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突。

信號(hào)的采集不受上位機(jī)控制，智能探頭在上電后自動(dòng)采集，不需要設(shè)置應(yīng)答模式，只需要在數(shù)據(jù)幀中標(biāo)定好所采集數(shù)據(jù)的探頭號(hào)及工作面代碼，協(xié)議比較簡單。

4 結(jié)論

基于CAN總線設(shè)計(jì)的可變頻采樣的采動(dòng)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過采用先進(jìn)的應(yīng)力應(yīng)變材料，精確的標(biāo)定及先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)等方法，解決了以往系統(tǒng)精度低、測(cè)量頻率固定、實(shí)時(shí)性差以及傳輸距離短的缺點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的采集應(yīng)力智能傳感器已申請(qǐng)發(fā)明專利和實(shí)用新型專利，其中實(shí)用新型已獲得專利號(hào)（ZL201120117949.1）。利用本系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)采動(dòng)影響下的煤巖體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄并分析采動(dòng)應(yīng)力，對(duì)沖擊地壓及其他應(yīng)力引起的煤礦災(zāi)害的防治及決策提供有力的支持。

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