煤巖應力監測系統井下監控分站的設計

趙 健

(泰山學院物理與電子工程學院，山東泰安 271021)

1 引言

基于CAN總線的煤巖應力動態監測系統是一套高度自動化的分布式遠程監測系統，可連續動態監測礦井下各個區域內的煤巖應力狀態、分析處理采集到的數據、記錄與顯示監測結果.本系統包括井上監控服務器、井上監控主機、井下監控分站、CAN總線傳輸網絡等功能模塊.井下監控分站負責煤巖應力的測量、存儲、顯示、傳輸和報警功能;通過CAN總線傳輸網絡將煤巖應力狀態的實時數據傳送到井上監控主機;井上監控主機將收到的數據進行整理，發送給井上監控服務器，并能脫離服務器獨立運行;井上監控服務器對數據進行處理，并實時顯示，供監控人員查詢和管理.本文主要介紹井下監控分站的設計.

2 監控分站的組成

監控分站硬件模塊主要包括:微控制器、煤巖應力測量裝置、多路開關、信號放大器、A/D轉換器、鍵盤、LCD顯示模塊、數據存儲器、CAN總線接口、報警電路、“看門狗”電路、電源電路等，其結構框圖如圖1所示.

3 監控分站各模塊設計

3.1 微控制器模塊

監控分站采用基于ARM7的32位微控制器LPC2103，完成整個監控分站的控制任務.外圍電路包括:監控電路、掉電存儲電路和矩陣鍵盤等.

LPC2103是飛利浦公司生產的高性能微控制器，最高工作頻率可達到70MHz，內部資源豐富，具有8K字節的數據存儲器，能夠滿足程序運行期間數據存儲的要求，32K字節的程序存儲器，存儲系統代碼;芯片內部設計了實時時鐘、定時器和計數器，無需外部擴展;芯片具有32條可承受5V電壓的通用輸入輸出接口，還擴展了I2C接口、串行接口、SPI接口等新型接口，方便連接外設;芯片支持在線調試技術，通過ISP下載線可實時調試.

微控制器外部連接了MAX813L“看門狗”定時器，作為監控電路監測微控制器的運行，防止外部干擾導致系統死機而引發事故.

系統將監測數據和設定信息存入E2PROM，防止因掉電造成數據丟失，采用了具有I2C接口的32KB存儲器AT24C256.

圖1 監控分站結構框圖

3.2 電磁輻射信號接收

根據煤巖變形產生電磁輻射的理論［1］，受載煤巖體變形及破裂時能夠產生電磁輻射，煤巖中應力越高，變形破裂過程越強烈，電磁輻射信號越強.系統通過測量電磁輻射強度，來確定煤巖應力狀態.測量電磁輻射信號的基本過程:煤巖產生的電磁輻射信號由接收天線接收后，送井下監控分站的信號調理放大電路，經過高精度A/D轉換后送微控制器處理.

煤巖變形產生電磁輻射主要在1～500 KHz頻段內［2］，系統中的電磁輻射接收天線采用1～500 kHz的寬頻帶、定向、非接觸式天線.

3.3 信號調理放大電路

天線接收的電磁輻射信號極其微弱，幅度為毫伏級的頻率信號.在外部干擾和傳感器自身噪聲的情況下，單獨依靠傳感器無法識別電磁輻射信號.因此，只有在有效控制噪聲干擾的前提下，將信號放大到需要的級別才是有效的.信號調理放大電路原理圖如圖2所示.

圖2 放大電路原理圖

前置放大器的噪聲系數決定了整個放大電路的噪聲系數［3］，對于毫伏級的微弱信號，專門采用分立元件進行了設計.

帶通濾波電路用來保留頻率在1～500KHz之間的信號.因此濾波器的通帶范圍設計為1～500KHz，它由高通濾波器和低通濾波器組成.實際采用的高通濾波器如圖3所示.其中高通濾波器截止頻率為1KHz，采用的是單端反饋高通濾波器電路，由運放LF356和分離的R、C元件構成.為了降低信號調制頻率以外的高頻干擾信號，加入了此低通濾波器將之濾除.低通濾波由具有極低的失調電壓與溫漂、低輸入偏置電流、低噪聲、低功耗的單運放集成電路OP1177和R、C元件構成二階壓控有源低通濾波電路，低通濾波電路如圖4所示.

主放大器由集成電路AD603及外圍增益調整電路組成，主放增益可以由鍵盤設置，主放大電路實現信號由毫伏級放大到伏特級.

圖3 高通濾波電路

圖4 低通濾波電路

3.4 A/D 轉換電路

A/D轉換電路采用12位分辨率的高精度A/D轉換器MAX1275，對主放大器輸出的模擬量進行采樣，將模擬量轉換成微控制器易于處理和傳輸的數字量.由于主放大器增益可調，可以將放大的輸出信號控制在0～5V范圍內，MAX1275允許模擬輸入信號電壓為－0.3V ～ +5.3V(參考地電壓0V，電源電壓+5V)，滿足信號幅度要求.電磁輻射信號的頻率為1～500KHz，根據采樣定理，采樣頻率要大于被采樣信號帶寬的2倍，也就是采樣頻率必須至少是信號中最大頻率分量頻率的2倍，MAX1275采樣率為1.8Msps，滿足這一要求.

3.5 CAN總線傳輸接口

在CAN總線的傳輸接口設計中，使用的主要器件包括:CAN控制器［4］SJA1000、CAN驅動器PCA82C250、高速光耦6N137和DC/DC隔離電源B0505S－1W.具體電路如圖5所示.

圖5 CAN節點電路圖

CAN控制器SJA1000(U2)和LPC2103(U1)的連接關系:數據線AD0～AD7連接至P0.17～P0.24;中斷申請端INT連至P0.14(EINT1);片選端CS連至P0.13.

SJA1000(U2)的XTAL1、XTAL2外接16M晶振;模式選擇端MODE接高電平，工作在Intel模式;RST復位端外接獨立復位電路，由10k電阻(R3)和22uF電容(C6)組成.

DC/DC電源隔離器B0505S－1W(DC－DC)的1(VCC)、2(GND)引腳分別連接 SJA1000(24)、6N137(U4)的輸入端、6N137(U5)的輸出端的電源和地線;隔離輸出3(VCC2)、4(GND2)引腳連接至6N137(U4)的輸出端、6N137(U5)的輸入端、82C250(U6)的電源和地線.

通過高速光耦6N137(U4、U5)將CAN控制器SJA1000(U2)的TX0和RX0與CAN收發器82C250(U6)的TXD和RXD進行電氣隔離，使得CAN總線節點的抗干擾能力大大加強.為了使82C250(U6)免受過流的沖擊，將82C250(U6)的CANH和CANL引腳分別通過電阻(R4、R5)與CAN總線相連.

3.6 電源模塊設計

監控分站采用KDW17通用本質安全型不間斷電源［5］，它可以在瓦斯、煤塵爆炸等危險環境中使用.本電源具有三路12～24V本安電源輸出，并有二組繼電器控制隔離輸出回路，用于向本質安全型設備提供本安直流電源，同時可用于斷電控制.監控分站各模塊中:微控制器LPC2103需要+3.3V和+1.8V電源;MAX1275、CAN接口需要+5V電源;光報警電路需要+9V電源;聲報警模塊需要+5V和+9V電源;放大器需要+5V和－5V電源.監控分站電源電路如圖6所示.

圖6 監控分站電源電路圖

4 總結

系統通過測量煤巖變形產生的電磁輻射信號來確定煤巖應力狀態，測試結果準確可靠，并且精度高.同時，系統將CAN總線技術引入了煤礦安全監控系統，利用CAN總線的高度靈活性以及強大的通訊功能將井下的監測儀表的數據上傳至井上遠端的監控服務器，可以實現對井下煤巖應力參數的全面、實時、動態的監控.井下監測儀表裝置硬件采用微控制器進行了設計，微控制器系統軟件運用結構化設計思想，進行了模塊化設計，并驗證了該模型在實際生產過程中的正確性和可靠性.

［1］肖棟，賈慧霖，李忠輝，等.電磁輻射與聲發射礦井綜合信息采集系統設計［J］.煤炭科學技術，2009，37(4):82－84.

［2］竇林名，何學秋.沖擊礦壓危險預測的電磁輻射原理［J］.地球物理學進展，2005，20(2):427－430.

［3］譚超，董浩斌.低頻μV信號放大器的設計與制作［J］.電測與儀表，2007，44(11):55－57.

［4］孔莉芳，張虹.CAN總線在安全監控系統傳輸中的應用［J］.微計算機信息，2008，24(1－2):43－44.

［5］黃自偉，崔玉亮，閆相宏.礦用測試儀器設計［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1996.