礦用總線式數據采集模塊硬件設計

杜曉月

(中國礦業大學機電工程學院,江蘇 徐州 221116)

礦用總線式數據采集模塊硬件設計

杜曉月

(中國礦業大學機電工程學院,江蘇 徐州 221116)

作為煤礦井下設備監控中的一項基礎功能,數據采集對生產效率的提高、設備狀態檢測等起著重要的作用。針對煤礦井下設備的需求,以液壓支架為應用對象設計了一款支持多總線、多通道、多種類信號的通用型礦用數據采集模塊。同時,設計了不同量程切換、可進行電流與電壓信號軟件設定的切換電路,以及支持以太網、CANbus、Profibus、RS-485等多總線網絡接口。在硬件電路設計方面,采用磁隔離技術進行總線隔離,采用線性光耦進行模擬量線性隔離。該采集模塊適合煤礦井下使用,抗干擾能力強,具有一定的擴展能力。

數據采集 總線隔離 線性隔離 以太網 多總線網絡接口 硬件電路

0 引言

目前,礦用數據采集模塊在一定程度上滿足采集的需求,但存在一些采集缺陷,如輸入輸出端口數量過少,無法滿足端口需求;煤礦設備分散、空間狹小、布線困難,卻采用單一的通信方式;礦用傳感器信號多樣,但模塊支持的信號類型較少[1]等。本文在分析了國內外礦用數據采集模塊的基礎上,設計了一款支持多總線、多通道、多種類信號的通用型礦用數據采集模塊。

1 采集模塊功能

由于液壓支架所需采集數據較多,為了滿足其通用性需求,在對液壓支架、水泵、風機等進行系統需求分析后,確定了采集模塊的系統組成,如圖1所示。本數據采集模塊用于液壓支架的動作控制。分布安裝在綜采工作面上的采集模塊節點實時采集壓力、行程、傾角數據以及采煤機的紅外位置信號。遠程網絡控制端通過CAN總線輪詢各個采集模塊節點所采集到的壓力、行程、傾角數據和采煤機的紅外信號,從而控制采集模塊節點動作,實現分布式動作和集中監控。

圖1 采集模塊系統圖Fig.1 System diagram of acquisition module

2 采集模塊的系統組成

采集模塊由ARM主控制器、模擬量采集電路、數字量輸出接口模塊、CAN總線接口模塊、Profibus-DP總線接口模塊、以太網總線接口模塊、RS-485總線接口模塊、存儲模塊、電源模塊,以及其他輔助電路模塊組成,如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖Fig.2 Block diagram of the system hardware

采集模塊以ARM主控制器為核心,選用STM32F103VCT6作為該采集模塊的主芯片。該芯片具有成本低、引腳數目多、系統功耗低、中斷響應機制快速以及計算性能高效等特點,滿足井下使用環境具有低功耗功能等要求[2]。本設計軟件部分植入了μC/OS-Ⅱ微型嵌入式操作系統,在該系統上開發各種接口電路驅動程序和應用程序。為達到信號采集通用性要求,設計了可采集常見傳感器輸出信號0～5 V、0～10 V、0～20 mA單極性信號以及±5 V、±10 V雙極性信號電路。本采集模塊設計了單、雙極性普通信號輸入接口各8路,高速采集接口4路;數字量信號輸入接口8路,輸出接口為24路。PCA9534芯片為8位低功耗I2C串口擴展并口器件。ULN2803(高耐壓、大電流的達林頓管)輸出模塊用于驅動液壓支架電磁閥,滿足大功率需求。

CAN總線接口模塊是嵌入式處理器與外擴CAN總線的通信硬件接口,其通過CAN總線和CAN應用協議完成數據采集模塊與控制中心的通信。Profibus-DP總線模塊接口是嵌入式處理器與外擴DP總線的485驅動器通信硬件接口,其以PLC控制器為主站,通過485接口與DP從站協議完成數據采集模塊與控制中心的通信。為了能夠與地面控制中心進行通信,加入以太網模塊接口電路。

存儲模塊為16 Mbit SPI串口的Flash存儲器,進行相關配置、運行參數的存儲以及采集數據的暫存。電源模塊包括外接電源接口以及電源分壓電路,實現各主要元器件所需的電源。采集模塊采用外接ADC,對經過前置電路處理后的壓力、行程和傾角信號進行采集。前置電路的作用包括線性隔離、軟件開關選擇、濾波,以及將傳感器信號轉換為ADC所接收的信號類型。

3 采集模塊隔離電路設計

雙極性信號線性隔離電路如圖3所示。

圖3 雙極性信號線性隔離電路Fig.3 The linear isolation circuit of bipolar signal

煤礦井下的設備都應達到抗干擾的基本要求。為了隔離干擾源,本設計采用了線性光耦隔離技術。同時,在總線通信接口采用磁隔離技術,并且在電源輸入輸出端采用隔離電源器件。

線性隔離是為了隔離模擬信號而設計的隔離方式。普通光耦主要由1個光敏二極管和1個發光二級管組成,它的隔離模式是單發單收。線性光耦由2個光敏二極管和1個發光二級管組成,線性光耦的組成多了1個光敏二極管。該光敏二極管作為用于反饋的光接收電路。通過兩個光電路的非線性抵消,實現了線性隔離。對于單極性信號,采用1個HCNR200線性光耦與1個LM358雙運放放大器組成放大隔離電路;對于雙極性信號,采用2個HCNR200與1個LM358雙運放放大器組成隔離放大電路[3]。

ADuM12XX系列磁隔離模塊是基于ADI專利的iCoupler數字隔離器,其采用平面磁場專利隔離技術。該技術具有低功耗、高速率等性能,滿足總線高速運行的要求[4]。iCoupler技術具有低功耗性能,其功耗僅為傳統光電隔離器的2%～10%。在設計CAN總線收發器電路隔離時,為了提高CAN總線各節點的抗干擾能力,當CAN收發器接收來自微處理器傳來的數據時,先通過數據隔離器將信號隔離,隨后才接入CAN收發器[5]。

CAN總線磁隔離電路如圖4所示。

圖4 CAN總線磁隔離電路Fig.4 The magnetic isolation circuit of CAN bus

4 采集信號軟件切換電路設計

可編程多量程轉換電路主要由雙運放電路和LF13509電路組成。

單極性信號的可編程多量程轉換電路如圖5所示。

圖5 可編程多量程轉換電路Fig.5 Programmable multiscale conversion circuit

采集多通道、多種類信號時,PLC采用硬件切換方式,即通過量程卡的接插來選擇不同的模擬信號輸入。這種方式達不到快速響應的目的[4-6]。因此,本采集模塊設計了不同量程切換、可進行電流與電壓信號軟件設定的切換電路,可以實現遠程控制。LF13509是具有四通道差分輸入的高精度模擬轉換開關。該器件導通電阻RON=380 Ω,通道導通電阻差異大于7 Ω,開關切換時間topen=1.6 μs,轉換速度高[7]。

由轉換開關原理可知,當開關VIN1_S3B和VIN1_ DB接通時,即開關S3接通時,輸入信號為0～5 V電壓信號;當開關VIN1和VIN1_DB接通,即S2接通時,輸入信號為0～10 V電壓信號;當開關VIN1_S1B和VIN1_ DB接通,即S1接通時,輸入信號為0～20 mA電流信號。

5 總線電路設計

本采集模塊共有四種總線網絡傳輸方式,每種傳輸方式都有各自的優勢和接口電路。CAN總線接口電路如圖6所示。

CAN總線接口電路的硬件組成部分分為以下5部分,具體介紹如下。

①CAN總線控制器采用STM32F103處理器的內置CAN總線控制器,可通過軟件配置PB0、PB1作為CAN控制器收發接口。

②CAN總線收發器電路采用高速、具有差動接收發送性能的TJA1050收發器,它和CAN控制器共同組成CAN總線通信硬件的核心電路。

③總線的電磁隔離部分,是采用帶有iCoupler技術的數字隔離模塊——ADuM1201組成的隔離輸入電路,隔離微處理器與CAN總線接口之間的信號干擾。

④保護器NUP2106保護CAN收發器,使其在高速和容錯狀態的網絡下不受到ESD和其他有害的瞬態電壓的損害。

⑤隔離電源模塊,用于隔離數字隔離器ADUM1201的兩個電源。

圖6 CAN總線接口電路Fig.6 CAN bus interface circuit

由于總線傳輸速率高,電流沖擊大,為了達到限流目的,防止TJA1050收發器受到過電流沖擊,在CAN收發器TJA1050的差分輸入引腳之間接入1個電阻值為120 Ω的電阻,之后再與總線連接[8]。另外,兩根總線接入端與地之間接入了一個雙重線總線保護器NUP2105,防止較高負電壓及其他有害的瞬態電壓對TJA1050造成過壓損害[9]。同時,采用帶5 V隔離輸出的DC-DC電源模塊,經過ADP667穩壓器對隔離電源穩壓,濾除電源波紋,有效提高了節點的穩定性和安全性[10]。

6 結束語

本文基于液壓支架的動作控制,完成了通用、安全的礦用模擬量數據采集模塊的設計。該設計采用低功耗ARM STM32F103VCT6作為數據采集模塊的微控制器。同時,設計了該模塊的硬件電路,并介紹了隔離、通道選擇及CAN總線硬件電路的設計,實現了煤礦井下安全、通用、快速的數據采集。

[1] 劉穎,梁玉,張曉光.基于ARM的液壓支架監測系統設計[J].礦山機械,2010,38(11):7-9.

[2] 劉波文,孫巖.嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ經典實例:基于STM32處理器[M].北京:北京航空航天大學出版社,2012:10-20.

[3] 杜運福.基于STM32與ATT7022E的用電智能采集模塊設計[D].蘇州:蘇州大學,2012.

[4] 單鵬.煤礦頂板壓力信號采集控制電路的設計[D].青島:山東科技大學,2011.

[5] 黃兵.基于ARM7的嵌入式系統CAN總線和以太網通信研究與實現[D].合肥:安徽大學,2012.

[6] 陳傳凱.基于LabVIEW與PLC的數控系統通信及提高運動精度控制方法研究[D].上海:華東理工大學,2013.

[7] 秦勝林.煤流控制系統的設計與實現[D].成都:電子科技大學,2013.

[8] 王梓桐.基于CAN總線的電動汽車控制系統的研究[D].杭州:浙江大學,2013.

[9] 閆天宇.基于μC/OS-Ⅲ的CAN-FlexRay網關的設計與實現[D].長春:吉林大學,2013.

[10] 吳志玲.基于CAN總線的數據采集節點設計與實現[D].太原:中北大學,2013.

Hardware Design of the Bus Type Data Acquisition Module for Coalmine

As one of the basic functions in underground equipment monitoring for coalmine,data acquisition plays an important role in enhancing production efficiency and detecting equipment states.In accordance with the requirements of underground equipment of coalmine, with hydraulic supporter as the application object,the universal data acquisition module suitable for multiple buses,multiple channels,and multiple types of signals has been designed.In addition,the switching circuit which can be setup for voltage or current,and change ranges by software,and the multi-bus network interface supporting Ethernet,CAN bus,Profibus and RS-485 are designed.In hardware design,the bus isolation is conducted by using magnetic isolation technology;the analog linear isolation is conducted by using linear opto-coupling.This data acquisition module features strong anti-interference capability for application in coalmine and possesses certain expansion capability.

Data acquisition Bus isolation Linear isolation Ethernet Multi-bus network interface Hardware circuit

TD676

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修改稿收到日期:2014-03-06。

作者杜曉月(1992-),女,現為中國礦業大學機械電子專業在讀碩士研究生;主要從事礦井提升方向的研究。