基于嵌入式的OFDM技術采煤機電力載波通信系統設計

楊　超,孔祥春,蘇　暢，秦春波，胡麗娜

(黑龍江工業學院,黑龍江 雞西　158100)

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基于嵌入式的OFDM技術采煤機電力載波通信系統設計

楊超,孔祥春,蘇暢，秦春波，胡麗娜

(黑龍江工業學院,黑龍江 雞西158100)

電力線載波通信(PLC)，在民用通信中已經廣泛應用。煤礦開采技術應用中還沒有大量開展，尤其是采煤機控制通信中沒有得到應用。在煤礦開采過程中采煤機控制計算機采集的數據實時傳輸給順槽集中控制計算機，目前采用的通信線路有同軸電纜和雙絞線等，采煤過程中采煤機的位置是動態和實時變化的，由于同軸電纜、雙絞線等控制芯線較細，移動時容易折斷，一旦折斷就要更換整條通信線，如果采用電力載波通信，則情況完全不同，電力線的直徑大，耐拉和耐移動。那么，在采煤機控制信號通信系統中利用基于嵌入式的OFDM技術電力載波通信取代采煤機傳統的通信線路，可以解決采煤機專用通信線路移動過程中折斷的問題。

載波通信；煤礦開采；嵌入式；OFDM技術；采煤機

近年來，通過配電網實現通信，又稱電力線載波通信(PLC)越來越引起人們的廣泛關注。隨著調制解調和信號處理技術的發展，PLC技術也得到了飛速的發展。隨著ARM技術的迅猛發展和正交頻分復用技術(OFDM技術)應用于PLC領域，傳輸的可靠性和速率也達到了一個新的高度。PLC應用廣泛：Internet的接入、智能家庭組建、自動遠程抄表等。社會需求的不斷提升和對生活、工作便捷等各方面的要求，使得電力線載波技術在工業、民用等領域快速發展，但是在煤礦開采自動化技術中電力載波通信還未得到廣泛應用，本項目旨在研究電力線載波技術應用到采煤機控制信號傳輸中以解決井下信號傳輸的部分問題。

1　采煤機控制信號通信中應用電力線載波通信的意義

目前，工業和民用各類信號的傳輸主要采用光纖、同軸電纜、雙絞線等通信媒介，隨著電力載波的不斷發展，低壓電力線的主要功能不但是電力傳輸還可以作為載波信號的傳輸媒介，我國主要采用50Hz頻率的工頻信號供電，雖然電力線可以作為載波信號的媒介但是卻不可能直接支持高頻通信。在煤礦開采過程中采煤機控制計算機采集的數據實時傳輸給順槽集中控制計算機，目前采用的通信線路有同軸電纜和雙絞線等，采煤過程中采煤機的位置是動態和實時變化的，由于同軸電纜、雙絞線等控制芯線較細，移動時容易折斷，一旦折斷就要更換整條通信線，如果采用電力載波通信，即通信線路就是采煤機供電的電力線，則情況完全不同，由于采煤機的功率大，工作電流大，所以電力線的直徑大，耐拉和耐移動，用電力通信取代采煤機傳統的通信線路，可以解決采煤機專用通信線路移動過程中折斷的問題。

2　嵌人式控制系統總體設計

嵌人式控制系統是整個系統的通信控制及數據處理的中樞機構，利用嵌入式控制系統不僅可以存儲各類數據還可以進行數字信號的處理，當然，模擬信號也可以采集后經過模數轉換由系統來處理，之后系統對信號進行算數運算和邏輯運算等。利用該系統負責采煤機控制信號(數據)的處理及ETHERNET IP 包和Power- Packet電力包兩種信號相互轉換；首先，控制系統利用各類傳感器采集工作環境的各項參數以反映采煤機的工作狀態，這部分數據可以存儲到系統的存儲器中；接下來就是與采煤機的控制器進行控制數據的比較，將比較結果回傳到控制器，通過運算后發出相應的控制命令。嵌人式控制系統一般安裝在上位機附近，與U、V、W三相電力線鏈接，構成主控系統。硬件接口電路總體設計如框圖1所示。該系統主要由控制系統、通信系統、顯示系統和信號采集系統(傳感器系統)構成。在系統中嵌人式處理器選擇比較通用的S3C2410嵌入式處理器作為核心處理器。

S3C2410處理器是韓國三星公司在ARM公司的ARM920T處理器核基礎上開發的32位微控制器，32位處理器完全可以完成系統設計的需求，也可以為以后控制需求不斷變化進行持續的升級需要。這里簡單地介紹一下該處理器的基本功能:它具有獨立的16KB指令緩存器和16KB數據緩存器，還有內存管理單元(MMU)，支持薄膜晶體管的彩色LCD控制器，輸入輸出端口( I/O)，還具有8路10位的模數轉換器(ADC)；S3C2410處理器主頻率最高可達203MHz，運行速度快，達到了實時控制要求。除此之外，S3C2410處理器接口也很豐富，很多文章對此都有介紹。所以，為了方便設計，系統設計中采用了S3C2410作為核心控制部件，利用32位總線擴展64M的FLASH ROM和64M的SDRAM。其中FLASH ROM用于存儲系統程序和應用軟件，SDRAM在系統中則作為數據存儲器用來存儲數據，選擇代碼開放的LINUX加載嵌入式操作系統。

通信方式，選擇利用電力載波通信方式進行數據傳送，接收采煤機控制的各類指令，這里系統有采用RS232串口通信作為程序員開發程序的調試端口；其中電力載波信號的傳輸是利用S3C2410控制器的SPI口控制電力載波通信模塊的，以此來收發各類信號和控制指令；顯示系統根據鍵盤輸入的鍵值向主控系統發送請求，通過控制系統進行此類輸入信號的采集，判斷按鍵后發送控制信號和把相關數據顯示在LCD顯示器和發光二極管LED上，實現人機交互。嵌入式控制系統主要作用是：系統要和上位機之間機型通信，接收上位機發出的各類控制指令，系統根據上位機發出的控制要求，設置數據發送控制信號完成控制動作，系統還可以校正時鐘、設置各類控制功能等。主控系統對上位機、傳感器發送來的數據能夠存儲、運算以及發送控制命令等。

圖1　硬件接口電路總體設計

3　煤礦開采中電力線載波通信系統設計

在系統設計中數據的傳輸主要采用電力線載波通信的方式，那么通信系統需要完成的任務就主要包括采集作為通信介質的配電線路和線路中所有電力設備的運行參數，并接收上位機的相關控制信號。因此，系統需要控制器來協調和管理本地與遠端的關系，研究中我們首先采用了S3C2410處理核心，主要負責采煤機控制信號(數據)的處理及ETHERNET IP 包和Power- Packet電力包兩種信號相互轉換。

為了確定載波傳輸數據的準確性，通信模塊首次選擇了利用電力線通信收發芯片MAX2986和電力線通信模擬前端MAX2980為核心，建立了一套電力線載波通信綜合實驗測試平臺，框圖如圖2。

MAX 2986電力線收發器目前是領域內應用最為廣泛的一種，它是采用CMOS設計技術制造的收發器，靈活性好，性能可靠。MAX 2986是一款高度集成的收發器，內部不但有媒體訪問控制層還有物理層。MAX2986數字收發器采用了目前非常先進的OFDM電力線引擎，具有高達14Mbps的自適應數據傳輸速率。

OFDM是Orthogonal Frequency Division Multiplexing的縮寫，OFDM就是正交頻分復用技術，是MCM多載波調制的一種。OFDM就是將通信信道分成了若干個正交子信道，可以把高速串行數據信號轉換成并行的低速子數據流，并且可以通過調制控制分配到每個子信道上進行數據傳輸。正交信號利用OFDM技術可以在接收端將傳輸來的信號分開，通過這種方式的處理就可以大大地減少各個子信道之間的相互干擾。經過處理后的信號在每個子信道上的信號帶寬就不會超過信道的帶寬，使得每個子信道上就可以近似看作線性衰減，消除了碼間串擾。并且每個子信道的帶寬又僅僅是傳輸信道帶寬的一部分，傳輸信道均衡變得相對容易。

MAX2980是電力線通信模擬前端(AFE)集成電路，一般情況下與MAX 2986配合使用，MAX2980也是采用先進的CMOS工藝的集成器件。它的優點是不但具有高可靠性，而且價格低廉。MAX2980高集成度器件，在該片上廠家也集成了模/數轉換器(ADC)、數/模轉換器(DAC)以及信號調理和線驅動器等部件。

在系統設計中調制解調器模塊采用MAX2986和MAX2980的主要原因是： MAX2986電力線集成收發器采用改進的OFDM調制法，并與HomePlug1.0協議兼容，MODEM也可以更好地與其它設備實現相互兼容。前面介紹過MAX2986數據傳輸速率能夠達到14Mbps，這個傳輸速度完全勝任采煤機控制信號傳輸的要求。并且MAX2986電力線收發器是一款可編程集成收發器，能夠直接接入MACAPI，內嵌ARM946微處理器，大大降低了系統設計的復雜程度。MAXIM公司設計的模擬前端收發器MAX2980專門配合MAX2986使用，從而提高了系統應用的可靠性。

圖2　MAX2986和MAX2980構成的調制解調器框圖

4　系統軟件設計思路

采煤機電力載波控制系統硬件電路設計雖然不算復雜，但是軟件系統工作過程相對復雜。不但系統需要和上位機相互通信，同時還要和各種采集器交換數據，實現采煤機各種工作信號傳輸，利用相關接口還要在LCD輸出相關信息，并在LED上顯示各類工作狀態等功能。在煤礦的工作面上還要提高采煤機的工作效率，并把各類控制信號在電力線上傳輸、轉換等，設計軟件系統時對S3C2410利用Linux操作系統作為片上操作系統，在Linux系統上就可以編出多任務的應用程序。

建立交叉編譯環境主機上配置交叉開發環境。Linux操作系統與其它操作系統的內核稍有區別，編譯時都要有固定的步驟,系統內核根據MakeFile文件的不同而產生一定差異,應該參考其他相關文檔,軟件系統編譯的任務要在個人計算機上使用Telnet工具實現。操作時按照制定的步驟編譯內核,在相應的文件夾下就會生成一個二進制的文件(機器碼),這個二進制文件就是系統要執行的程序，將這個二進制文件傳回個人計算機,再將文件寫入系統的存儲器中。

5　結論

本系統是基于S3C2410處理器的采煤機控制信號傳輸的一個終端控制器。該系統利用嵌入式處理器芯片S3C2410，嵌入式LINUX操作系統構成軟硬件系統，調制解調器部分分別采用MAXIM公司的MAx2986(電力線集成數字收發器)和MAX2980(電力線模擬前端收發器)。由于煤礦井下相對危險，那么只能在實驗室增加一些干擾信號來測試此方案，測試中結果差距不大，這說明在通信環境比較惡劣時，此設計能夠實現通信距離20m左右，基本能夠滿足煤礦井下對控制信號傳遞給采煤機實現自動控制的通信要求，數據傳輸速率大于100Kbps，控制信號誤碼率也不大，可以基本滿足控制要求，本設計系統中的電力線載波通信表現出了良好的抗干擾能力和抗多徑衰減性能，基本滿足對采煤機的控制需求。在接下來的實驗中還將進一步在如何提升通信距離和降低信號傳遞的誤碼率上深入研究。

[1]張有兵，程時杰，何海波，等.低壓電力線高頻載波通信信道的建模研究[J].電力系統自動化，2002，26(23)；75-78.

[2]仲元昌，楊潔，曾孝平.低壓電力線高頻載波通信通信的建模研究[J].電力系統自動化，2002，26(23)：75-78.

[3]劉芳，劉思久，張禮勇.低壓電力線載波通信的信道模型與模擬系統[J].哈爾濱理工大學學報，2006，11(4)：67-71.

[4]侯思祖，楊麗，赫建國.電力線載波自動抄表系統網絡結構的研究[J].電力科學與工程，2008，24(8)：1-3.

[5]戚佳金，劉曉勝，徐殿國,等.低壓電力線通信分簇路由算法及網絡重構[J].中國電機工程學報，2008，28(4)：65-71.

Class No.:TP273Document Mark：A

(責任編輯：宋瑞斌)

Design of Power Line Communication in the Shearer Based on Embedded OFDM Technology

Yang Chao, Kong Xiangchun, Su Chang, Qin Chunbo, Hu Li’na

(Heilongjiang University of Technology, Jixi, Heilongjiang 158100，China)

Power Line Communication (PLC), is widely applied in civil communication, nevertheless, it is not well developed in coal mining, particularly in shearer control communication. Sampling data from shearer control computer during coal mining process are transmitted to crossheading centralized control unit in real time. At Present, coaxial cable and twisted-pair cable are commonly used as communication cables which core wire for purpose of control are very thin and the wires are easily wrecked due to position of shearer process is dynamic and variable during coal mining. It needs to replace the entire wire if it is wrecked. PLC has its vantage，diameter of power line is bigger which has good tactility and good mobility. By applying power line communication in the shearer based on embedded OFDM to substitute conventional communication cable, the wire wrecked problem of communication cable can be solved.

carrier communication; coal mining; flushbonading; OFDM technology; coal mining machine

楊超，碩士，副教授，黑龍江工業學院。研究方向：電氣自動化。

2014年黑龍江省青年科學基金項目“基于ARM的OFDM技術在采煤機電力載波通信中的研究”，項目編號：QC2014C082。

1672-6758(2016)06-0046-3

TP273

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