論一種高精度礦用液壓支柱無線監測的電路設計方法

馬曉蘭

摘 要：綜合工作面是礦井生產的核心場所，液壓支架在綜合采礦工作面起著重要的支護作用。為科學管理礦井煤礦生產安全、減少頂板事故，采煤現場需對綜合工作面液壓支架的支護狀況進行監測。目前有很多礦用液壓支柱無線監測方法，文章僅探討一種相對較高精度硬件電路設計方法。文章所研究的監測系統以液壓支架壓力作為監測對象，由終端采集節點和路由節點兩部分組成。終端采集節點安裝在每個液壓支架上，用來監測支架壓力，路由節點負責將收到的數據通過多跳的方式傳給上位機。對節點間的通信及終端節點的監測可靠性和功耗進行了測試，表明本系統具有運行穩定、體積小、成本低、測量精度高等特點。可靠的監測降低了開采面事故發生，提高了人身設備安全，降低功耗提高了系統運行的穩定性和使用壽命。

關鍵詞：液壓支架；監測；電路設計

1 液壓支架監測系統模型的建立

1.1 無線通信技術

液壓支架工作環境比較復雜，通信頻率、巷道的傾斜程度和井下的導體等多種因素都會影響無線通信信號。因此在設計礦井液壓支架壓力監測系統時必須要考慮到井下的特殊環境，考慮數據傳輸的可靠性。通過對目前市場上常用的無線通信技術比較，本文將ZigBee短距離無線通信技術應用于礦井環境監測中。

ZigBee技術是一種新興的短距離、低速率的雙向無線通信技術，有自己的標準協議，可以在很多傳感器間進行通信，具有很強的自適應性，主要應用于自動控制領域，同時可以實現系統定位，具有低功耗、近距離、短延遲、低速率、低成本、網絡容量大、高安全性、工作頻段靈活的特點。

1.2 液壓支架監測系統組網模型

液壓支架會隨著煤礦開采工作的推進而移動，但移動的距離很短。液壓支架的排列呈直線型，針對液壓支架的這種物理排布情況，節點的分布也應是帶狀的。采用星形與網狀的混合網，網絡中的路由節點與協調器組成網狀結構，結構簡潔、節點功耗減少，每個星形網絡內的通信采用單跳通信，網狀結構中的路由節點采用多跳通信。在實際工作環境中，每個液壓支架上放置一個采集節點，每隔3個液壓支架放置一個路由節點。在礦井實際環境中，液壓支架的排列呈直線型，節點的分布是帶狀的，整體網絡組成簇型線狀網絡拓撲結構。

2 電路詳細設計方案

監測系統的硬件設計方案分為2部分，一是終端采集節點，二是路由節點。終端采集節點包括電源管理模塊、傳感器、信號調理電路。終端節點采用定時喚醒模式，降低功耗，提高監測系統的使用壽命。終端采集節點與路由節點通過線纜連接。每個路由節點最大可以連接3個傳感器節點，即相鄰的三個液壓支架需要采用同一個路由節點。每個路由節點配備一個5V的電池供路由節點與傳感器節點使用。路由節點將從終端節點獲得的模擬信號經過ADC芯片轉換為數字信號，并通過ZigBee射頻口傳送給井下匯聚節點。路由節點也帶有顯示功能與按鍵，可以任何時候被喚醒查看3個終端節點的壓力數值。

終端采集節點的作用如下：將壓力傳感器轉換的微弱模擬信號進行放大并通過線纜傳輸給路由節點；每個終端采集節點帶有一片數據記錄芯片，對由于傳感器及放大電路帶來的誤差進行偏差校準。

路由節點的作用主要如下：每個路由節點需要有一個5V電池供電路板使用；每個路由節點可以連接3個終端采集節點，對終端采集節點的模擬信號進行處理并通過RF模塊傳送給井下匯聚節點；路由節點帶有簡單的顯示模塊，便于工人就近查看支架壓力；路由節點需要有相應的按鍵，以便在屏幕關閉情況下喚醒屏幕；路由節點電路板能對每個功能模塊進行電源管理，便于降低整個系統功耗；路由節點單片機必須采用低功耗單片機；路由節點的電壓輸入需要適應較寬的電壓范圍。

終端節點電路板設計能使用目前市場上絕大部分的壓力傳感器，且內部帶有數字校準芯片，可以對每一套終端節點由于分離元器件帶來的偏差進行校準。

煤礦中的電磁干擾較大，為了調高測量精度，此方案設計必須把壓力傳感器與信號放大電路就近放置。且此方法可以把由傳感器與放大校準電路組成的模塊變為一個液壓監測的一個標準化變送器。

2.1 放大電路部分設計

為了能更好的調配放大電路的帶寬、放大倍率，放大器沒有選擇專用的儀表放大器而選擇了四個獨立的高性能放大器TI公司的OP4376，相對于普通的儀表放大器一般偏置電流在幾十pA以上，輸入偏置電壓在幾十微伏級別，OP4376有較低的輸入偏置電流典型值0.2pA與輸入偏置電壓典型值5uV，可以對uV級的信號變動進行采集。且此運放的價格TI官網公布為1.4$，并不貴。經過實測此電路設計的輸入采樣精度能達到5uV。

2.2 電源部分設計

電源芯片采用的是MCP1252，為目前市場上用量較大的一款電源芯片，輸入電壓范圍相對較寬，且屬于無感式開關電源芯片，可以縮小終端節點的體積。效率相對也比較高。而且帶有電源管理控制引腳，可以對終端節點的功耗進行有效管理進而降低整個系統的功耗。

2.3 校準電路設計

本文建議校準芯片采用一線制的數字EEPROM芯片，具體型號不再指導。

2.4 路由節點電路設計：

2.4.1 電源模塊設計

整個系統輸入電源由電池供電，電壓比較穩定，考慮到電池在滿電與低電壓兩種情況下壓差較大，本文采用了寬范圍的輸入電源芯片TPS63060（輸入電壓范圍2.5-12V），此電壓范圍能使用大量的本安電源。且此電源芯片的電流高達2.25A足夠整個系統使用，即使是輸入的電壓降到2.5V級別。

本設計還采用了3個mos開關管對系統的不同終端節點的電源進行管理，在電源功率方面采用了信號控制與電源切斷雙重保護的方式來降低功耗。

2.4.2 接口電路

接口電路中有3個連接終端節點接插件，包括插頭輸入檢測（插頭第6引腳與第5引腳通過在外圍插頭上短路，進行判斷終端節點的接通），對輸入信號做了RC濾波與SMBD7000鉗位保護處理。

在與ZigBee模塊通信上采用了串口通信，此處不再做介紹。

整個系統的單片機采用TI公司的MSP430低功耗系列。此芯片有8路12位ADC輸入引腳。可以利用此引腳直接對終端節點傳來的信號進行模數轉換。為了現場方便查看設置了兩個按鍵開關（KEY1 KEY2）與6位8段數碼管，可以通過軟件編寫實現現場的液壓支柱壓力檢測、電池電壓檢測、RF通信連接等功能。

整個電路在設計中嚴格按照礦用本安電路設計，屬于本安型電路，若再配本安型電池為系統供電后，本系統就可以變為本安型礦用液壓支柱監測系統。此系統電路經過實際測試正常情況下整個系統功耗在mW級別，且經過15個月的測試未發現任何不良現象，完全能夠使用到實際現場。

參考文獻

[1]金純.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業出版社，2007.

[2]趙智民，崔建明.智能式頂板壓力監測系統[J].自動化與儀器儀表，2009.