礦山動態輕軌衡數據采集器的設計

鄭傳行 陳建

摘 要：為滿足野外礦山環境下礦山動態輕軌衡高速數據采集目的，本文設計一種動態輕軌衡數據采集器。本設計以ARM 7處理器為核心，處理器的激勵電壓由220V交流市電經轉換后提供。處理器利用自身模數轉換功能對模擬稱重傳感器采集到的模擬信號數字化并預處理后，通過RS485接口與上位機進行通訊，針對處理器供電電源以及信號輸入端設計了防雷電路以保護核心器件免受雷擊破壞。

關鍵詞：動態輕軌衡 數據采集器 稱重傳感器 RS485

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（c）-0022-03

Abstract： A data acquisition unit for dynamic weighing bridge is designed for the purpose of high-speed data collection in the wild environment. This unit is designed based on ARM7 processor， whose excitation voltage is provided after conversion of 220V alternating current. The simulate signal collected by simulate weighing sensor is converted to digital form and processed in ARM7 processor. The processor communicates with the next higher level equipment by RS485 interface. In order to protect the core devices from lightning damage， lightning protection circuit is designed at the ports of CPU power supply and signal input.

Key Words： Dynamic weighing bridge； Data acquisition unit； Weight sensor； RS485

礦山動態輕軌衡系統工作原理是：通過在礦井口安裝高精度稱重傳感器，配置前端數據采集器對稱重數據進行采集與預處理后，通過數字網絡鏈路將現場測量數據實時傳送到控制室的上位機，在上位機中對測量數據進行分析計算后，最終結果輸送到各級遠程監控中心服務器上，服務器上搭建了綜合監控信息管理軟件，煤礦各管理部門根據各自分配的權限，查詢或打印煤礦產量的實時監控數據，從而實現礦山資源控制與生產監控的科學化。

1 礦山動態輕軌衡數據采集器的設計要求

礦山動態輕軌衡系統的數據采集器安裝于礦洞出口，對礦洞出來的礦車在不停車狀態下進行快速動態數據采集與預處理。因為設備安裝于野外礦山，其工作環境比傳統鐵路軌道衡和公路汽車衡惡劣很多，所以前端設備數據的采集與處理也困難得多[1]。由于礦洞口通常有一定坡度，為避免礦車在洞口發生倒流危險，所以動態測量過程中礦車不能停車甚至不能減速，這對計量數據的快速采集與預處理提出了很高要求，傳統微控制器X86架構單片機已無法勝任。數據采集與傳輸過程若采用模擬稱重傳感器“模擬采集+模擬傳輸”模式，則信號易受干擾而且傳輸距離短。而采用數字稱重傳感器的“數字采集+數字傳輸”模式雖能較好解決這些問題，但數字稱重傳感器一旦出現故障無法修理只能整體更換，維護成本大大增加。在數據通訊上，傳統RS-232模式傳送距離短且只能實現單點傳輸，無法滿足野外測量的遠距離“多站”[2]傳輸需求。另外，數據采集器的核心元件微處理器若采用電池供電，會面臨電池電量減弱或耗盡而隨時更換的問題，后期維護的難度與成本增加。最后，對于野外環境而言設備能否承受雷擊電涌的沖擊破壞也是設備正常運行的重要前提。

2 數據采集器結構設計

為解決上述問題，本文設計一種動態輕軌衡數據采集器。該采集器選用性能遠勝傳統單片機的ARM 7微處理器完成數據的快速采集與預處理，ARM 7自帶的AD轉換功能對模擬傳感器采集到的模擬重量信號數字化并預處理后，以RS485通訊接口與上位機進行數字信號通訊。本采集器采用的“模擬采集+數字傳輸”模式既解決了“模擬采集+模擬傳輸”模式信號傳輸干擾大的弊端，又避免了“數字采集+數字傳輸”模式數字稱重傳感器故障后必須整體更換昂貴的數字傳感器。RS485通訊很好地滿足了遠距離“多站”傳輸需求，另外針對野外工作必須面對的雷擊問題增加了保護電路。該數據采集器的結構原理見圖1，采集器的核心元件是ARM 7芯片，220V交流電源經變壓器變壓、整流電路整流、穩壓電路穩壓后，為ARM 7提供激勵電壓。系統采集與傳輸模式為“模擬采集+數字傳輸”，即模擬稱重傳感器采集到的模擬數據由接線端子接入ARM 7芯片的ADC管腳，經過模數轉換和信號預處理后，最后以數字形式由RS485接口與上位機進行通訊，在ARM 7芯片的電源及信號端都設計了有防雷擊保護電路。

3 數據采集器的具體實現

數據采集器的詳細電路設計如圖2所示，對其工作原理詳細闡述如下。

本數據采集器的任務首先是對模擬稱重傳感器采集到的模擬信號進行數字化，然后就是對信號進行預處理[3]，包括信號的32位均值濾波、礦車上下衡判別、行進方向判別等功能。因為系統必須在不停車狀態下高速完成數據數字化及預處理過程，所以對數據采集器核心元件微處理器的計算速度要求很高。傳統單片機能實現各種邏輯和非邏輯控制，但不具備強大的計算能力，無法滿足要求。ARM處理器集高性能、低功耗、低價格等優點于一身，完全能滿足本數據采集器的設計需求，本設計在滿足需求前提下結合價比因素選擇ARM 7系列的S3C44B0X。該芯片內部集成了ARM7TDMI內核，并在內核基本功能基礎上集成了豐富的外圍功能模塊，非常適合低成本嵌入式系統開發。S3C44B0X自帶8路10位ADC，最大轉換速率100KSPS/10位，經論證完全達到本系統中對模擬信號進行高速實時數字化的要求，將模擬稱重傳感器的信號輸出端直接與S3C44B0X的ADC管腳相連實現信號的模數轉換。

S3C44B0X芯片正常工作需要+3.3V直流電壓進行供電，如果采用電池對供電的話會面臨使用中電池電量減弱或耗盡隨時需要更換的問題，將增加維護的難度與成本。本設計中放棄電池供電方案，如圖2所示，將220V交流市電經變壓器T變壓后減小、整流橋整流、穩壓電路穩壓后，產生+3.3V直流電接到S3C44B0X的驅動電源管腳為其供電。電路中整流橋和穩壓芯片分別選用MB10S和ASM1117-33，電容C1、C2為濾波電容。

經ARM 7預處理后的數據要傳送到上位機，數據采集器作為前端設備安裝在出礦口，而上位機作為控制設備放置于幾百米外，而且一個上位機同時對應不同出礦口的多個數據采集器，二者之間屬于“多站”連接模式。因為傳統RS232屬于單線傳輸（無法實現“多站”連接）而且傳輸距離短（最大通信距離僅15m），無法滿足本系統需求。RS485傳輸距離遠（最大通信距離約1219m）、傳輸速度快（最高傳輸速率為10Mbps），而且具有“多站”能力（最多可支持總線上連接400個收發器），所以本設計采用RS485通訊接口與上位機實現通訊。

因為本數據采集器要安裝在野外礦山環境，所以電路的防雷擊設計是設備正常運行的重要保證，尤其針對核心器件ARM 7芯片的保護至關重要。本設計中在ARM 7芯片的供電電源及輸入信號端都設計了防雷擊保護電路。防雷擊電路由陶瓷氣體放電管GDT1、GDT2和瞬態抑制二極管TVS1、TVS2并聯組成，分別接到ARM 7芯片的電源和信號輸入端，根據不同連接位置選擇不同參數元件。陶瓷氣體放電管GDT的優點是通流量大、缺點是響應慢；瞬態抑制二極管TVS剛好相反，優點是響應快但通流量小。所以將二者并聯使用，在雷擊浪涌沖擊到來時，TVS管先快速響應并泄掉少部分浪涌能量，并實現電壓的鉗位保護，剩余的大部分浪涌能量由GDT隨后泄放以達到電路的完全保護。雖然單獨采用GDT或TVS也可以達到一定的防雷目的，但將二者并聯使用能實現兩種器件抗雷擊性能的互補，更好地保護線路中的器件免受雷擊浪涌脈沖的損壞。另外，兩種器件在沒有過壓時都呈高阻值狀態，所以正常運行時對線路影響都非常小。

4 結語

本數據采集器以模擬稱重傳感器的模擬信號為輸入，內部對信號數字化采樣及預處理后，以數字形式輸出。這種傳輸方式既克服了純模擬傳輸受干擾大、傳輸短的弊端，又能避免了純數字傳輸中數字傳感器維護成本高的問題。實際應用表面，該采集器性能穩定而且維護方便。

參考文獻

[1] 丁躍清，王東，許濤，等.動態礦用輕軌衡動態稱量結果的測量不確定度評定[J].計量與測試技術，2012，39（1）：38-39.

[2] 鄭傳行.煤礦動態軌道衡系統嵌入式硬件平臺設計[J]. 工礦自動化，2014，40（223）：4-7.

[3] 鄭傳行，陳建.礦用動態輕軌衡關鍵技術研究[J].礦山機械，2011，39（7）：39-42.