基于多總線結構的低功耗全數字光口分站關鍵技術

孫曉東

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；3.沈陽煤炭科學研究所有限公司，遼寧 沈陽110011）

目前煤礦安全監控系統在通訊方面多采用RS485 通訊方式或CAN 通訊方式，RS485 通訊方式居多[1]。結合2 種總線的優勢，設計一款基于多總線結構的全數字光口分站。為緩解CPU 工作壓力，采用雙CPU 分別對下進行數據巡檢，對異控及對上進行CAN 或光口進行數據傳輸[2]，為了規避井下光纖在分站級聯時容易斷纖，及熔纖繁瑣等，增加了VDSL 延長器替代光纖，合理分配總線方案，為CPU減負增加系統健壯性。

目前市場上分站浪涌脈沖群等級主要受限在分站功耗上。市場上的監控分站多采用3.5 寸或4.3寸串口組太串口屏，雖然功能齊全、開發簡單，但采用Cortex-M3+FPGA 架構居多[3]，其功耗均在4 W以上，導致分站在啟動瞬間浪涌沖擊大電源瞬間保護，加入網光口功能后，在電磁兼容實驗中導致分站重啟無法達到更高電磁兼容等級。通過自主開發單片機液晶屏實現了功耗僅0.3 W 的人機交互功能，將人機交互功耗降低了13 倍。利于系統達到了較高電磁兼容等級。

1 分站總線結構方案

分站總線結構框圖如圖1，對傳感器采集采用RS485 方式，異控采用CAN、VDSL 嵌入式以太網延長器或光纖，分站接環網交換機采用光纖實現AQ6201-2019 和AQ6201-2016 對煤礦安全監控系統分層架構及通訊性能要求[8]。且各個部分分模塊化設計，便于現場插拔式維修替換及新品快速開發和生產。

圖1 分站總線結構框圖Fig.1 Block diagram of substation bus structure

目前在煤礦井下CAN 總線和RS485 總線是安全監控系統分站與傳感器之間通訊的主流總線，總線布局的合理性決定系統架構的穩定性。2 種總線在低速和高速傳輸距離上相差不大；在總線利用率上RS485 為主從結構，而CAN-BUS 為多主從結構，多個節點發送時，以發送的ID 號自動進行仲裁，這樣可以實現總線數據不錯亂，1 個節點發完，另1 個節點監測到空閑立刻發送，總線利用率高，實時性高；在錯誤幀監測機制上，RS485 只規定了物理層而沒有數據鏈路層，對錯誤無法識別，易造成1 個節點損壞，總線網絡癱瘓，而CAN 控制器具有錯誤幀檢測，適時關閉總線；綜上，CAN 總線在諸多方面都優于RS485 總線。

但在煤礦井下作業中，工業現場安裝方面，由于整體線纜非常多，井下多使用本安接線盒進行接線方便維護，因此分支不可避免，多采用T 型分支式連接。現場施工1 條CAN 總線在5 K 波特率時，由于分支在累計長度超過40 m 后可能存在不穩定運行情況，而限制礦工在安裝時的便利性，RS485 不存在以上要求；CAN 總線布線時必須采用雙絞線，且需采用特征阻抗約120 Ω 的雙絞線，在通信距離較長或電磁環境惡劣的情況下最好用屏蔽雙絞線，這樣可以有效抑制電磁干擾，保證可靠通信，RS485 總線在抗干擾方面采用主從方式，誤碼率相對低，對線纜要求較小；由于現場分支存在長度不一，累積計長度會造成總線上阻抗不連續，繼而產生信號反射的現象，為保證通信可靠性，其實赫末端節點都需要加終端電阻，且必須兩端都接且阻值大小會影響電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗通過等級，而RS485 在施工上為提高性能在方面程度上要優于CAN 總線，且容無需兩端都加終端電阻，容易匹配且容易過高等級電磁兼容。

由于AQ 6201—2019 煤礦安全監控系統通用技術要求5.11.2 提到“系統應能通過GB/T 17626.4規定的嚴酷等級為2 級的電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗，評價等級A[4]。”即分站與分站通訊CAN 或485 或以太網連接時不允許系統各單機設備出現死機、復位、掉電現象；數據通信不能異常；就地、遠程、異地控制功能不能異常；不能出現誤動作、誤報警、異常大數、顯示亂碼現象，符合A 級判定[5]。因此當分站與分站通過以太網連接時會出現網口在脈沖群實驗時很難過等級A，通過在網絡變壓器增加抗電磁兼容器件，經示波器觀察信號易出現畸形，影響通訊穩定性。因此采用VDSL 替代方案[6]，通過增加TVS 和防雷設計較容易通過高A 等級實驗，且非屏蔽雙絞線可實現3 km 穩定距離[7]，解決了以太網超過100 m 不穩定及光纖熔纖繁瑣易斷等問題。

2 分站降功耗人機交互關鍵技術

屏幕功耗直接影響分站整機功耗及上電浪涌對電源沖擊，為此設計了低功耗液晶電路, 低功耗液晶電路原理圖如圖2。

圖2 低功耗液晶電路原理圖Fig.2 Low power liquid crystal circuit

市場上選3 款串口組太屏分別與煤科集團沈陽研究院有限公司生產的KDY1140/19B 礦用隔爆兼本安型直流電源相連，在電路未處理時上電瞬間直接將電源輸出拉低至屏幕最低啟動電壓以下，導致屏反復起動，雖然加電路可以處理沖擊，但其運行時功耗較大，在做電快速脈沖群實驗室及浪涌實驗室導致分站重啟異常。為此選用3.5 寸320*480 分辨率的點陣彩色TFT 液晶屏進行設計，經測試其點亮時最大功耗僅為3.3 V，45 mA，通過對其進行串口化設計，雖編程復雜，但功耗下降明顯[9]。

圖2 中T5電路采用DS1302 時鐘芯片，將時間日期設計在屏幕上，可以節省主控單片機工作量，增加了系統的健壯性；T5為紅外遙控電路，用來遙控進行菜單操作和解鎖控制、配置等信息；圖2 中T3為字庫芯片，用于實現對漢子、字母、字符等進行提取，屏幕顯示，采用字庫芯片避免了字模生成，方便漢字提取；T4為數據存儲電路，采用鐵電存儲器，其零延時存儲，提升了系統穩定性，能夠解決礦用產品外部存儲延時不夠經常存儲丟失的問題，圖中采用IIC 接口與主控單片機U1進行數據交互；圖2 中T7為供電管理單元；核心控制單元采用超微功耗單片機并結合T4存儲器，進行UI 設計。

3 型式試驗

1）信號總線電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗。分別對分站間的CAN 通信互連線、分站與傳感器間的RS485 通信互連線、電源與分站間的RS485 通信互連線等信號互連線（容性耦合鉗）進行測試[10]，以測試電壓：1 kV（峰值）；脈沖前沿：5/50 ns（Tr/Th）；重復頻率：100 kHz；持續時間：正、負各1 min 進行測試。試驗中，系統各單機設備工作正常，未出現設備死機、復位、掉電現象；數據通信未見異常；就地、遠程、異地控制功能未見異常；未出現誤動作、誤報警、異常大數、顯示亂碼現象，符合A 級判定。

2）信號浪涌(沖擊)抗擾度試驗。分別對分站之間的CAN 信號互連線、礦用本安型監控分站之間的CAN 信號互連線、分站與傳感器之間的RS485 信號互連線等進行測試，以以試驗電壓：4 kV（峰值）；波形參數：1.2/50 μs；浪涌次數：正負各5 次；脈沖間隔時間：20 s 進行測試。試驗中，功能和性能水平出現下降或失效，但試驗結束后系統無需人為干預即可自行恢復正常功能和性能水平，符合B 級判定。

4 結 語

設計了基于多總線結構的低功耗全數字光口分站，重點論述了分站降功耗人機交互關鍵技術。多總線結構的低功耗全數字光口分站，將開關量、控制量全部數字化設計，所有的井下分站至中心站的傳輸都是數字化，所有模擬量傳感器、開關量傳感器、斷電器至分站的傳輸都是數字化。通過設計替換市面上安全監控系統分站采用的組態串口，降低了分站整機功耗，經測試驗證，降功耗后利于提高電磁兼容，該分站組件系統通過電磁兼容水平高于標準要求；通過VDSL 嵌入式以太網延長線的應用，解決現場光線易斷、以太網傳輸距離受限問題；結合CAN 總線、RS485 總線在現場使用優勢，合理搭配，增強了系統的健壯性。