适用于煤矿生产的多功能检测控制装置的电路设计

于振飞

（中煤平朔集团有限公司井工二矿，山西 朔州 036006）

0 引言

煤矿的安全问题一直受到关注，但对安全检测控制设备的研究开发却是近几年才开始被重视。我国煤矿的检测控制技术应用较晚，主要通过技术引进的方式发展起来。20世纪80年代后，我国先后从国外引入数十套综合型监控系统，如英国的MINOS系统、法国的CTT63／40系统、德国的TF-200系统等。同时，结合我国煤矿的实际情况，先后研制了KJZ、KJ4、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75等监控系统。然而，我国煤炭安全检测控制设备一直未受足够重视。从系统集成来看，有关安全检测控制设备的自动化水平相对较低；从产业角度来看，目前煤矿行业安全生产软硬件研发和服务保障系统相对滞后，研发力量薄弱，适合煤矿行业特点和需求的软硬件与电子专用设备、仪器目前仍比较缺乏，还难以满足煤矿安全生产的需求和技术升级的需要。

本文研究的多功能检测控制装置即煤矿工业生产中的一种嵌入式电子设备，它用于循环采样煤矿企业一些通风设备的周围环境温度，并将检测到的数据信息进行处理和显示，供使用者查看实时信息。而且通过使用相应的传感器，该装置不仅可以采集温度信号，还可以采集压力、流量等物理量。开发这样一个多功能检测控制装置，一方面在功能上要满足煤矿工业生产环境的需要，另一方面在稳定性、精确性、通用性方面都有严格要求。因此，该装置的研发不仅局限于满足某个生产环境的需要，它还可以运用于将来更多场合的项目中，比如冶金工业、石油石化工业、纺织业、造纸业等。在本装置的基础上来完善其功能，可以开拓更为广阔的应用前景。

1 检测控制装置的硬件设计

1.1 系统框架

本装置采用S3C2440A核心板，底层电路需实现的功能包括12路Pt100温度传感器的循环采集、采用TCP／IP协议与上位机进行通信、2路4～20 m A通用变送器的数据采集、添加主从USB口和串口以及CAN接口等常用端口等。整体结构如图1所示。

在本装置的功能设计中，以S3C2440A核心板为系统的控制中心，通过它的GPIO口来循环采集12通道Pt100温度传感器电路和2通道4～20 m A变送器电路的输入信号；S3C2440A核心板通过对采集到的数据进行分析和处理，输出相关的数字量信息，通过基于IIC总线的DA电路转换为模拟量，来实现对外围设备的调节控制；主从USB口、串口等常用接口用于下载WinCE操作系统内核镜像文件和连接移动存储设备；本装置还可以通过TCP／IP协议和上位机进行通信，将采集到的实时数据传输到上位机界面进行显示和绘制变化曲线，供使用者随时监测各通道的当前状态。

图1 系统硬件结构框图

1.2 硬件设计

1.2.1 电源电路和掉电保护电路

本系统设计的电源电路和掉电保护电路分别如图2和图3所示，由于底层电路的AD7705芯片和74HC4051等芯片需提供5 V工作电压，而核心板需提供3.3 V工作电压，为此，在图2中采用可负载1.5 A电流的低压差线性稳压芯片AS1117AR，该芯片可以实现5 V转3.3 V的功能。同时为了防止电路不稳定造成电源电路的电流过大烧坏核心板，使用一个50 m A的保险丝，以起到保护的作用。图3中的掉电保护电路部分采用RTC电池，从图中电路可知，当电源电路断开连接时，由备用电池给核心板的VDDRTC引脚提供3 V左右的电压，它的作用在于当核心板处于掉电模式时，备用电池可以使WinCE系统保存一些设置信息和时间的同步信息。

图2 电源电路的设计

1.2.2 基于IIC总线的DA电路

图3 掉电保护电路的设计

本装置中的DA电路用于实现反馈调节作用。核心板提供外围电路的控制数字信息，经过DA电路转换为相应的模拟量输出来调节外部设备的电压，改变其工作状态，再采集它的相关参数来实现闭环控制的作用。DA电路部分如图4所示，该部分电路采用基于IIC总线通信方式的MAX517芯片，它是单通道的2线串行8位数字模拟转换器（DAC），允许在多个设备之间进行通信。MAX517采用5 V电源供电，它的内部精密缓冲区允许DAC输出轨到轨，输出电压的范围可为0～5 V。由于该芯片采用5 V供电，当使用IIC总线和核心板进行通信时，需要采用3 V和5 V电平转换电路才能正常工作。

图4 DA电路的设计

2 系统性能测试和分析

本装置的输入通道部分采用Pt100铂电阻三线制接法，3根输入导线的长度相同，这样能够有效消除现场到控制室之间数十到数千米的导线对测量造成的影响。固态继电器电路用于控制12路Pt100温度传感器输入通道的选通和断开状况，其控制方法是通过S3C2440A核心板的GPIO输出引脚的高低电平来决定哪路固态继电器导通。本装置设计的采集方式为12路输入通道循环导通来采集数据，循环周期为100 ms，每隔1.2 s所有通道都被采集1次。装置的WinCE操作系统界面将显示采集到的每路Pt100的电压值，单位为m V。由于Pt100分度表中的温度和阻值是一一对应的，根据这个对应关系，只需将Pt100的电压值转换为电阻值，就可以对应得出温度值。通过这个转换关系，可在上位机界面显示Pt100温度传感器所在工业环境的温度值。

为了方便实验的测试过程，选用阻值为100Ω的电阻和量程为200Ω的变阻器来代替Pt100铂电阻，并分2个部分对系统进行测试。

（1）在第12路Pt100输入通道接入100Ω的电阻，在WinCE应用程序中选通第12路通道，实验板上的读取结果为183 m V。由此可知，本装置实现了选择通道、采集数据、传输数据到上位机这3个功能。

（2）在第1路Pt100输入通道接量程为200Ω的变阻器，在WinCE应用程序中选通第1路通道，调节变阻器的阻值分别为93Ω、97Ω、105Ω、108Ω、116Ω、120Ω、125Ω、131Ω，查看实验结果，给出了阻值为93Ω、105Ω时PC机界面上采集到的温度值。实验数据及误差分析如表1所示。

表1 系统测试的1组数据

由表1中的测试结果可以分析出本装置在输入电阻为93～131Ω之间时，检测到的最大温度相对误差为1.64%，最小误差为1.08%，这样的效果是符合本项目设计要求的。从本装置的实际应用考虑，当Pt100铂电阻处于煤矿生产环境中时，其周围环境的温度变化使铂电阻的阻值在90～130Ω之间变化，而这个区间的电阻值输入信号用本装置来进行实时采集和转换后，可以使误差维持在1.7%以下，因此，在精确性方面装置是满足要求的。通过以上2个实验的结果可以得出结论：该装置实现了多路Pt100温度信号输入的循环采集功能，具有实时监测作用。

3 结语

本文完成了设计和研究煤矿用多功能检测控制装置的工作，包括从电路原理设计到软件程序编写，再到电路板调试和测试的整个流程。本装置采用体积小、性价比高、功能完善的ARM芯片S3C2440A作为微处理器，以目前流行的WinCE5.0系统作为装置的操作系统，并且实现了与PC机的TCP／IP通信功能。通过底层电路的设计本装置可以循环采集多路信号，并实时显示在WinCE的界面和PC机的Windows界面上。实验证明，该装置工作正常、系统稳定、精确性较高，适用于煤矿工业生产环境，达到了预期效果。

［1］Zhang Fang，Xu Xuezhong，Liang Xubin，et al.Embedded Helicopter Target Recognition System Based on ARM［J］.Application of Electronic Technique，2009（4）

［2］张晓伟，刘盼盼.ARM嵌入式系统设计原理与开发实例［M］.北京：电子工业出版社，2008

［3］李山，杨波.基于 WiFi的环境监测系统设计［J］.软件，2011（1）