煤岩应力监测系统井下监控分站的设计

赵 健

(泰山学院物理与电子工程学院，山东泰安 271021)

1 引言

基于CAN总线的煤岩应力动态监测系统是一套高度自动化的分布式远程监测系统，可连续动态监测矿井下各个区域内的煤岩应力状态、分析处理采集到的数据、记录与显示监测结果.本系统包括井上监控服务器、井上监控主机、井下监控分站、CAN总线传输网络等功能模块.井下监控分站负责煤岩应力的测量、存储、显示、传输和报警功能;通过CAN总线传输网络将煤岩应力状态的实时数据传送到井上监控主机;井上监控主机将收到的数据进行整理，发送给井上监控服务器，并能脱离服务器独立运行;井上监控服务器对数据进行处理，并实时显示，供监控人员查询和管理.本文主要介绍井下监控分站的设计.

2 监控分站的组成

监控分站硬件模块主要包括:微控制器、煤岩应力测量装置、多路开关、信号放大器、A/D转换器、键盘、LCD显示模块、数据存储器、CAN总线接口、报警电路、“看门狗”电路、电源电路等，其结构框图如图1所示.

3 监控分站各模块设计

3.1 微控制器模块

监控分站采用基于ARM7的32位微控制器LPC2103，完成整个监控分站的控制任务.外围电路包括:监控电路、掉电存储电路和矩阵键盘等.

LPC2103是飞利浦公司生产的高性能微控制器，最高工作频率可达到70MHz，内部资源丰富，具有8K字节的数据存储器，能够满足程序运行期间数据存储的要求，32K字节的程序存储器，存储系统代码;芯片内部设计了实时时钟、定时器和计数器，无需外部扩展;芯片具有32条可承受5V电压的通用输入输出接口，还扩展了I2C接口、串行接口、SPI接口等新型接口，方便连接外设;芯片支持在线调试技术，通过ISP下载线可实时调试.

微控制器外部连接了MAX813L“看门狗”定时器，作为监控电路监测微控制器的运行，防止外部干扰导致系统死机而引发事故.

系统将监测数据和设定信息存入E2PROM，防止因掉电造成数据丢失，采用了具有I2C接口的32KB存储器AT24C256.

图1 监控分站结构框图

3.2 电磁辐射信号接收

根据煤岩变形产生电磁辐射的理论［1］，受载煤岩体变形及破裂时能够产生电磁辐射，煤岩中应力越高，变形破裂过程越强烈，电磁辐射信号越强.系统通过测量电磁辐射强度，来确定煤岩应力状态.测量电磁辐射信号的基本过程:煤岩产生的电磁辐射信号由接收天线接收后，送井下监控分站的信号调理放大电路，经过高精度A/D转换后送微控制器处理.

煤岩变形产生电磁辐射主要在1～500 KHz频段内［2］，系统中的电磁辐射接收天线采用1～500 kHz的宽频带、定向、非接触式天线.

3.3 信号调理放大电路

天线接收的电磁辐射信号极其微弱，幅度为毫伏级的频率信号.在外部干扰和传感器自身噪声的情况下，单独依靠传感器无法识别电磁辐射信号.因此，只有在有效控制噪声干扰的前提下，将信号放大到需要的级别才是有效的.信号调理放大电路原理图如图2所示.

图2 放大电路原理图

前置放大器的噪声系数决定了整个放大电路的噪声系数［3］，对于毫伏级的微弱信号，专门采用分立元件进行了设计.

带通滤波电路用来保留频率在1～500KHz之间的信号.因此滤波器的通带范围设计为1～500KHz，它由高通滤波器和低通滤波器组成.实际采用的高通滤波器如图3所示.其中高通滤波器截止频率为1KHz，采用的是单端反馈高通滤波器电路，由运放LF356和分离的R、C元件构成.为了降低信号调制频率以外的高频干扰信号，加入了此低通滤波器将之滤除.低通滤波由具有极低的失调电压与温漂、低输入偏置电流、低噪声、低功耗的单运放集成电路OP1177和R、C元件构成二阶压控有源低通滤波电路，低通滤波电路如图4所示.

主放大器由集成电路AD603及外围增益调整电路组成，主放增益可以由键盘设置，主放大电路实现信号由毫伏级放大到伏特级.

图3 高通滤波电路

图4 低通滤波电路

3.4 A/D 转换电路

A/D转换电路采用12位分辨率的高精度A/D转换器MAX1275，对主放大器输出的模拟量进行采样，将模拟量转换成微控制器易于处理和传输的数字量.由于主放大器增益可调，可以将放大的输出信号控制在0～5V范围内，MAX1275允许模拟输入信号电压为－0.3V ～ +5.3V(参考地电压0V，电源电压+5V)，满足信号幅度要求.电磁辐射信号的频率为1～500KHz，根据采样定理，采样频率要大于被采样信号带宽的2倍，也就是采样频率必须至少是信号中最大频率分量频率的2倍，MAX1275采样率为1.8Msps，满足这一要求.

3.5 CAN总线传输接口

在CAN总线的传输接口设计中，使用的主要器件包括:CAN控制器［4］SJA1000、CAN驱动器PCA82C250、高速光耦6N137和DC/DC隔离电源B0505S－1W.具体电路如图5所示.

图5 CAN节点电路图

CAN控制器SJA1000(U2)和LPC2103(U1)的连接关系:数据线AD0～AD7连接至P0.17～P0.24;中断申请端INT连至P0.14(EINT1);片选端CS连至P0.13.

SJA1000(U2)的XTAL1、XTAL2外接16M晶振;模式选择端MODE接高电平，工作在Intel模式;RST复位端外接独立复位电路，由10k电阻(R3)和22uF电容(C6)组成.

DC/DC电源隔离器B0505S－1W(DC－DC)的1(VCC)、2(GND)引脚分别连接 SJA1000(24)、6N137(U4)的输入端、6N137(U5)的输出端的电源和地线;隔离输出3(VCC2)、4(GND2)引脚连接至6N137(U4)的输出端、6N137(U5)的输入端、82C250(U6)的电源和地线.

通过高速光耦6N137(U4、U5)将CAN控制器SJA1000(U2)的TX0和RX0与CAN收发器82C250(U6)的TXD和RXD进行电气隔离，使得CAN总线节点的抗干扰能力大大加强.为了使82C250(U6)免受过流的冲击，将82C250(U6)的CANH和CANL引脚分别通过电阻(R4、R5)与CAN总线相连.

3.6 电源模块设计

监控分站采用KDW17通用本质安全型不间断电源［5］，它可以在瓦斯、煤尘爆炸等危险环境中使用.本电源具有三路12～24V本安电源输出，并有二组继电器控制隔离输出回路，用于向本质安全型设备提供本安直流电源，同时可用于断电控制.监控分站各模块中:微控制器LPC2103需要+3.3V和+1.8V电源;MAX1275、CAN接口需要+5V电源;光报警电路需要+9V电源;声报警模块需要+5V和+9V电源;放大器需要+5V和－5V电源.监控分站电源电路如图6所示.

图6 监控分站电源电路图

4 总结

系统通过测量煤岩变形产生的电磁辐射信号来确定煤岩应力状态，测试结果准确可靠，并且精度高.同时，系统将CAN总线技术引入了煤矿安全监控系统，利用CAN总线的高度灵活性以及强大的通讯功能将井下的监测仪表的数据上传至井上远端的监控服务器，可以实现对井下煤岩应力参数的全面、实时、动态的监控.井下监测仪表装置硬件采用微控制器进行了设计，微控制器系统软件运用结构化设计思想，进行了模块化设计，并验证了该模型在实际生产过程中的正确性和可靠性.

［1］肖栋，贾慧霖，李忠辉，等.电磁辐射与声发射矿井综合信息采集系统设计［J］.煤炭科学技术，2009，37(4):82－84.

［2］窦林名，何学秋.冲击矿压危险预测的电磁辐射原理［J］.地球物理学进展，2005，20(2):427－430.

［3］谭超，董浩斌.低频μV信号放大器的设计与制作［J］.电测与仪表，2007，44(11):55－57.

［4］孔莉芳，张虹.CAN总线在安全监控系统传输中的应用［J］.微计算机信息，2008，24(1－2):43－44.

［5］黄自伟，崔玉亮，闫相宏.矿用测试仪器设计［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1996.