基于LPC1778的六路RS485总线煤矿安全监控分站的研究

徐士敏 樊晓明 李波

【摘要】本文提出了一种基于LPC1778的六路RS485总线的煤矿安全监控分站的详细设计方案，能够为目前煤矿现场的采煤工作面和掘进工作面传感器提供远距离供电，同时能够减少煤矿现场的多个传感器的用线数量，该分站具备七路电源输入和六路RS485总线接口，与子设备通信的每路RS485接口都配套电源输出。该分站的应用能够提高煤矿安全监控系统的可靠性，降低煤矿企业的生产成本。

【关键词】监控分站;远距离;采集;总线接口

引言

随着采煤技术的进步和大型煤矿的发展，煤矿掘进工作面和采煤工作面不断的加长[1]，超过3km的掘进工作面和采煤工作面已经比比皆是。《AQ6201煤炭安全监控系统通用技术要求》规定，传感器及執行器至分站之间的传输距离应不小于2km，众多安全监控系统生产厂家对传感器与分站的传输距离和供电距离定为2km，超过2km后，很难保证传感器的正常稳定工作，同时由于工作面所需采集参数众多，所需接入传感器数量大，传感器多采用三线制或四线制频率传输的方式，导致工作面的布线成本大大增加。为了解决煤矿现场出现的以上问题，提高传感器的工作稳定性以及减少工作面的布线数量，本文对多路RS485总线的煤矿安全监控分站进行研究，其主要特点是具备七路本安电源输入和六路RS485总线接口（其中四路RS48接口是与数字型传感器关联使用），与传感器配合使用的每路RS485接口均具备独立的24V电源输出，为总线型传感器的远距离供电提供动力保障。同时由于分站采用RS485总线接口与传感器连接，其一根四芯线缆可以接入多个传感器，大大减少了工作面的布线数量，降低煤矿企业生产成本。

1.组成模块

分站采集各频率、开关量、总线型传感器的参数后，通过传输接口将这些参数传送至地面的计算机，计算机通过监测软件将这些环境参数以及设备工作状态，展示给地面的工作人员，从而完成监测的功能[2]。同时，分站按照采集到的环境参数及接收到的控制逻辑，通过控制执行器对被控制设备进行实时控制，从而完成控制功能。按其功能主要由：通讯模块、频率数据采集模块、开关量输入输出模块、RS485接口扩展模块、电源模块、数据存储模块、人机交互模块、嵌入式软硬件模块[3]部分组成。其硬件组成模块框图如图1所示。

图1 分站硬件组成模块框图

2.硬件电路详细设计

2.1 输入输出电源设计

具备7路独立电源输入接口，其中1路用于分站自身供电，其余6路用于对外的频率端口和RS485端口电源输出。对外部输出的6路独立输入电源进行管理及保护设计，提供12路电源输出，分别提供给4路模拟量接口、4路开出控制接口、4路RS485接口，其中4路模拟量接口共用1路电源、4路开出控制接口共用1路电源、4路485接口各用1路电源。对模拟量接口及开出控制接口实现过流保护[4]、电源控制、状态输出，其所有电源输出端口具有抗浪涌、群脉冲能力。分站输入输出电源设计原理框图如图2所示。

图2 分站输入输出电源设计原理框图

2.2 频率量和开关量输入端口设计

可以接入8个频率量（或开关量）传感器，频率量和开关量输入口采用兼容设计，数据采集模块完成频率信号、开关量信号信号的隔离、转换及整形，具有抗浪涌、群脉冲能力，输出信号供最小系统采集。输入端口采用TVS保护器件，提高抗浪涌和群脉冲能力，采用信号电流驱动光耦隔离，光耦后端采用施密特触发器对频率信号整形。频率量和开关量信号采集原理框图如图3所示。

图3 频率量和开关量信号采集原理框图

2.3 RS485总线接口设计

具备6路独立的RS485总线信号通信模块，各路RS485信号互相隔离。端口采用TVS、共模线圈等保护器件，提高抗浪涌和群脉冲能力，UART与RS485接口芯片相互隔离，采用不带隔离功能的RS485接口芯片加外部光耦隔离等方式实现。RS485总线接口设计原理框图如图4所示。

图4 RS485总线接口设计原理框图

2.4 开关量输出端口设计

通过隔离、驱动电路，完成4路控制信号输出。处理器输出信号驱动光耦隔离，光耦后端采用三极管驱动信号输出。输出端口采用TVS保护器件，提高抗浪涌和群脉冲能力。开关量输出端口设计原理框图如图5所示。

图5 开关量输出端口设计原理框图

2.5 人机交互模块设计

显示采用单色320×240点阵图形液晶显示模块、2个红/绿LED指示灯用于指示电源及分站运行、H38V3V红外接收采用芯片、五维薄膜按键，实现文字及数据信息显示、电源及通讯状态指示、红外遥控接收及按键输入功能。人机交互模块设计原理框图如图6所示。

图6 人机交互模块设计原理框图

2.6 最小系统设计

通过串行FLASH芯片AT45DB321D，完成4M Bytes数据的存储;通过芯片CAT1161完成外部看门狗及EEPROM的存储功能;通过恩智浦LPC1778处理器作为主控芯片实现数据处理、控制、逻辑运算、存储、系统掉电时钟管理等功能，与其他外围电路模块一起，实现频率信号和TTL电平信号采集、485通讯控制、控制信号输出等功能。最小系统设计原理框图如图7所示。

图7 最小系统设计原理框图

3.结论

针对目前国内煤矿安全监控分站在采煤工作面和掘进工作面的应用现状与问题，本文提出了一种监控分站的设计新思路，并设计研究出一款基于LPC1778的六路RS485总线煤矿安全监控分站，改善了目前煤矿安全监控系统中传感器无法长距离供电、采掘工作面布线多的问题，降低了煤矿的生产成本。该煤矿安全监控分站已取得防爆证和安标证，且已应用到诸多采煤现场，取得了良好的成效。

参考文献

[1]申宝宏，郭玉辉.我国综合机械化采煤技术装备发展现状与趋势[J].煤炭科学技术，2012（2）：1-3.

[2]王启峰，祝国源，孙小进. 基于FPGA的煤矿安全监控系统监控分站的设计[J].工矿自动化，2010（10）：29-31.

[3]徐竟天.基于ARM9嵌入式和工业以太网的矿井瓦斯监控系统研究[M].西安：西安电子科技大学，2011.

[4]程晓洁.基于低压差电源稳压器的CMOS过流保护电路设计[M].四川：西南交通大学，2006.

项目来源：天地（常州）自动化股份有限公司横向科研项目（项目号：13SY021）。

作者简介：徐士敏（1984—），男，山东昌乐人，硕士，工程师，主要从事煤矿安全监控系统的研究。