矿井水文监测系统设计分析

2018-09-18杜国瑞

机械管理开发 2018年9期

关键词：分站寄存器总线

杜国瑞

（汾西矿业集团柳湾煤矿，山西孝义 032300）

引言

矿井水文监测系统将不同类型的传感器整合组网，然后通过信号接收转换分站将测量得到的各种水文数据传输到监控计算机上，并通过上层软件对各项水文数据进行监测分析，以达到对水文灾害的提前预警[1-3]。

1 系统总体结构

矿井水文监测系统可以分为三个主要部分，第一部分是位于底层的传感器网络，第二部分为信号转换分站，第三部分为监控计算机。信号转换分站接收各个传感器测量的数据然后再将数据转发给监控计算机，并在计算机上通过上层软件进行数据的监测、分析[4]。位于同一局域网的其他计算机也可以通过浏览器登陆监控计算机进行数据的查看和分享。系统的结构框图如图1所示。

图1 系统整体框图

每个信号转换分站都能接入多个传感器，传感器与分站之间采用m-bus总线进行数据的接收和发送。不同类型的传感器将测量得到的水文参数（如水压，温度，流量）通过总线传输到信号转换分站。信号转换分站作为m-bus总线的主设备，智能传感器作为m-bus的从设备口1。传输m-bus总线信号所采用的电缆为四芯屏蔽线，其中两根用来传输信号，另外两根通过分站用来为智能传感器供电。而信号转换分站所需要的24 V直流电是通过矿用隔爆电源通过接入127 V的矿用照明电路转化后得到的。一般情况下每个信号转换分站都会挂载多个传感器，每个传感器都有一个唯一的地址与其对应。信号转换分站通过地址识别不同的传感器，每个传感器都分布在不同的测点，这样就能监测到各个测点的水文参数[5]。

传感器所测量的数据通过信号转换分站传输到监控计算机，由于监测的数据实时性要求比较高，所以所采用传输方式的数据传输速率要快，传输距离要远，传输稳定性要高。因此为了满足要求采用了RS485总线来进行数据的传输H1。对于分站和监控计算机距离较短的情况直接采用两芯线将分站和通信接口连接起来。如果直接引两芯线比较麻烦可以接入煤矿的电话网，在电话网的对应端口接入分站和通信接口即可。如果矿上有比较完善的光纤网络也可以借助光纤来进行传输，在分站和通信接口分别接入光端机，一个接接收机，一个接发送机，这一对收发机再接入光纤网络的对应端口。RS485通信系统的结构图如图2所示。

2 水文监测系统的各部分组成

2.1 智能传感器组成

图2 RS485通信系统的结构图

智能传感器是负责采集数据的底层设备，并且还能将采集到的数据进行处理后发送到上层的信号转换分站。

传感器部分将被测量的物理量（如温度、压力等）转换成电压或者电流，然后经过信号调理电路处理后转换为数字量送入MCU。MCU将得到的数字量进行处理然后通过通信电路将其发给总线，信号转换分站就可以通过总线接收到所需要的数据。

2.1.1 信号调理电路

因为不同种类的传感器将各种非电量转化为电量输出形式不同，所以不同的智能传感器的信号处理电路也有所不同。有的传感器可以直接输出数字量，然后就可以直接送入单片机，然后通过编程的方式对信号进行处理[3]。有的则输出为模拟量，需要通过A/D转换器转换为数字量，然后再将其送入单片机进行处理。下面以智能水压传感器为例介绍一下模拟量采集的信号调理电路。

智能水压传感器的测压探头是一个电阻随压力变化而产生变化的元件，将其与另外三个阻值已知的精密电阻组成电桥。

随着水压的变化传感器受压元件阻值就会发生变化，进而引起电桥输出端电压（UAB）发生变化。而信号调理电路要做的工作就是把电桥的输出电压转化为数字量。进行A/D转换所采用的主要元件为AD7705。

AD7705可工作在2.7 V至3.3 V或4.75 V至5.25 V电压下，内部含有六个寄存器：通讯寄存器、设置寄存器、时钟寄存器、数据寄存器、零标度寄存器、满标度寄存器。通讯寄存器用来选择模拟电压的输入通道，以及操作的目的寄存器和对目的寄存器的读写类型。设置寄存器用来进行校准模式、输入极性、增益倍数以及缓冲模式的相关设置，时钟寄存器则主要用来选择滤波器和控制时钟。

2.1.2 微控制器选择和通信电路

智能传感器选用P89LPC93作为微控制器，该芯片串口始终处于工作，而且功耗比较低，指令执行速度快，适合智能传感器这种低功耗，效率要求高的场合。这种芯片的集成度较高，有利于减少外围器件的数量以及电路板面积和成本。

智能传感器与信号转换分站之间采用的m-bus总线方式进行数据传输。通信电路主要通过TSS721芯片将单片机接入m-bus总线。这样通信电路就能适应m-bus总线的主机与从机之间不同的电压。为了防止单片机与通信电路之间相互干扰采用光耦器件6N139隔离单片机和芯片TSS721，这样以来电路的可靠性和稳定也得到了提升。TSS721可以辨别动态电平，这种动态电平辨别机制可以增加通信电路的可适用性。

2.2 信号转换分站的结构组成

信号转换分站是整个系统中起到信息集中和转发枢纽作用的重要设备，它可以将分布在不同测点的智能传感器测量得到的数据接收过来并转发给监控计算机，是连接底层智能传感器和上层监控计算机的通信节点。其整体结构框图如图5。

分站由防爆电源提供24 V的直流电压，可以分为单片机、通信模块、存储模块、显示模块、时钟模块、以及隔离模块六个部分。单片机接收传感器通过m-bus总线发送过来的数据，然后再将这些数据转发给计算机。单片机可以通过控制开关来控制的m-bus模块的工作状态，传感器的分时依次循环上电也是通过单片机发送地址匹配信息来完成的。

信号转换分站的通信模块是采用RS485总线实现通信的，通信总线主要有三种不同的实现形式。一是直接采用两线制的RS485总线方式进行通信，二是接入矿井的电话网，通过比较完善方便的电话网进行通信，还可以利用现有的光纤网络进行通信，即将分站接在光端机的发送机，然后在通信接口端接入光端机的接收机，这样就可以通过光纤网络进行通信。

2.3 通信接口结构组成

信号转换分站传送出来的信号为RS485信号，由于监控计算机没有RS485接口所以不能直接识别该信号，需要将RS485信号转化为计算机能识别的RS232信号。通信接口就是完成这一信号转化过程的设备，通信接口主要分为两大部分：信号转换电路和本安型电源电路。其结构框图如图3所示。

图3 通信接口组成框图

分站的供电由本安电源电路提供，为各个元器件提供所需电压。监控计算机发送的RS232信号进入通信接口，通信接口的信号电平转化电路可以先将其转化为TTL电平信号，然后再转化为RS485电平信号。而分站发送的RS485信号送入通信接口，就可以先转化为TTL电平信号，然后再转化RS232信号，这样就实现了分站和监控计算机之间的通信。

单片机是整个通信接口的控制和信号转换中枢，因为通信接口既要和分站通信又要和计算机通信，为了减少设计的繁琐度单片机采用了具有双串口的W77E58。

RS232/TTL电平转换电路的核心元件为SP202。SP202是一种RS232标准的收发芯片，采用+5 V供电，不仅支持RS232协议还支持V.28串行协议。SP202的传输速率比较快，可以达到至少120 kb/s的速率。芯片外围的电荷电容为0.1 μF，可以实现芯片的低功耗运行。SP202与单片机的连接方式也比较简单，SP202的T1IN和R1OUT接到单片机的TXD1和RXD1，而SP202的T1OUT和R1IN分别接到RS232的TXD和和RXD即可。由于该芯片的集成度较高，外围电路所需器件比较少，连接简单，所以抗干扰能力比较强[4]。

TTL到RS485电平转换电路所用的芯片为MAXl483。MAXl483是MAXIM公司生产的一款标准RS485接口芯片，其输入阻抗高，静态电流低，可挂载节点数量多（可达256个），适合将多个RS485设备进行组网使用。MAXl483与单片机的连接方式也比较简单，只需要将选择发送接收状态端RE和DE两个引脚连在一起，然后通过光耦元件和单片机I/O口连接，这样就可以通单片机控制其工作状态。R0和D1分别接收发送端，也通过光耦与单片机的RXD、TXD连接。

2.4 监控软件的组成与功能

监控软件安装在服务器上（监控计算机），用来显示并监测从传感器测量得到的各项水文数据，而且还可以对各项数据进行处理、分析并存储在服务器硬盘上。除此之外还可以通过监测软件对分站、传感器进行分类、命名等初始化操作，其他客户端计算机远程访问服务器也是通过监测软件来完成的。

监控计算机要作为服务器来使用，所以预装了windows 2003 sever网络操作系统，而监控软件就是基于windows开发的。软件的开发同时运用了ASP．net动态网页开发语言、JavaScript、VBScript三种不同的语言，并用SQLserver2000数据库对各项水文数据进行管理。ASP．net是一个已编译的基于．net的环境，它是功能最强大最完整的网页编辑工具。VBScript是VisualBasic script的简称，是ASP动态网页默认的编程语言，配合ASP内建的对象和ADO对象。JavaScript是一种面向对象的动态类型的区分大小写的客户端脚本语言。SOLserver2000是微软推出的一种应用比较广泛的数据库管理软件，可以比较方便的对数据进行管理和维护，在网络应用系统中的使用也比较普遍。

监控软件的研制以简洁性、实用性、通用性和易操作性等为原则，整个监控软件系统要实现众多功能，涉及多个方面，程序编制工作相当复杂，为简化系统的设计，减少错误，采用模块化设计方式。这样将整个软件分为几个不同的模块，然后再逐个模块完成，最终组合成一个完整的程序，提高了系统的可靠性和可维护性。整个软件的模块化框图如图4所示。