基于光纤传输的矿用监测系统设计

2018-09-18赵庆伟

机械管理开发 2018年9期

赵庆伟

（同煤集团机关事务处，山西大同 037003）

1 信号采集模块硬件设计

各种信号采集模块虽然采集的信号各不相同，但硬件设计大致相同，文中分别以甲烷传感器和设备开停传感器作为代表介绍模拟量和开关量信号采集模块。以甲烷信号采集模块为例，整个模块主要由处理器单元、传感检测单元、总线接口单元、电源管理单元和显示与警报单元组成，在这些单元中处理器单元采用TI公司的低功耗的芯片MSP430F149，传感检测单元采用MC112型热催式瓦斯传感器，总线接口单元采用TI的防雷RS485总线芯片75LBC184，电源管理单元中电源管理芯片采用的是LM2676-5.0电压转换模块与AS1117直流稳压芯片，显示单元则采用GYTF018MIBOM彩色TFT显示屏[1-2]。

1.1 处理器模块硬件设计

模拟量和开关量信号采集模块的处理器模块均采用TI公司的低功耗的芯片MSP430F149。处理器单元的主要功能：分析处理采集的数据，并驱动显示模块，将数据准确显示出来，分析串口通信数据，根据接收的总线数据，把采集的数据经过处理后通过串口发送[3]。

处理器模块单元为MSP430F149最小系统，需要电源电路、系统时钟电路、复位电路及JTAG电路等。其中晶振采用的是一个4 MHz石英晶振和一个32.768 kHz的无源晶振，其中4 MHz石英晶振作为主CPU时钟，连接芯片内部的PLL倍频电路为系统运行提供时钟；32、768 kHz的无源晶振作为RTC时钟。复位电路采用专业的复位芯片MAX813实现CPU所需要的复位脉冲。

1.2 传感检测模块硬件设计

传感器监测模块根据采集信号的不同应该分为模拟量传感检测模块和开关量传感检测模块两种不同的类型，这里仅以甲烷检测模块和设备开停模块作为两种类型传感检测模块的代表作介绍。其中甲烷传感器作为模拟量采集模块的代表，所采用的甲烷检测传感探头为MC112型热催式瓦斯传感器。其输出信号经放大调理电路处理后将检测信号放大并转换成0～3.3 V的电压信号，然后将这个电压信号传送到A/D转换芯片，A/D转换电路将输入电压转换为数字信号并传送至相应模块的处理器单元，再通过处理器单元的解析转换为标准数值予以显示。

1.3 电源管理模块硬件设计

信号采集模块中各元件正常工作所需要的电压有5 V和3.3 V。3.3 V主要用来给处理器模块的MSP430F149提供电源，同时也为液晶显示模块提供电源。5 V则供给其他的工作模块，比如RS485总线控制芯片75LBC184和时钟控制芯片DSl302等。

在电源管理模块中实现18～5 V直流电平变换所使用的是LM2676-5.0。实现5～3.3 V电平变换采用的是LM1117-3.3。LM1117是一个低压差电压调节器系列。其电路如图1所示：

图1 信号采集模块电源管理单元电路图

1.4 总线接口设计

信号采集模块与光纤以太网传输模块之间通过RS485总线进行通信，而矿用系统的RS485接口需要具有很好的抗干扰能力与安全性，同时，通信信号的指示也必不可少。所以RS485总线接口芯片采用了由德州仪器生产的75LBC184通信芯片，其功耗低，抗干扰能力强，同时具有防雷功能，工作温度范围从0～70℃，最高传输速率为250 kbit/s，最多可以连接128个相同的485通信设备，非常适合作为矿井下的RS485总线通信芯片。

1.5 显示与警报单元硬件设计

信号采集模块不仅能将信号进行采集外，而且还能对检测信号进行全面的监测，需要将采集到的信号以恰当的方式展现出来，即要做到采集信号的实时显示以及检测量超标的声光报警，这些功能都是矿井安全监测系统国家相关行标文件的明确要求。本模块采用的显示单元采用的是GYTF018M1BOM彩色TFT显示屏。其屏幕尺寸为1.77英寸，分辨率为128×160，色彩支持为RGB Stripe，最大色深 18 bit。

信号采集模块声光报警部分也是整个系统不可或缺的重要部分，此单元采用了高音量的蜂鸣器作为报警声源以达到报警声音强度的要求，而光报警则是采用了高亮度的发光二极管以达到报警光强的要求。

2 光纤以太网传输模块硬件设计

光纤以太网传输模块的主要功能是实现不同接口之间数据的转换，通过RS485总线与信号采集模块通信，同时也可以通过光纤与光纤以太网进行通信。主要由处理器单元、总线接口单元、光纤以太网接口单元、电源管理单元和显示单元组成，其中处理器单元采用的是基于ARM920T的16/32位RISC嵌入式处理器S3C2440芯片，总线接口单元采用的也是11的RS485总线防雷芯片75LBC184，电源管理芯片采用的也是是LM2676-5.0电压转换模块与AS1117直流稳压芯片，显示单元采用ZQ3506-V0彩色TFT显示屏[4]。

2.1 处理器单元设计

处理器单元可以看成是S3C2440的最小系统。此外处理器单元还包括了组成最小系统必须的相关元件，主要有SDRAM存储器、Flash存储器、系统晶振以及复位电路等。其中SDRAM存储器采用使用了32 Mbytes的SDRAM芯片（型号为：HY57V561620FTP），一般称之为内存，其最大数据传输宽度可达到100 MB/s，满足系统需求。

2.2 总线接口设计

总线接口与信号采集模块相同，相比信号采集模块只需要将75LBC184的TTL电平信号端与S3C2440的串口0连接，而RS485信号端与信号采集模块的RS485信号端口相连便可以实现与信号采集模块的RS485总线通信。

2.3 光纤以太网接口设计

以太网接口部分采用DM9000来实现以太网通信功能。光纤收发部分主要包括光电介质转换芯片和光信号接口，光电转换芯片采用的是IP113c。

2.4 电源管理单元硬件设计

与信息采集模块相同，光纤以太网传输模块也是通过矿用本安电源供电，即需要通过18～5 V的直流电平变换，同时为了提供系统各模块工作要求的电压，还需要5～3.3 V以及5～1.8 V的电平变换。其中实现18～5 V直流电平变换所使用的也是LM2676-5.0，其电路连接方式与信号采集模块一致。实现5～3.3 V以及5～1.8 V的电平变换采用的是LM1117-3.3和LM1117-1.8两款电压转换芯片。

2.5 显示单元硬件设计

本模块的显示单元采用了ZQ3506-V0彩色TFT显示屏。其屏幕尺寸为3.5英寸，分辨率为240×320，色彩支持为 RGB Stripe，最大色深 18 bit，典型像素时钟6.39 MHz，液晶驱动器为STC12LE1052-351-SOP20。

3 光纤传输系统设计

以太网信号输系统是整个矿用监测系统信号传输的主要通道。其采用的传输标准以及拓扑结构会直接影响整个系统的信号传输性能，而由于矿井下环境复杂，干扰因素较多，整个系统的拓扑结构和抗干扰性能便成为了基于光纤传输的矿用监测系统需要注意和改进的关键。通过分析本系统采用了单模光纤作为系统传输的主要介质，而光纤以太网的拓扑结构则采用以太环网的形式，达到以太网双向自愈的性能要求，以保证矿井下信息传输的可靠性[5]。

3.1 光纤传输架构设计

矿用监测系统用于传输信号主要是通过光纤以太网系统。本系统根据需求和现在以太网系统发展状况，采用100 Mb/s快速以太网标准的子类100BASE-FX。本系统采用以太环网结构来组建系统光纤传输路线，以太环网（又叫环网）是由一组IEEE 802.1兼容的以太网数据传输节点组成的环形拓扑网络结构，每个节点通过基于802.3媒体访问控制的环端口与其他两个节点相连，而以太网MAC结构能够通过SDHVC、MPLS的以太网伪线技术等来实现，从而使得系统内各节点间可以通过以太环网进行两两通信。

除了采用性能优良环网外，要组成光纤以太环网，以太网通信介质的选择也很重要。光纤即为光导纤维的简称。光纤通讯是以光波为载频，以光导纤维为传输媒介的一种通信方式。

光纤以太网的传输介质可以选择单模光纤和多模光纤。要保证数据传输的有效性，正常情况下多模光纤的最大传输距离为2 km，而单模光纤的最大传输距离最大则可以达到40 km。由于矿井下设备之间的距离比较远，有时甚至长达10 km左右，所以本系统选用单模光纤作为通信介质，以保证信号的衰减在可接受的范围之内。从而从系统信号的传输介质上，保证了系统信号传输的稳定和安全。

光纤环网通过多个光纤环网交换机的光纤接口通过光纤进行环形连接形成，这种结构不仅可靠性高而且成本相对较低，是实现矿用传输系统理想的传输系统架构。

3.2 光纤环网组成单元设计

光纤传输以太网采用的是矿用本质安全型光纤环网交换机，因现在常用的以太网交换机不具有环网交换功能，若将其连接成以太环网将会在整个系统中形成广播风暴，是整个系统的信号传输崩溃。若是采用环网交换机则不会出现这样的问题，而且这样的网络结构具有信号传输可靠，传输量大以及系统冗余性能好等其他结构所不具备的优点。当多个环网交换机形成环网后，如果其环结构上其中一段链路断开，系统会做出自动的网络链路自动选择以生成新的链路连接，而不会对网络系统上的数据传输造成影响。因此本系统引入了矿用环网交换机。这种交换机可以通过连接与之相邻的交换机上的环网接口并以手拉手的形式组建环形网络。本系统所采用的每个交换机模块至少应具有两个以上的光纤接口以组成环网，并且应留有备用接口和其他设备的光纤扩展接口。矿用交换机也应该具有多个RJ45以太网接口以便其他矿井下设备的联网。