基于CAN总线与ZigBee的矿井下锚杆应力监测系统设计

孔德鸿

(常州大学 怀德学院,江苏 靖江 214500)

0 引言

煤炭在我国能源使用中占有重要地位,但由于不良的地质条件、复杂的存储环境以及人员管理疏忽等原因,其开采和生产过程中事故频发,给国家财产和人民安全带来了巨大的危害,其中顶板事故就属于多发类型事故。为了预防顶板事故的发生,研究顶板动态活动、实时掌握矿山压力变化十分必要。鉴于早期矿井下,用于顶板工作面的锚杆应力采集装置,多采用电缆线将检测结果传送至井下基站,使得网络布线繁杂、移动麻烦、维护不便。一旦线路破损,必然严重影响检测结果的准确性[1]。为此,本文设计了一种全新的矿井下应力监测系统。压力采集部分引入了无线射频技术,在矿井下形成了分布式无线采集网络,能够将顶板压力实时、可靠、全面地发送给井下通信分站[2]。通过有线通信技术,将接收到的压力值传送到地面监控中心。为了验证设计的合理性,本设计搭建了实验平台,对整个监测系统进行验证。

1 监测系统总体设计

监测系统主要由2部分组成:一是采集分站,主要负责锚杆应力的采集、存储及无线传输;二是通信分站,作为无线通信和有线通信的中转站,需将井下数据传输到井上的监控中心。

监测系统架构如图1所示,多台采集分站组成一个以某台通信分站为中心的网络,可以向此通信分站无线传输信息,同一个网络中的采集分站也可以相互传递信息;通信分站主要负责将下面由无线传输上来的信息通过CAN总线方式传送到终端,实现数据采集到数据上传,可方便后期对压力情况的研究分析和预测。

图1 监测系统架构

2 采集分站硬件设计

采集分站的处理器为STM32F103RB,是32位的Cortex-M3内核CPU。具有高性能、多通信接口、低功耗等优势,其丰富强大的外设资源及运算转换速率能满足设计要求。采集分站硬件结构如图2所示,在采集分站中,传感器输出信号经过调理电路后将直接送入CPU单元,由控制芯片内部自带的AD转换器进行转换。采集分站在电源管理下实现了压力数据的采集、存储、显示及无线数据传输等功能。

图2 采集分站硬件结构

2.1 传感器信号采集电路设计

系统选用南京沃天科技有限公司生产的以PC10系列OEM硅压阻式芯体为核心的传感器,该传感器需采用1.5 mA的恒流源作为激励源,当外部收到60 MPa的矿压时,输出电压仅为80 mV,所以需要经过信号调理后,方能传送给处理器进行采集。传感器信号采集电路如图3所示。

图3 传感器信号采集电路

由于PC10系列传感器内部为桥式电路,输出电压中有共模信号,所以需要对输出电压进行差分放大。因此,系统选用AD623芯片作信号放大器,这是一款既可单电源也可双电源供电的仪表放大器,对共模信号有很好的抑制能力。在AD623中,电阻R1=R2=R3=50k,输出电压与输入电压的关系如下:

(1)

由式(1)得知,AD623的放大倍数完全取决于电阻RG,这里大约需要放大30倍,所以在该芯片的1号与8号引脚之间接上了一个阻值为3.09k的电阻,同时,为了防止放大后的电压超过3.3 V而损坏主芯片,在AD623的电压输出端接上了一个二极管,当电压大于3.3 V并达到4 V时,二极管就会导通,电流从此路流走,从而保护了主芯片。为了减少射频干扰,电路中还增加了滤波电容C26、C27、C28及限流电阻R23、R25。

2.2 外部存储及时钟电路设计

采集分站中,为了预防数据传输的突然中断,需要将采集到的数据除了上传到监控中心外,还要在本台机器上做长时间的数据备份,因此需要外加存储模块、时钟模块。外部存储和时钟电路如图4所示。

图4 外部存储和时钟电路

采集分站使用美国DALLAS公司生产的高性能、低功耗的实时时钟芯片DS1302。可提供年、月、日、时、分、秒、星期等信息且具有闰年补偿功能。它采用串行通信方式,外部使用双电源供电(主电源和电池),保证系统在断电下时钟继续工作,计时不会停止。存储芯片型号为M25P16,工作电压在2.7～3.6 V,由SPI方式连接到控制器,内存2 M大小,分为32个扇区,每个扇区有64 K容量。采集过程中会考虑数据波动范围的存储,长时间不变的数据不会存入存储器,所以一般此Flash中可以保持近几个月的数据量。

3 通信分站硬件设计

系统设计中的通信分站将无线和有线通信方式功能集合于一体,实现了局域网络,将网络中的子节点采集传输的数据由CAN总线方式上传给上位机,能够在液晶模块上显示出各网络节点的具体参数。针对以上功能,设计了通信分站的硬件结构,如图5所示。从整体结构上来看,通信分站的硬件系统主要由主控制单元、CAN收发器单元、无线通信单元、显示单元等部分构成。

图5 通信分站硬件结构

3.1 无线射频模块

监测系统中的无线通信采用ZigBee射频技术,选用以STM32W108为核心的ZigBee射频模块REX3SP。STM32W108内置32位ARM Cortex-M3微处理器、128 K大小的Flash和8 K RAM等基本单元,还集成了基于IEEE802.15.4标准的无线收发器单元以及配备了适合于ZigBee底层驱动的协议库。

无线射频通信模块硬件电路如图6所示。REX3SP无线射频模块的程序下载模式选用SWD,所以将复位引脚W_nRESET、时钟引脚W_JTCK、数据传输W_PC4、3.3 V电源、接地GND分别引至端子Header 5上。为了与通信分站进行数据传输,将引脚W_RX与W_TX分别和主芯片连接[3]。

图6 无线射频通信模块

3.2 CAN总线通信电路设计

通信分站中需要将无线接收到的数据以CAN总线方式发送出去,系统使用的MCU中自带了CAN总线控制器,可支持CAN 2.0A与2.0B协议,最高通信波特率达到1 Mbit/s。外部引脚直接连接到CAN收发器ADM3053的接收和发送管脚。

ADM3053是一款隔离式CAN收发器,它基于ISO11898的标准定义了CAN物理层协议,内部集成了隔离DC/DC转换器。元件有电流限制和热关断的功能,防止输出短路。CAN总线通信电路如图7所示。ADM3053由5 V供电,VIO端提供逻辑信号电源,供电电压3.3 V(MCU电压基准)。C25是储能电容,其他电容为去耦电容。R29是动态电阻。芯片支持2种工作模式:高速模式和斜率控制模式。当R29为0时选择高速模式,此时输出信号没有上升和下降斜率的限定。

图7 CAN总线通信电路

CAN总线有主动和被动2种状态,当CAN H和CAN L两端之间的差分电压值大于0.9 V或1.0 V时,总线呈现主动状态;而当CAN H和CAN L两端之间的差分值电压小于0.4 V或0.5 V时,总线呈现被动状态。当总线为主动状态时,CAN H引脚是高电平,CAN L引脚是低电平。当总线为被动状态时,CAN H和CAN L引脚均是高阻状态,高阻状态即为电平不确定的状态。R30是终端匹配电阻,可以降低CAN H和CAN L回路中的阻抗,使CAN H和CAN L具有确定的电平[4]。

图7中终端电阻为120 Ω,根据实际测试,不同传输长度下电阻值为120～300 Ω最佳。终端电阻不仅起到匹配线路电阻阻抗的作用,也能消除通信过程中线路电缆中的信号反射,提升能源效益。

4 监测系统软件设计

系统监控软件的实现是基于现在市场上逐渐发展起来的RT-Thread操作系统。它是本土化的开源实时操作系统,由开源社区开发、维护,其开放的源代码吸引了越来越多的人参与开发和使用。在RT-Thread系统上,整个监控中各个功能可以作为某个线程实现[5]。线程是RT-Thread中最基本的调度单元,描述的是任务执行的上下文关系及这个任务所处的优先级。监控系统分为采集分站和通信分站,如图8所示。

图8 系统软件总体架构

采集分站将任务分为5个线程:按键控制线程、无线通信线程、采集线程、动态显示线程、软件定时器线程。其中,采集线程包括数据的采集、软件优化运算、数据存储;通信分站包括按键控制线程、无线通信线程、CAN通信线程、动态显示线程、软件定时器线程[6]。

5 压力监测系统准确性测试

为了验证压力监测系统的准确性,对5组不同的标准压力进行了检测,测试结果如表1所示,最终计算得出5组数据的最大绝对误差为0.4 MPa,最大相对误差为1.96%,符合工业级仪表的精度要求。

表1 压力准确性测试结果

6 结语

为了能够稳定、可靠地对矿井下顶板压力实时监测,本文设计了一套基于ZigBee无线技术与CAN总线的新型压力监测系统。整套系统分为采集分站与通信分站,采集分站分布在顶板的多个锚杆压力监测点上,通过ZigBee无线通信技术,将监测点处的压力值实时传送给通信分站,通信分站则通过CAN总线将压力数据传送至地面监控中心。

为了验证该套系统的可行性,进行了压力监测准确性测试。结果表明,该套系统基本符合预期要求。