基于工业以太网的锚索测力传感器研究

李学哲，李孝平，冯海美，刘军明

(华北科技学院 机电应用技术研究所，北京 东燕郊 101601)

0 引言

巷道锚索受力情况分析是巷道支护监测的重要内容。动态观测锚索受力状态对于验证巷道支护效果、监控矿压变化规律、保障矿井安全生产等具有重大的意义[1-2]。目前，国内外利用不同原理已研制了一些锚索测力仪器。这些仪器虽然在一定程度上解决了煤矿现场矿压监测的问题，但普遍存在价格昂贵、测量精度低、抗干扰能力差、安装和维护不方便等不足，限制着其在煤矿领域的进一步发展。近年来，工业以太网技术迅速发展起来，并在煤矿领域得到了广泛应用[3]。针对工业以太网技术的特点和巷道锚索测力技术的现状，本文设计了一种基于工业以太网技术的巷道锚索测力传感器。该传感器基于STC12C5A单片机、RTL8019AS以太网控制芯片设计，实现了锚索受力的实时、可靠监测，然后通过以太网接口，将测量结果自动上传井下光纤环网，监控计算机可以直接接收结果并进行数据存储、计算和分析。这样大大提高了检测的精度和效率。

1 传感器工作原理及技术方案

1.1 工作原理

锚索测力传感器主要由扭矩测量模块和仪表本体组成。测量时，将扭矩模块安装在锚盘和紧固螺母之间，利用扳手拧紧螺母，锚索受力大小通过扭矩测量模块转换为0～5V电压信号，仪表本体根据采样的电压值，分析计算锚索受力情况。计算结果通过以太网通讯电路上传井下光纤环网，供地面监控计算机分析使用。锚索测力传感器结构示意图如图1所示。

图1 锚索测力传感器结构示意图

图2 基于工业以太网的锚索测力传感器结构框图

1.2 技术方案

本文设计的锚索测力传感器主要由供电电路、CPU电路、以太网通信电路、液晶显示电路、按键电路、信号检测电路和扭矩测量模块等组成，其结构如图2所示。单片机选用STC12C5A芯片，实现键盘读入、LCD显示、锚索受力检测、以太网通信芯片的控制等功能。STC12C5A60S2是一款高效微控制器，内部集成了10位ADC模块，转换速度可达250k/s，具有技术成熟可靠、灵活方便、价格低廉等优点，其软硬件资源可以满足设计要求[4]。锚索受力状态的检测利用精密扭矩测量模块配合相应的放大调整电路实现。该模块具有检测精度高、性能稳定可靠、结构紧凑、防水防尘、使用方便等优点。以太网控制芯片采用RTL8019AS设计，该芯片由Realtek公司生产，是一款技术成熟，应用广泛的网络控制芯片。此外，传感器还设计有按键、液晶显示、EEPROM存储等电路，用于完成传感器标定和测量参数显示等功能。

2 传感器硬件设计

2.1 CPU电路

CPU电路也就是一个单片机最小系统，由CPU、供电电源、复位电路、时钟电路和程序调试下载电路等组成。本系统中CPU采用STC12C5A60S2设计，主要作用是键盘读入、LCD显示、锚索受力测量和对以太网通信芯片的控制等。CPU电路原理图如图3所示。CPU电路设计最重要的是引脚功能定义。在本系统中，P0口作为数据接口，与RTL8019AS的8位数据总线连接；P2口作为数据接口，用于模拟液晶屏的数据总线；P1口负责模拟液晶屏控制信号、按键输入和AD采样，其中WY1用于锚索受力大小的检测；P3、P4口负责模拟RTL8019AS的控制信号和地址信号。

2.2 锚索受力检测电路

系统中锚索受力检测通过扭矩测量模块配合相应的放大调整电路实现，电路原理如图4所示。该检测电路基于全桥应变采集电路和高精度、低漂移的运算放大器AD620设计，电路不仅消除了应变计的温度漂移和非线性误差，还可以获得更高的灵敏度和精度。整个信号检测电路的传递函数为：QP=K×ΔU1+B0，其中QP为锚索受力大小，K为比例系数，B0为补偿常数。单片机根据采样电压的大小，利用传递函数可以方便的计算出锚索受力的大小。

图3 CPU电路原理

图4 锚索受力检测电路原理

2.3 以太网接口电路

系统中，网络控制芯片采用Realtek公司生产的RTL8019AS芯片。电路中关键信号的连接与设计如下：

1) 数据总线模式设置：8019AS具有8位和16位两种数据总线模式，通过IOCS16B(96脚)决定。系统中，将96脚通过27KΩ电阻接地，使8019AS工作于8位数据总线模式。

2) I/O基地址设置：8019AS芯片的I/O基地址由IOS0～ IOS3(脚81、82、84、85)决定。电路中，IOS0～ IOS3全部设置为低电平，IO基地址设置为300H。

3) 硬件配置方式设置：在本设计中，将JP(65脚)接高电平，硬件配置方式设置为跳线方式。在跳线方式下，8019AS芯片复位时，将读入各个跳线引脚的状态，作为系统默认的初始配置。

4) 芯片复位设计：单片机的P3.3与复位信号引脚RSTDRV相连，P3.3输出大于800ns的高电平，可以控制RTL8019AS芯片复位。

5) 数据与地址总线连接：由于前面已经设置8019AS为8位数据总线模式，所以单片机的数据总线接口P0与SD0～SD7直接相连即可；8019AS内部寄存器和存储器的读写地址范围为00H～1FH，由于系统IO基地址选择中已将起始地址设为300H，因此地址总线的寻址范围应为300H～31FH。在本系统中，8019AS的低5位地址SA0～SA4与单片机P4口的低5位地址总线直接相连，SA8、SA9由片选信号CS控制，CS高电平有效。

2.4 用户接口设计

为了方便用户的使用，实现测量参数的标定与显示，系统设计了按键与显示模块。利用通用矩阵键盘配合接口电路可方便地选择功能及输入设置参数。利用液晶屏实时显示锚索受力大小。按键接口采用74HC148设计，液晶屏采用LCD1602设计。

3 传感器软件设计

3.1 软件总体设计

基于工业以太网的锚索测力传感器软件采用C语言设计，主要包括主程序模块、按键输入模块、液晶显示模块、参数标定模块、锚索受力测量模块和以太网通信模块等。单片机首先在液晶屏上显示开机信息，然后根据硬件设置，分别进入“标定”和“测量”模式。“标定”模式下，单片机在按键的控制下采集标定曲线，为锚索受力的精确测量提供基准数据；“测量”模式下，单片机采集、计算、显示测量结果，同时将测量结果通过以太网接口上传光纤环网，供监控计算机分析、处理。系统软件主程序流程如图5所示。

图5 锚索测力传感器主程序流程

3.2 以太网通信软件设计

以太网通信软件是本系统软件设计的重点。下面简要介绍其关键软件模块。

1) 芯片初始化模块：初始化模块主要用于对RT8019AS进行初始化设置，使其能正常芯片复位，设置芯片寄存器及启动芯片。芯片初始化涉及到的寄存器有CR、PSTART、PSTOP、TPSR、BNRY、CURR等。初始化流程如图6所示。

图6 8019AS芯片初始化流程图

2) 发送数据包模块：所有的数据发送都要通过该模块实现。发送数据包时，CPU把要发送的数据按指定格式写入芯片并启动发送命令，RTL8019AS会自动把数据转换成物理帧格式在物理信道上传输。

3) 接收数据包模块：查询是否有新数据包并接收进缓冲区。当接收数据包时，RTL8019AS收到物理信号后将其还原成数据，按指定格式存放在RAM中，以便CPU程序取用。

4) 写数据子模块：把数据写入RTL8019AS芯片中。

5) 读数据子模块：从RTL8019AS中把数据读出。

6) 设置芯片物理地址子模块：将物理地址写入RTL8019AS的PAR0～PAR5寄存器中。

7) 页面切换模块：页面切换功能，可选择0，1，2三页，第四页作为芯片保留。

CPU通过控制RTL8019AS内部寄存器以及DMA端口，来实现芯片初始化，接收数据包和发送数据包的任务。

4 实验与分析

针对设计的锚索测力传感器，进行了测试实验，实验在WDW-300微控电子万能试验机上进行，实验示意图如图7所示。利用试验机以固定步进10kN产生标准拉力信号；传感器自动采样各拉力点对应的电压值，进而计算锚索实际受力大小，计算机通过以太网接口与锚索测力传感器通讯，获得拉力的测量值。实验数据如表1所示。实验结果表明，本文设计的锚索测力传感器，可以实现锚索受力大小的精密测量，测量误差控制在±2.5%；传感器具有以太网通讯功能，可以灵活方便的上传测量结果，能够满足设计要求。

图7 锚索测力传感器实验示意图

序号标准拉力(kN)采样电压(V)测量拉力(kN)误差(kN)110048990122007219802350151488124100279981195150415147228

5 结束语

本文提出的基于工业以太网的巷道锚索测力传感器，集计算机测控技术、现代传感器技术、工业以太网技术于一体，系统具有高精度、高效率、低成本、灵活方便等特点。本文的创新点在于，充分结合硬件、软件的优势，设计并实现了一种高精度、自动化锚索测力传感器，，从而为保障煤矿安全生产提供了一种新的技术手段。

[1] 吴志刚,等. 新型锚索锚杆测力计的研制与应用[J].煤炭科学技术，2007(11):36-38.

[2] 史成平,等. 新型便携式锚杆测力仪[J].煤炭科学技术，2000(7):50-51.

[3] 李满昌,石伟,孙健,等.基于以太网的高速数据采集系统设计[J].工程与试验,2010(2):50-52.

[4] 陈桂友.增强型8051单片机实用开发技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.