矿用总线式数据采集模块硬件设计

杜晓月

(中国矿业大学机电工程学院,江苏 徐州 221116)

矿用总线式数据采集模块硬件设计

杜晓月

(中国矿业大学机电工程学院,江苏 徐州 221116)

作为煤矿井下设备监控中的一项基础功能,数据采集对生产效率的提高、设备状态检测等起着重要的作用。针对煤矿井下设备的需求,以液压支架为应用对象设计了一款支持多总线、多通道、多种类信号的通用型矿用数据采集模块。同时,设计了不同量程切换、可进行电流与电压信号软件设定的切换电路,以及支持以太网、CANbus、Profibus、RS-485等多总线网络接口。在硬件电路设计方面,采用磁隔离技术进行总线隔离,采用线性光耦进行模拟量线性隔离。该采集模块适合煤矿井下使用,抗干扰能力强,具有一定的扩展能力。

数据采集 总线隔离 线性隔离 以太网 多总线网络接口 硬件电路

0 引言

目前,矿用数据采集模块在一定程度上满足采集的需求,但存在一些采集缺陷,如输入输出端口数量过少,无法满足端口需求;煤矿设备分散、空间狭小、布线困难,却采用单一的通信方式;矿用传感器信号多样,但模块支持的信号类型较少[1]等。本文在分析了国内外矿用数据采集模块的基础上,设计了一款支持多总线、多通道、多种类信号的通用型矿用数据采集模块。

1 采集模块功能

由于液压支架所需采集数据较多,为了满足其通用性需求,在对液压支架、水泵、风机等进行系统需求分析后,确定了采集模块的系统组成,如图1所示。本数据采集模块用于液压支架的动作控制。分布安装在综采工作面上的采集模块节点实时采集压力、行程、倾角数据以及采煤机的红外位置信号。远程网络控制端通过CAN总线轮询各个采集模块节点所采集到的压力、行程、倾角数据和采煤机的红外信号,从而控制采集模块节点动作,实现分布式动作和集中监控。

图1 采集模块系统图Fig.1 System diagram of acquisition module

2 采集模块的系统组成

采集模块由ARM主控制器、模拟量采集电路、数字量输出接口模块、CAN总线接口模块、Profibus-DP总线接口模块、以太网总线接口模块、RS-485总线接口模块、存储模块、电源模块,以及其他辅助电路模块组成,如图2所示。

图2 系统硬件框图Fig.2 Block diagram of the system hardware

采集模块以ARM主控制器为核心,选用STM32F103VCT6作为该采集模块的主芯片。该芯片具有成本低、引脚数目多、系统功耗低、中断响应机制快速以及计算性能高效等特点,满足井下使用环境具有低功耗功能等要求[2]。本设计软件部分植入了μC/OS-Ⅱ微型嵌入式操作系统,在该系统上开发各种接口电路驱动程序和应用程序。为达到信号采集通用性要求,设计了可采集常见传感器输出信号0～5 V、0～10 V、0～20 mA单极性信号以及±5 V、±10 V双极性信号电路。本采集模块设计了单、双极性普通信号输入接口各8路,高速采集接口4路;数字量信号输入接口8路,输出接口为24路。PCA9534芯片为8位低功耗I2C串口扩展并口器件。ULN2803(高耐压、大电流的达林顿管)输出模块用于驱动液压支架电磁阀,满足大功率需求。

CAN总线接口模块是嵌入式处理器与外扩CAN总线的通信硬件接口,其通过CAN总线和CAN应用协议完成数据采集模块与控制中心的通信。Profibus-DP总线模块接口是嵌入式处理器与外扩DP总线的485驱动器通信硬件接口,其以PLC控制器为主站,通过485接口与DP从站协议完成数据采集模块与控制中心的通信。为了能够与地面控制中心进行通信,加入以太网模块接口电路。

存储模块为16 Mbit SPI串口的Flash存储器,进行相关配置、运行参数的存储以及采集数据的暂存。电源模块包括外接电源接口以及电源分压电路,实现各主要元器件所需的电源。采集模块采用外接ADC,对经过前置电路处理后的压力、行程和倾角信号进行采集。前置电路的作用包括线性隔离、软件开关选择、滤波,以及将传感器信号转换为ADC所接收的信号类型。

3 采集模块隔离电路设计

双极性信号线性隔离电路如图3所示。

图3 双极性信号线性隔离电路Fig.3 The linear isolation circuit of bipolar signal

煤矿井下的设备都应达到抗干扰的基本要求。为了隔离干扰源,本设计采用了线性光耦隔离技术。同时,在总线通信接口采用磁隔离技术,并且在电源输入输出端采用隔离电源器件。

线性隔离是为了隔离模拟信号而设计的隔离方式。普通光耦主要由1个光敏二极管和1个发光二级管组成,它的隔离模式是单发单收。线性光耦由2个光敏二极管和1个发光二级管组成,线性光耦的组成多了1个光敏二极管。该光敏二极管作为用于反馈的光接收电路。通过两个光电路的非线性抵消,实现了线性隔离。对于单极性信号,采用1个HCNR200线性光耦与1个LM358双运放放大器组成放大隔离电路;对于双极性信号,采用2个HCNR200与1个LM358双运放放大器组成隔离放大电路[3]。

ADuM12XX系列磁隔离模块是基于ADI专利的iCoupler数字隔离器,其采用平面磁场专利隔离技术。该技术具有低功耗、高速率等性能,满足总线高速运行的要求[4]。iCoupler技术具有低功耗性能,其功耗仅为传统光电隔离器的2%～10%。在设计CAN总线收发器电路隔离时,为了提高CAN总线各节点的抗干扰能力,当CAN收发器接收来自微处理器传来的数据时,先通过数据隔离器将信号隔离,随后才接入CAN收发器[5]。

CAN总线磁隔离电路如图4所示。

图4 CAN总线磁隔离电路Fig.4 The magnetic isolation circuit of CAN bus

4 采集信号软件切换电路设计

可编程多量程转换电路主要由双运放电路和LF13509电路组成。

单极性信号的可编程多量程转换电路如图5所示。

图5 可编程多量程转换电路Fig.5 Programmable multiscale conversion circuit

采集多通道、多种类信号时,PLC采用硬件切换方式,即通过量程卡的接插来选择不同的模拟信号输入。这种方式达不到快速响应的目的[4-6]。因此,本采集模块设计了不同量程切换、可进行电流与电压信号软件设定的切换电路,可以实现远程控制。LF13509是具有四通道差分输入的高精度模拟转换开关。该器件导通电阻RON=380 Ω,通道导通电阻差异大于7 Ω,开关切换时间topen=1.6 μs,转换速度高[7]。

由转换开关原理可知,当开关VIN1_S3B和VIN1_ DB接通时,即开关S3接通时,输入信号为0～5 V电压信号;当开关VIN1和VIN1_DB接通,即S2接通时,输入信号为0～10 V电压信号;当开关VIN1_S1B和VIN1_ DB接通,即S1接通时,输入信号为0～20 mA电流信号。

5 总线电路设计

本采集模块共有四种总线网络传输方式,每种传输方式都有各自的优势和接口电路。CAN总线接口电路如图6所示。

CAN总线接口电路的硬件组成部分分为以下5部分,具体介绍如下。

①CAN总线控制器采用STM32F103处理器的内置CAN总线控制器,可通过软件配置PB0、PB1作为CAN控制器收发接口。

②CAN总线收发器电路采用高速、具有差动接收发送性能的TJA1050收发器,它和CAN控制器共同组成CAN总线通信硬件的核心电路。

③总线的电磁隔离部分,是采用带有iCoupler技术的数字隔离模块——ADuM1201组成的隔离输入电路,隔离微处理器与CAN总线接口之间的信号干扰。

④保护器NUP2106保护CAN收发器,使其在高速和容错状态的网络下不受到ESD和其他有害的瞬态电压的损害。

⑤隔离电源模块,用于隔离数字隔离器ADUM1201的两个电源。

图6 CAN总线接口电路Fig.6 CAN bus interface circuit

由于总线传输速率高,电流冲击大,为了达到限流目的,防止TJA1050收发器受到过电流冲击,在CAN收发器TJA1050的差分输入引脚之间接入1个电阻值为120 Ω的电阻,之后再与总线连接[8]。另外,两根总线接入端与地之间接入了一个双重线总线保护器NUP2105,防止较高负电压及其他有害的瞬态电压对TJA1050造成过压损害[9]。同时,采用带5 V隔离输出的DC-DC电源模块,经过ADP667稳压器对隔离电源稳压,滤除电源波纹,有效提高了节点的稳定性和安全性[10]。

6 结束语

本文基于液压支架的动作控制,完成了通用、安全的矿用模拟量数据采集模块的设计。该设计采用低功耗ARM STM32F103VCT6作为数据采集模块的微控制器。同时,设计了该模块的硬件电路,并介绍了隔离、通道选择及CAN总线硬件电路的设计,实现了煤矿井下安全、通用、快速的数据采集。

[1] 刘颖,梁玉,张晓光.基于ARM的液压支架监测系统设计[J].矿山机械,2010,38(11):7-9.

[2] 刘波文,孙岩.嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ经典实例:基于STM32处理器[M].北京:北京航空航天大学出版社,2012:10-20.

[3] 杜运福.基于STM32与ATT7022E的用电智能采集模块设计[D].苏州:苏州大学,2012.

[4] 单鹏.煤矿顶板压力信号采集控制电路的设计[D].青岛:山东科技大学,2011.

[5] 黄兵.基于ARM7的嵌入式系统CAN总线和以太网通信研究与实现[D].合肥:安徽大学,2012.

[6] 陈传凯.基于LabVIEW与PLC的数控系统通信及提高运动精度控制方法研究[D].上海:华东理工大学,2013.

[7] 秦胜林.煤流控制系统的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2013.

[8] 王梓桐.基于CAN总线的电动汽车控制系统的研究[D].杭州:浙江大学,2013.

[9] 闫天宇.基于μC/OS-Ⅲ的CAN-FlexRay网关的设计与实现[D].长春:吉林大学,2013.

[10] 吴志玲.基于CAN总线的数据采集节点设计与实现[D].太原:中北大学,2013.

Hardware Design of the Bus Type Data Acquisition Module for Coalmine

As one of the basic functions in underground equipment monitoring for coalmine,data acquisition plays an important role in enhancing production efficiency and detecting equipment states.In accordance with the requirements of underground equipment of coalmine, with hydraulic supporter as the application object,the universal data acquisition module suitable for multiple buses,multiple channels,and multiple types of signals has been designed.In addition,the switching circuit which can be setup for voltage or current,and change ranges by software,and the multi-bus network interface supporting Ethernet,CAN bus,Profibus and RS-485 are designed.In hardware design,the bus isolation is conducted by using magnetic isolation technology;the analog linear isolation is conducted by using linear opto-coupling.This data acquisition module features strong anti-interference capability for application in coalmine and possesses certain expansion capability.

Data acquisition Bus isolation Linear isolation Ethernet Multi-bus network interface Hardware circuit

TD676

A

修改稿收到日期:2014-03-06。

作者杜晓月(1992-),女,现为中国矿业大学机械电子专业在读硕士研究生;主要从事矿井提升方向的研究。