煤矿安全监控系统信息传输接口的硬件设计

曹迎军，崔伍萍

（1.郑州航空工业管理学院，河南　郑州　450000；2.郑州信息工程职业学院，河南　郑州　450121）



煤矿安全监控系统信息传输接口的硬件设计

曹迎军1，崔伍萍2

（1.郑州航空工业管理学院，河南郑州450000；2.郑州信息工程职业学院，河南郑州450121）

摘要：煤矿安全监控系统是煤矿安全高效生产的重要保障。监控系统通过传输借口对井下的生产环境进行综合分析和科学判断，实现对生产场所的安全监测与控制，确保煤矿安全生产。本文从建立通信模型，到基于DS80C320的RS-485通信电路、USB通信电路及存储电路的设计，并对硬件的抗干扰技术进行了设计。文章设计的信息传输接口具有传输速度快、通信距离远、智能化程度高和显示功能等优点，满足了现代煤矿安全监控系统的应用要求，实现了监控主机和分站的通信。

关键词：煤矿安全监控系统；信息传输接口；RS-485；USB

1　煤矿安全监控系统的通信模型

煤矿安全监控系统由地面和井下两部分组成，其中地面部分一般由监控主机、传输接口、打印机、电视墙、管理工作站、数据服务器等组成，井下部分包括传感器、断电仪、电源、分站等设备。

主机是地面部分监控中心处理数据的核心，主要作用是接收数据，发送控制命令。传输接口接收主机发送给分站的控制命令，并传送给分站，另一方面接收井下分站传送过来的数据并传送主机进行处理。传输接口与监控主机间采用USB接口进行通信，井下分站采用RS-485接口与信息传输接口连接。

2　信息传输接口硬件总体设计

图1　信息传输接口硬件结构图

3　信息传输接口电路设计

3.1外围存储电路的设计

单片机DS80C320具有64KB外部程序/数据寻址能力，因此可以对其进行存储器的扩展，包括片外程序存储器和数据存储器的扩展。

3.2程序存储器的扩展

由于DS80C320内部不含片内ROM，因此扩展一片片外程序存储器就显得尤为必要，用于存放信息传输接口的监控程序，使接口能够有序稳定的工作。

该设计本文选用EPROM芯片27512，EPROM是紫外线可擦除的可编程半导体只读存储器，掉电后信息不会丢失，而且其价格低廉，性能可靠。扩展程序存储器就是把单片机的地址总线、数据总线和控制总线与存储器芯片的对应引脚连接起来。其电路设计如图2所示。

图2 27512存储电路

由于是扩展1片EPROM，其片选/CE可接地，只要系统执行读外部程序存储器的指令，就由/PSEN控制读该片EPROM。DS80C320单片机的程序存储器选择线/EA接地，始终选择外部程序存储器。

3.3数据存储器的扩展

严格执行机构改革和机构编制管理纪律。坚决维护机构改革决策的严肃性和权威性，严格执行机构改革政治纪律、组织纪律、机构编制纪律、干部人事纪律、财经纪律、保密纪律等各项纪律。将机构改革实施情况纳入省委省政府重大决策部署督察任务和巡视巡察范围，强化监督和执纪问责，确保高质量完成改革任务。□

煤矿现场采集的环境参数信息和设备状态信息经井下分站传送到信息传输接口后，由于监控主机暂时来不及接收或主机故障等原因使数据丢失，因此外接一个数据存储器可以存储更多的数据信息，而不至于使主机故障等原因导致数据丢失，并且可以长时间存储数据信息直到主机恢复正常工作后可以接收到该信息，保障数据信息的连续性。

该设计本文选用ATMEL公司生产的Flash存储器AT29C256，AT29C256具有掉电后信息保留的特点，又可以在线写入（写入前自动擦除），并且可以按页连续字节写入。扩展片外数据存储器的具体方法与扩展程序存储器基本相同。其中地址总线和数据总线的连接方法完全一样，区别在于所使用的控制信号不同。单片机的读选通信号/PSEN控制片外程序存储器的读操作，而单片机的/RD和/WR信号控制片外数据存储器的读和写。其电路设计如图3所示。

图3　AT29C256存储电路

AT29C256的读/写控制端/OE和/WE分别接到单片机的/ RD和/WR端，以便系统能够对AT29C256进行正常的读/写操作。其片选/CE连接单片机的P2.7，即单片机地址总线的最高位A15。

3.4USB通信电路设计

信息传输接口的硬件以微控制器为核心，主机与信息传输接口以及信息传输接口与井下分站之间的通信由微控制器控制。在主机与信息传输接口之间采用USB进行通信，通过CH341A连接主机和信息传输接口。其电路设计如图4所示。

图4　USB通信电路

该设计采用DS80C320单片机，利用MCU的串口模块，可以与CH341A直接构成3线串口通讯方式，经过CH341A转换后，通过USB接口与PC机相连。当CH341A工作在异步串口模式时，CH341A提供串口发送使能、串口接收就绪等交互式的速率控制信号为计算机扩展异步串口或者把普通的串口设备直接升级为USB总线。

3.5RS-485通信电路设计

井下分站采集的煤矿现场环境参数和设备状态的数据需要经过信息传输接口才能传送到监控主机。由于煤矿特殊的环境条件，信息传输接口和井下分站之间的通讯我们采用速度快，传输距离远，具有很强抗干扰能力的RS-485总线。

本文选用MAXIM公司的半双工485总线收发器MAX485，其具有8个外部引脚，采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，实现了TTL电平与RS-485转换。所有器件都工作在+5V单电源下。当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出，具有较高的抗干扰性能。其接口电路设计如图5所示。

图5 MAX485与DS80C320接口电路

在图5所示的电路中MAX485的RE为接收控制端，DE为发送控制端。用DS80C320的Pi与两个控制端相连，平时置Pi为低，使控制器串口处于接收状态，当有数据需要接收时通过RO接收数据；当要发送数据时置高Pi，将数据通过DI发送出去。A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A端的电平高于B端时，代表发送的数据为1；当A端电平低于B端时，代表发送的数据为0。为了保证信号的传输质量，在总线的末端接一个120Ω的终端电阻用于吸收反射信号。

4　硬件抗干扰设计

矿井生产中恶劣的电子环境以及各种大型设备开机或者关机时所产生的电流波动和电磁干扰都会影响到煤矿安全监控系统的正常运行，因此，信息传输接口必须有很强的抗干扰能力，才能保证数据的准确传输。

4.1电源抗干扰技术

电源噪声是电源干扰主要表现形式，这种噪声通常有过压、尖锋等形式是通过电源电压变化持续时间的大小来决定的。影响系统正常运行最为严重的是尖峰电压，导致逻辑功能紊乱、源程序丢失。采用交流稳压电源来消除电源噪声，使用双隔离变压器以抑制高频噪声，增强系统抗共模干扰的能力。采用粗导线作为电源连接线。为使供电电源有良好的退耦电路，逻辑电路和模拟电路的布线应尽量分开。

4.2看门狗

看门狗有软件看门狗、硬件看门狗等。该设计中采用了软硬件相结合的看门狗技术。具体是由一片MAX813L和相应的软件来完成。在指定的时间内，软件未接收到给看门狗定时器的输入信号（可能由于程序弹飞或死机等），芯片将给出复位脉冲使单片机复位，从而提高了系统的抗干扰能力。

4.3光电隔离技术

光电耦合是采用半导体光电耦合器件进行隔离。它的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种干扰。防止干扰信号直接从电路上进入输出电路，提高过程通道上信噪比。采用光电隔离技术隔离传输信道和单片机之间的信号，增强系统的抗干扰能力。

5　结语

本文根据煤矿安全监控系统对信息传输接口的要求，设计了信息传输接口的具体方案。围绕所选用的控制器DS80C320对信息传输接口进行了总体电路设计，然后分别对外围存储电路、与监控主机的USB通信接口电路、与分站的RS-485接口电路进行了具体的电路设计，最后考虑到矿井的生产环境，进行了硬件抗干扰方面的设计。

The Hardware Research and Design of Information Transmitting Interface in Coal Mine Safety Monitor and Control System

Cao Yingjun1，Cui Wuping2
(1.Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, Zhengzhou450000, China; 2.Zhengzhou Information Engineering Vocational College， Zhengzhou450121， China）

Abstract：The safety monitoring system of the coal mine is an important indemnifcation to ensure safe and effcient production. The system by transmitting excuse carries on a comprehensive analysis and scientifc judgment of the underground environment， to ensure safety in coal mines production. The hardware design detail interface based DS80C320 RS-485 communication circuit， and USB communication circuit and memory circuit design； Last discusses the anti-jamming technology. This design of information transmission interface with the communication distance, transmission speed, support hot swap and display functions, etc., to meet the design requirements of a modern coal mine safety monitoring system， the monitoring host and sub-station communication.

Key words：coal mine safety monitor and control system； transmitting interface； RS-485； USB

作者简介：曹迎军（1987-），男，河南遂平，硕士，讲师；研究方向：计算机科学与技术。