基于嵌入式的OFDM技术采煤机电力载波通信系统设计

杨　超,孔祥春,苏　畅，秦春波，胡丽娜

(黑龙江工业学院,黑龙江 鸡西　158100)



基于嵌入式的OFDM技术采煤机电力载波通信系统设计

杨超,孔祥春,苏畅，秦春波，胡丽娜

(黑龙江工业学院,黑龙江 鸡西158100)

电力线载波通信(PLC)，在民用通信中已经广泛应用。煤矿开采技术应用中还没有大量开展，尤其是采煤机控制通信中没有得到应用。在煤矿开采过程中采煤机控制计算机采集的数据实时传输给顺槽集中控制计算机，目前采用的通信线路有同轴电缆和双绞线等，采煤过程中采煤机的位置是动态和实时变化的，由于同轴电缆、双绞线等控制芯线较细，移动时容易折断，一旦折断就要更换整条通信线，如果采用电力载波通信，则情况完全不同，电力线的直径大，耐拉和耐移动。那么，在采煤机控制信号通信系统中利用基于嵌入式的OFDM技术电力载波通信取代采煤机传统的通信线路，可以解决采煤机专用通信线路移动过程中折断的问题。

载波通信；煤矿开采；嵌入式；OFDM技术；采煤机

近年来，通过配电网实现通信，又称电力线载波通信(PLC)越来越引起人们的广泛关注。随着调制解调和信号处理技术的发展，PLC技术也得到了飞速的发展。随着ARM技术的迅猛发展和正交频分复用技术(OFDM技术)应用于PLC领域，传输的可靠性和速率也达到了一个新的高度。PLC应用广泛：Internet的接入、智能家庭组建、自动远程抄表等。社会需求的不断提升和对生活、工作便捷等各方面的要求，使得电力线载波技术在工业、民用等领域快速发展，但是在煤矿开采自动化技术中电力载波通信还未得到广泛应用，本项目旨在研究电力线载波技术应用到采煤机控制信号传输中以解决井下信号传输的部分问题。

1　采煤机控制信号通信中应用电力线载波通信的意义

目前，工业和民用各类信号的传输主要采用光纤、同轴电缆、双绞线等通信媒介，随着电力载波的不断发展，低压电力线的主要功能不但是电力传输还可以作为载波信号的传输媒介，我国主要采用50Hz频率的工频信号供电，虽然电力线可以作为载波信号的媒介但是却不可能直接支持高频通信。在煤矿开采过程中采煤机控制计算机采集的数据实时传输给顺槽集中控制计算机，目前采用的通信线路有同轴电缆和双绞线等，采煤过程中采煤机的位置是动态和实时变化的，由于同轴电缆、双绞线等控制芯线较细，移动时容易折断，一旦折断就要更换整条通信线，如果采用电力载波通信，即通信线路就是采煤机供电的电力线，则情况完全不同，由于采煤机的功率大，工作电流大，所以电力线的直径大，耐拉和耐移动，用电力通信取代采煤机传统的通信线路，可以解决采煤机专用通信线路移动过程中折断的问题。

2　嵌人式控制系统总体设计

嵌人式控制系统是整个系统的通信控制及数据处理的中枢机构，利用嵌入式控制系统不仅可以存储各类数据还可以进行数字信号的处理，当然，模拟信号也可以采集后经过模数转换由系统来处理，之后系统对信号进行算数运算和逻辑运算等。利用该系统负责采煤机控制信号(数据)的处理及ETHERNET IP 包和Power- Packet电力包两种信号相互转换；首先，控制系统利用各类传感器采集工作环境的各项参数以反映采煤机的工作状态，这部分数据可以存储到系统的存储器中；接下来就是与采煤机的控制器进行控制数据的比较，将比较结果回传到控制器，通过运算后发出相应的控制命令。嵌人式控制系统一般安装在上位机附近，与U、V、W三相电力线链接，构成主控系统。硬件接口电路总体设计如框图1所示。该系统主要由控制系统、通信系统、显示系统和信号采集系统(传感器系统)构成。在系统中嵌人式处理器选择比较通用的S3C2410嵌入式处理器作为核心处理器。

S3C2410处理器是韩国三星公司在ARM公司的ARM920T处理器核基础上开发的32位微控制器，32位处理器完全可以完成系统设计的需求，也可以为以后控制需求不断变化进行持续的升级需要。这里简单地介绍一下该处理器的基本功能:它具有独立的16KB指令缓存器和16KB数据缓存器，还有内存管理单元(MMU)，支持薄膜晶体管的彩色LCD控制器，输入输出端口( I/O)，还具有8路10位的模数转换器(ADC)；S3C2410处理器主频率最高可达203MHz，运行速度快，达到了实时控制要求。除此之外，S3C2410处理器接口也很丰富，很多文章对此都有介绍。所以，为了方便设计，系统设计中采用了S3C2410作为核心控制部件，利用32位总线扩展64M的FLASH ROM和64M的SDRAM。其中FLASH ROM用于存储系统程序和应用软件，SDRAM在系统中则作为数据存储器用来存储数据，选择代码开放的LINUX加载嵌入式操作系统。

通信方式，选择利用电力载波通信方式进行数据传送，接收采煤机控制的各类指令，这里系统有采用RS232串口通信作为程序员开发程序的调试端口；其中电力载波信号的传输是利用S3C2410控制器的SPI口控制电力载波通信模块的，以此来收发各类信号和控制指令；显示系统根据键盘输入的键值向主控系统发送请求，通过控制系统进行此类输入信号的采集，判断按键后发送控制信号和把相关数据显示在LCD显示器和发光二极管LED上，实现人机交互。嵌入式控制系统主要作用是：系统要和上位机之间机型通信，接收上位机发出的各类控制指令，系统根据上位机发出的控制要求，设置数据发送控制信号完成控制动作，系统还可以校正时钟、设置各类控制功能等。主控系统对上位机、传感器发送来的数据能够存储、运算以及发送控制命令等。

图1　硬件接口电路总体设计

3　煤矿开采中电力线载波通信系统设计

在系统设计中数据的传输主要采用电力线载波通信的方式，那么通信系统需要完成的任务就主要包括采集作为通信介质的配电线路和线路中所有电力设备的运行参数，并接收上位机的相关控制信号。因此，系统需要控制器来协调和管理本地与远端的关系，研究中我们首先采用了S3C2410处理核心，主要负责采煤机控制信号(数据)的处理及ETHERNET IP 包和Power- Packet电力包两种信号相互转换。

为了确定载波传输数据的准确性，通信模块首次选择了利用电力线通信收发芯片MAX2986和电力线通信模拟前端MAX2980为核心，建立了一套电力线载波通信综合实验测试平台，框图如图2。

MAX 2986电力线收发器目前是领域内应用最为广泛的一种，它是采用CMOS设计技术制造的收发器，灵活性好，性能可靠。MAX 2986是一款高度集成的收发器，内部不但有媒体访问控制层还有物理层。MAX2986数字收发器采用了目前非常先进的OFDM电力线引擎，具有高达14Mbps的自适应数据传输速率。

OFDM是Orthogonal Frequency Division Multiplexing的缩写，OFDM就是正交频分复用技术，是MCM多载波调制的一种。OFDM就是将通信信道分成了若干个正交子信道，可以把高速串行数据信号转换成并行的低速子数据流，并且可以通过调制控制分配到每个子信道上进行数据传输。正交信号利用OFDM技术可以在接收端将传输来的信号分开，通过这种方式的处理就可以大大地减少各个子信道之间的相互干扰。经过处理后的信号在每个子信道上的信号带宽就不会超过信道的带宽，使得每个子信道上就可以近似看作线性衰减，消除了码间串扰。并且每个子信道的带宽又仅仅是传输信道带宽的一部分，传输信道均衡变得相对容易。

MAX2980是电力线通信模拟前端(AFE)集成电路，一般情况下与MAX 2986配合使用，MAX2980也是采用先进的CMOS工艺的集成器件。它的优点是不但具有高可靠性，而且价格低廉。MAX2980高集成度器件，在该片上厂家也集成了模/数转换器(ADC)、数/模转换器(DAC)以及信号调理和线驱动器等部件。

在系统设计中调制解调器模块采用MAX2986和MAX2980的主要原因是： MAX2986电力线集成收发器采用改进的OFDM调制法，并与HomePlug1.0协议兼容，MODEM也可以更好地与其它设备实现相互兼容。前面介绍过MAX2986数据传输速率能够达到14Mbps，这个传输速度完全胜任采煤机控制信号传输的要求。并且MAX2986电力线收发器是一款可编程集成收发器，能够直接接入MACAPI，内嵌ARM946微处理器，大大降低了系统设计的复杂程度。MAXIM公司设计的模拟前端收发器MAX2980专门配合MAX2986使用，从而提高了系统应用的可靠性。

图2　MAX2986和MAX2980构成的调制解调器框图

4　系统软件设计思路

采煤机电力载波控制系统硬件电路设计虽然不算复杂，但是软件系统工作过程相对复杂。不但系统需要和上位机相互通信，同时还要和各种采集器交换数据，实现采煤机各种工作信号传输，利用相关接口还要在LCD输出相关信息，并在LED上显示各类工作状态等功能。在煤矿的工作面上还要提高采煤机的工作效率，并把各类控制信号在电力线上传输、转换等，设计软件系统时对S3C2410利用Linux操作系统作为片上操作系统，在Linux系统上就可以编出多任务的应用程序。

建立交叉编译环境主机上配置交叉开发环境。Linux操作系统与其它操作系统的内核稍有区别，编译时都要有固定的步骤,系统内核根据MakeFile文件的不同而产生一定差异,应该参考其他相关文档,软件系统编译的任务要在个人计算机上使用Telnet工具实现。操作时按照制定的步骤编译内核,在相应的文件夹下就会生成一个二进制的文件(机器码),这个二进制文件就是系统要执行的程序，将这个二进制文件传回个人计算机,再将文件写入系统的存储器中。

5　结论

本系统是基于S3C2410处理器的采煤机控制信号传输的一个终端控制器。该系统利用嵌入式处理器芯片S3C2410，嵌入式LINUX操作系统构成软硬件系统，调制解调器部分分别采用MAXIM公司的MAx2986(电力线集成数字收发器)和MAX2980(电力线模拟前端收发器)。由于煤矿井下相对危险，那么只能在实验室增加一些干扰信号来测试此方案，测试中结果差距不大，这说明在通信环境比较恶劣时，此设计能够实现通信距离20m左右，基本能够满足煤矿井下对控制信号传递给采煤机实现自动控制的通信要求，数据传输速率大于100Kbps，控制信号误码率也不大，可以基本满足控制要求，本设计系统中的电力线载波通信表现出了良好的抗干扰能力和抗多径衰减性能，基本满足对采煤机的控制需求。在接下来的实验中还将进一步在如何提升通信距离和降低信号传递的误码率上深入研究。

[1]张有兵，程时杰，何海波，等.低压电力线高频载波通信信道的建模研究[J].电力系统自动化，2002，26(23)；75-78.

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Class No.:TP273Document Mark：A

(责任编辑：宋瑞斌)

Design of Power Line Communication in the Shearer Based on Embedded OFDM Technology

Yang Chao, Kong Xiangchun, Su Chang, Qin Chunbo, Hu Li’na

(Heilongjiang University of Technology, Jixi, Heilongjiang 158100，China)

Power Line Communication (PLC), is widely applied in civil communication, nevertheless, it is not well developed in coal mining, particularly in shearer control communication. Sampling data from shearer control computer during coal mining process are transmitted to crossheading centralized control unit in real time. At Present, coaxial cable and twisted-pair cable are commonly used as communication cables which core wire for purpose of control are very thin and the wires are easily wrecked due to position of shearer process is dynamic and variable during coal mining. It needs to replace the entire wire if it is wrecked. PLC has its vantage，diameter of power line is bigger which has good tactility and good mobility. By applying power line communication in the shearer based on embedded OFDM to substitute conventional communication cable, the wire wrecked problem of communication cable can be solved.

carrier communication; coal mining; flushbonading; OFDM technology; coal mining machine

杨超，硕士，副教授，黑龙江工业学院。研究方向：电气自动化。

2014年黑龙江省青年科学基金项目“基于ARM的OFDM技术在采煤机电力载波通信中的研究”，项目编号：QC2014C082。

1672-6758(2016)06-0046-3

TP273

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