嵌入式矿井供电监控分站设计

吕景璐

(西山煤电 西曲矿，山西 古交 030200)

0 引言

煤矿井下井供电都是通过专门的供电监控系统来完成的。矿井供电监控系统的主要任务就是监测设备的运行状态，以及根据控制器制定的参数去控制某些机构执行特定的任务。其中检测的参数主要包括供电网络中的电压、电流、负载功率、实时功率因数以及各种开关器件的实时状态等。控制主要包括故障自动保护、远程控制以及各种开关的通断控制等[1]。但目前煤矿井下使用的供电监控系统普遍存在可靠性低、通信接口兼容性差等问题。针对此问题设计了一套基于LPC1788的矿井供电监控分站，通过使用嵌入式系统以及增加CAN、以太网等通信接口来提高系统运行的可靠性和通信接口的兼容性，这对提高矿井供电综合水平具有重要意义，也为同类型控制器的设计提供了经验。

1 矿井供电网络结构

矿井供电网络按电压等级划分为1 140 V的高压部分和低于1 140 V的低压部分。高压部分的接线方式有3种，分别是：只有单一电源供电时的辐射状接线，多种电源供电时的环状，以及放射状接线。低压侧电网的供电接线方式相对比较单一，只有单一电源供电的辐射状接线[2]。

矿井供电网络常见的结构由3部分组成。第一层(最高层)是地面变电所，主要作用是为全矿变换和分配电能，主要设备包括电力变压器、故障保护装置、功率补偿设备等。第二层由井下的中央变电站组成，主要功能是为井下各个采区变电站以及工作面变电站提供电能，主要设备包括电力变压器、故障保护装置、功率补偿装置等。第三层是采区变电所，主要作用是为矿井下各种机械设备提供电能，主要设备包括电力变压器、故障保护装置以及功率补偿装置等。煤矿典型的供电网络结构如图1所示。

图1 煤矿典型的供电网络结构图

2 监控分站硬件设计

2.1 监控分站硬件框架

图2所示为监控分站硬件框图，从图中可以看出控制器设计了3种通信方式，分别为CPU、CAN、以太网。其中一台为数据传输速率快，数据量大，此系统利用其与监控上位机来进行数据交换；其他两种通信方式主要用于与被监控设备之间通信。整个控制器提供DC24 V电源。此外，还提供人机交互界面、以及用于运行状态存储的存储器等。

图2 硬件结构框图

2.2 CPU主控制器选型

系统选用的CPU为基于ARM架构的LPC1788型32位处理器，其最高主频能达到120 MHz，带有32 kB的EEPRAM和512kB嵌入的高速Flash存储器。LPC1788型的主要硬件资源如表1所示[3]。

表1 LPC1788主要硬件资源

2.3 CAN通信模块设计

CAN总线是一种抗干扰性极强、应用极为广泛的现场总线，其最大通信速率可达到1 Mbit/s。由于其在可靠性、传输距离以及使用灵活性上都有极明显的优势，故在煤矿井下的应用比较广泛。

图3所示为CAN总线接口电路图，此系统选用的CAN内部集成了CAN通信接口，为了增强通信线路的收发能力，外加了NXP设计生产的TJA1050T型高性能收发芯片。该芯片可提供CAN通信层面的协议控制和物理总线接口，具有较强的差动收发能力。由于井下环境比较复杂，各种干扰层出不穷，为增强抗干扰能力在收发线路上加入了光电偶合器，将板内的信号与板外的信号隔离开来。光电偶合器两端的接地不是同一地，这样可有效地防止共模干扰。在信号线末端的电容C1、C2可以有效地消除线路上的高频干扰信号。为了防止通信电路上电压的瞬时超限变化，在电路的末端加入了钳位电路，可有效保护电路元器件[4-5]。

图3 CAN总线接口电路图

2.4 以太网通信模块设计

以太网具有通信速率快、安装方便、兼容性好等优点，本系统利用以太网实现监控分站与上位机之间的数据交换。

图4为该系统设计的以太网接口电路图，使用的以太网收发芯片为DP83848型集成以太网控制芯片。这是一款支持10/100 Mbit/s的单路物理层以太网收发芯片，标准工作电压为DC3.3 V，Y600是50 M的有源晶振为芯片提供振荡源，其芯片工作模式由39和7号引脚共同决定，在芯片的管脚外接电容目的是为了滤波。由于以太网通信速率比较高，故对电源的波动比较敏感。在PCB布线时要将电容尽量靠近芯片的管脚，这样才能发挥其最大作用。另外TD-/TD+和RD-/RD+需要采用差分布线的方式进行连线。

图4 以太网接口电路图

3 监控分站软件设计

3.1 μC/OS-II移植

由于传统的单片机一般都采用裸程序，其所有的任务都嵌套在一个大循环里，使之系统稳定性差，一旦在某个循环里出现错误就会导致整个系统的崩溃。 本设计中采用了嵌入式操作系统，将所有的程序按功能划分为不同的模块，每个模块都为一个单独的循环任务，CPU在各个任务之间按照优先级进行切换，不但能将CPU资源的利用最大化，还能增强系统的稳定性。

图5为μC/OS-II系统代码与体系结构图。系统移植时主要修改的内容为图5中的第三部分。3个文件分别为OS_CPU.H、OS_CPU_A、OS_CPU_C.C。通过修改这3个文件中与硬件相关的参数，便可完成系统的移植[6]。

3.2 系统优先级划分

此系统移植后便可按照各个任务的重要程度为它们优先级划分，见表2。按照功能要求大体分为以下的任务：

1)界面显示。主要是显示实时的运行状态以及各种参数，也可以进行故障查询。

图5 μC/OS-II系统代码与体系结构

2)CAN通信。主要负责监测单元与控制分站之间的信息交互。

3)以太网通信。主要负责监控分站与地面监控主站之间的信息交互，将上位机的控制信息下传，同时上传监控分站采集到的各种参数。

4)协议转化。将两种不同的通信方式串联起来，起到通信桥梁的作用，并将以太网的报文转化为CAN通信的报文，以实现两种不同通信方式之间的信息互联。

5)存储。将采集到的信息进行存储，同时保存故障记录方便查询。

表2 各任务间优先级

3.3 系统软件结构

图6为系统的软件结构图。从图中可以看出,芯片上电后首先是进行芯片内部各种中断和堆栈初始化，然后是各种接口硬件的初始化，包括GPIO、通信接口等。当初始化完毕后便启动μC/OS-II操作系统，用于任务创建和任务调度。具体的任务为：CAN、以太网通信任务、协议转化任务、按键识别任务、LCD界面显示任务以及存储任务等。由于各种任务种类繁多，这里不做详细介绍。

图6 分站系统软件结构图

4 结论

通过在硬件上加入多种通信方式和在软件上使用了嵌入式操作系统，有效地解决了系统稳定性和兼容性两个难题。该监控系统通过工业现场实际运行验证，证明了该系统运行可靠，基本上能与井下的各种设备实现通信，满足工业生产需求，为矿井下同类型控制器设计提供了新的思路。