一种矿用信号转换器的设计*

王璐

(天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

0 引言

随着通信技术的快速发展，我国煤炭行业提出建设数字化矿山的新目标，要求井下监测、监控系统进行系统融合，对设备传输信号格式进行统一规范[1]。目前，一些煤矿企业已经安装安全监控、瓦斯抽放、水害监测和矿压监测等系统[2]，传感器作为这些系统的终端采集设备，其种类繁多，输出信号各不相同，为了满足同一种传感器能够方便快捷地接入不同系统，需将传感器的输出信号转换成上级设备能识别的信号[3]。研究表明，现有矿用传感器输出信号主要分为开关量信号、200～1 000 Hz频率信号、(4～20)mA/(1～5)mA电流信号和总线数字信号等[4]。系统在确定所需接入的传感器类型后，可通过信号转换器输出所能识别的信号制式，以避免传感器的重复开发，既能缩短系统的建设周期，又可提高煤矿企业的安全生产水平和经济效益。为此，设计了一种矿用多功能信号转换器，可实现频率、电流和RS-485信号之间的相互转换，该信号转换器使用方便，精度高，运行稳定可靠。

1 转换器的工作原理

信号转换主要分为模数转换和数模转换两类，依靠转换元件和转换电路实现，将电学量和非电物理量相互变换，把非标准的信号转换成标准信号[5]。模数转换实现模拟信号到数字信号的变换，一般要经过采样、保持、量化和编码几个步骤，转换电路主要由模拟电子开关、位权网络、数字寄存器、求和运算放大器和基准电压源等部分组成。数模转换是将离散的数字信号转变为连续的模拟信号，即采集到的数字信号，按不同等级对应相应数字寄存器，控制对应的模拟电子开关，在位权网络上产生和其位权对应的模拟量。

目前，大多数传感器可完成输入信号的检测，被测环境信号在传感器内部进行采集、处理和输出。传感器的输出信号可直接与信号转换器连接，微处理器作为信号转换器的核心，对接入信号的进行采集、线性化处理、量程调整和数据转换，实现非标信号到标准信号的相互转换和远距离传输。

2 转换器的总体设计

信号转换器作为煤矿监测、监控系统的配套产品，可实现电流与频率不同类型信号之间的相互转换，也可通过RS-485总线进行模拟信号的数字化传输。依据信号转换器的工作原理，对于(1～5)mA和(4～20)mA电流信号,通过取样电阻转换成电压信号,再经过单片机A/D转换,最后计算输出频率。对于200～1 000 Hz的频率信号，通过单片机转换成数字输出，再经过D/A芯片转换成电压信号，最后由电压转电流电路输出4～20 mA电流。转换后的信号均可通过RS-485总线进行数据通信，实现终端传感设备往监测、监控系统的接入。

3 转换器硬件设计

3.1 转换器硬件电路总体设计

信号转换器硬件电路主要由供电电路、单片机电路、存储电路、遥控电路、频率采集电路、电流采集电路、频率输出电路、电流输出电路和RS-485总线通信电路等部分组成，如图1所示。信号转换器选用新华龙C8051F310作为核心处理器，具有16位AD采集功能，确保信号的采集精度。为满足各个模块电路对电源的需求，设计输出12 V、3.3 V和5 V 3种直流电源，电源模块的前端软启动电路和贴片大电容采用浇封处理，增强抗浪涌和群脉冲干扰等级，可通过遥控完成设备地址和通信等参数的设定和存储，避免数据丢失。转换器通过RS-485方式与上级设备通信，通信电路选用带隔离功能的RS-485芯片ADM2587，通信端口搭配防雷管、共模线圈和TVS管等保护器件，提高RS-485总线的抗干扰能力。

图1 信号转换器总体结构

3.2 频率采集电路设计

所接入的传感器若输出为频率信号，则可将传感器的输出线与信号转换器的频率采集口F+和F-端子相接，实现信号转换器的频率采集，电路如图2所示。处理器的P0.1管脚配置为频率采集口F_IN, 当频率口输入为高电平时，信号通过TVS管VD1和共模线圈L1, PC357光耦隔离器件N1导通，单片机引脚采集F_IN为低电平。当频率口输入为低电平时，隔离元件N1不导通，单片机引脚采集F_IN为高电平。处理器可通过每轮捕获高低电平的时间，进而计算得出采集信号的频率。

图2 频率采集电路

3.3 电流采集电路设计

所接入的传感器若输出为电流信号，则可将传感器的电流输出线与信号转换器的电流采集口I_IN+和I_IN-端子相接，由信号转换器完成电流采集，通过短接帽跳接实现(1～5)mA和(4～20)mA电流信号的切换，电路如图3所示。处理器的P1.0管脚配置为电压采集口V_MCU, 当有电流输入时，电阻R14两端产生电势差，经R17分流电阻进入运算放大器LM358的INA+，通过可变电阻器VR2调节运放的输出电压，送入单片机的ADC采集引脚，计算得出输入电流的大小。

图3 电流采集电路

3.4 频率输出电路设计

转换器由电流采集电路检测出输入电流大小，通过电流与频率对应比例关系，(4～20)mA(1～5 mA)对应200～1 000 Hz，计算出输入电流所需输出的对应频率。处理器P1.2引脚配置为频率输出控制口FOUT0，由内部定时器控制FOUT0引脚定时翻转输出高低电平，输出信号经2个三极管处理后，每秒电平翻转的次数即是所需输出的频率。电路如图4所示。

图4 频率输出电路

3.5 电流输出电路设计

转换器由频率采集电路检测出输入频率大小，通过频率与电流对应比例关系， 200～1 000 Hz对应(4～20)mA(1～5 mA)，计算出输入频率所需输出的对应电流。电流输出电路中N6为数模转换芯片TLC5615，参考源为1.2 V，处理器根据对应关系输出相应数字信号，经数模转换芯片处理后由AOUT引脚输出对应电压。N5为运算放大器LM324, 具有四路独立、高增益、内部频率补偿的运算放大器，数模转换芯片N6输出电压经运放电路处理后，由三极管V5集电极I_OUT+输出电压，进而产生相应电流输出，电路如图5所示。

4 转换器软件设计

转换器软件采用keil4设计，主要由数据采集、遥控操作、数据转换和RS-485通信等模块组成，具体流程如图6所示。上电后，软件先进行程序初始化，主要完成时钟、I/O口、设备参数、定时器和UART等初始化。通过红外遥控可配置转换器参数，如设备地址、通信速率、转换方式等，并写入外部存储器，避免重要参数的丢失。在一个完整周期内，对输入信号进行采集，再经过转换算法处理后，获得需要输出的数据类型，并通过总线进行远距离传输。

图5 电流输出电路

图6 传感器节点软件程序流程

5 结论

设计了一种新型矿用信号转换器，详细介绍了信号转换器的工作原理，给出信号转换器的总体设计、硬件设计和软件设计，主要实现频率与电流的相互转换、并可通过RS-485总线传输。实际应用表明，该转换器精度高，运行稳定可靠，使用方便，可有效解决不同厂家生产的传感器无法接入监测监控的难题。