便攜式智能無損錨桿檢測儀的硬件電路設(shè)計(jì)

李　英

[摘要]在分析煤礦中錨桿檢測的重要作用，明確錨桿檢測儀的發(fā)展研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出任務(wù)設(shè)計(jì)具有本質(zhì)安全性的便攜式智能無損錨桿檢測儀的硬件電路。從錨桿檢測儀所要實(shí)現(xiàn)的功能入手，先規(guī)劃硬件總體結(jié)構(gòu)圖，然后根據(jù)實(shí)際需要，選擇ARM處理器S3C2410作為本系統(tǒng)的核心器件。完成硬件電路設(shè)計(jì)。

[關(guān)鍵詞]錨桿檢測 3C2410 硬件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0310009－01

一、引言

在我國以煤為主的能源發(fā)展戰(zhàn)略占有很重要的地位，目前煤礦安全形勢依然嚴(yán)峻，事故總量仍然很大，解決煤礦事故隱患勢在必行。事故發(fā)生的原因很多，要解決問題，加強(qiáng)技術(shù)管理、提高安全管理水平、做好預(yù)防檢測[1]的工作必不可少，錨桿檢測是其中很重要的一項(xiàng)。

目前的錨桿檢測儀大多都是只能用于地面，有部分的錨桿檢測儀能用于井下，但是還不具有普遍性。針對(duì)煤礦井下錨桿檢測的需要，本文設(shè)計(jì)具有本質(zhì)安全性的便攜式智能無損錨桿檢測儀的硬件電路。

二、硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

錨桿檢測儀的主要用途就是對(duì)錨固質(zhì)量檢測，包括測量錨桿長度、錨固狀態(tài)（或砂漿飽滿度）的檢測，其中錨固狀態(tài)含檢測錨桿的自由段長度、錨固段長度、施工缺陷和整體評(píng)價(jià)錨固施工質(zhì)量。根據(jù)需要，本系統(tǒng)除了核心處理器之外，要包含很多模塊，主要分為兩部分：一部分為核心支持模塊，主要包含電源模塊，存儲(chǔ)器模塊，時(shí)鐘和復(fù)位模塊；另一部分為通信模塊，包括串口模塊、以太網(wǎng)模塊、USB模塊和LCD模塊。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖-1所示。

1．電源模塊：電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，它為處理器和各個(gè)部件提供工作電壓。系統(tǒng)對(duì)電源模塊的要求一般有兩個(gè)：第一，能夠提供系統(tǒng)所需要的功率；第二，能夠穩(wěn)定的輸出工作電壓。

2．存儲(chǔ)器模塊：用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。

3．時(shí)鐘和復(fù)位模塊：時(shí)鐘模塊主要是給處理器提供穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率。復(fù)位模塊是當(dāng)上電復(fù)位和硬件復(fù)位時(shí)，給處理器提供一個(gè)一定寬度的復(fù)位脈沖。

4．串口模塊：主要是為PC機(jī)或控制臺(tái)提供訪問和控制錨桿檢測儀的接口，同時(shí)作為系統(tǒng)調(diào)試接口。

5．USB模塊：該模塊的設(shè)計(jì)主要功能有兩個(gè)，一個(gè)是作為設(shè)備用來與PC機(jī)之間的檢測數(shù)據(jù)的傳輸；另一個(gè)是作為主機(jī)來外接存儲(chǔ)設(shè)備（如U盤）。

6．以太網(wǎng)模塊：通過該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程管理、傳輸檢測數(shù)據(jù)和在線升級(jí)的功能。如果CPU不具備以太網(wǎng)控制器，因此本系統(tǒng)要采用外擴(kuò)的以太網(wǎng)控制器。

7．LCD顯示模塊：由于本系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)顯示檢測的數(shù)據(jù)和設(shè)備的狀態(tài)，因此采用了大屏幕LCD顯示模塊。

三、主要電路介紹

（一）電源電路

本系統(tǒng)包含了很多集成芯片，這就需要電源模塊能夠提供較大功率的電源。由于各個(gè)器件對(duì)電平的要求是不一樣的，系統(tǒng)需要三種模式的電平：5V、3.3V和1.8V。我們采用的設(shè)計(jì)方案是由外部提供5V和3.3V的電源，而1.8V的電源是通過MAX8860由3.3V的輸入電源轉(zhuǎn)換而得。

（二）以太網(wǎng)接口電路

S3C2410內(nèi)嵌一個(gè)以太網(wǎng)控制器，支持媒體獨(dú)立接口和帶緩沖DMA接口；可在半雙工或全雙工模式下提供10M/100Mbps的以太網(wǎng)接入，即S3C2410內(nèi)部實(shí)際上已包含了以太網(wǎng)MAC控制，但未提供物理層接口，因此需要外接一片物理層芯片以提供以太網(wǎng)的接入通道。

RTL8019AS以其成熟可靠的性能和低廉的價(jià)格占領(lǐng)了全球10M網(wǎng)卡使用的網(wǎng)絡(luò)芯片的大部分份額，有著極大的應(yīng)用。所以在我們的設(shè)計(jì)中選用了這款芯片作為網(wǎng)絡(luò)接入的以太網(wǎng)控制器。

（三）串行接口電路

要完成最基本的串行通信功能，實(shí)際上只需要RXD、TXD和GND即可，但由于RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)所定義的高、低電平信號(hào)與S3C2410系統(tǒng)中USB直流電源邏輯定義的高、低電平信號(hào)完全不同。S3C2410中定義高電平對(duì)應(yīng)2.5V～3.3V，低電平為0V～0.8V；而RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對(duì)應(yīng)-5V～-15V，“0”對(duì)應(yīng)+5V～+15V。要兩者進(jìn)行通信必須經(jīng)過信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換，這里采用的電平轉(zhuǎn)換電路為Sipex公司的SP3232E[3]。

S3C2410的UART提供3個(gè)獨(dú)立的異步串行輸入輸出口，每一個(gè)都可工作在中斷模式和DMA模式下。如果用系統(tǒng)時(shí)鐘，UART可支持達(dá)230.4Kbps的位速率；如果用外部裝置通過UCLK提供的時(shí)鐘，那么UART可工作在更高的速率。S3C2410可以很方便地用UART實(shí)現(xiàn)RS232串口功能，但S3C2410的供電電壓為1.8V/3.3V，所以I/O口的最大邏輯電平也是3.3V。

S3C2410自帶USB主從接口，不需要專門的USB芯片支持，只要對(duì)其安裝驅(qū)動(dòng)程序即可進(jìn)行USB傳輸數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中，采用兩個(gè)USB主機(jī)接口、一個(gè)USB設(shè)備接口。

（四）A／D轉(zhuǎn)換模塊

敲擊錨桿時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)為模擬信號(hào)，需要經(jīng)過濾波電路，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，而經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字信號(hào)是串行的，因此要通過FPGA芯片轉(zhuǎn)為并行信號(hào)導(dǎo)入CPU。S3C2410集成了一個(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率為10比特，可通過軟件設(shè)置為Sleep摸式，可節(jié)電減少功率損失，最大轉(zhuǎn)換率為500K，非線性度為正負(fù)1位。

錨桿檢測儀的傳感器工作在8KHz左右，為了計(jì)算其受力狀況，需要在每次敲擊錨桿時(shí)采集到足夠多的數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)要有相當(dāng)高的精度。用S3C2410內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器不夠精確，因此本系統(tǒng)中另外設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換模塊。這里選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是ADI公司的產(chǎn)品AD7653[4]，具有16位高分辨率、采樣轉(zhuǎn)換速度可達(dá)1Msps、單極性ADC、帶有基準(zhǔn)電壓源、最大非線性±0.003%、14位無誤碼、快速轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換時(shí)間15us）和功耗850mW的特點(diǎn)。

四、結(jié)語

本文根據(jù)實(shí)際需要提出并設(shè)計(jì)了具有本質(zhì)安全性的便攜式智能無損錨桿檢測儀的硬件電路。由于煤礦環(huán)境的特點(diǎn)以及時(shí)間的原因，本系統(tǒng)還需要軟件方面進(jìn)一步的應(yīng)用層的開發(fā)，從而能真正應(yīng)用到煤礦井下。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐照成、徐書謙，煤礦頂板事故成因及預(yù)防，煤炭技術(shù)，2004,9．

[2]Samsung S3C2410 32-Bit RISC Microprocessor Revision 1.2 Datasheet．

[3]Sipex'SP3222E/3232E True+3.0V to+5.5V RS-232 Transceivers data sheet．

[4]16-Bit 1 MSPS PulSARTM Unipolar ADC with Reference AD7653 data sheet．

作者簡介：

李英，女，2007年7月畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，碩士學(xué)位，江蘇蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校電子系教師，主要從事單片機(jī)、電工電子課程的教學(xué)工作和科研工作。