適用于煤礦生產(chǎn)的多功能檢測控制裝置的電路設(shè)計

于振飛

（中煤平朔集團有限公司井工二礦，山西 朔州 036006）

0 引言

煤礦的安全問題一直受到關(guān)注，但對安全檢測控制設(shè)備的研究開發(fā)卻是近幾年才開始被重視。我國煤礦的檢測控制技術(shù)應(yīng)用較晚，主要通過技術(shù)引進(jìn)的方式發(fā)展起來。20世紀(jì)80年代后，我國先后從國外引入數(shù)十套綜合型監(jiān)控系統(tǒng)，如英國的MINOS系統(tǒng)、法國的CTT63／40系統(tǒng)、德國的TF-200系統(tǒng)等。同時，結(jié)合我國煤礦的實際情況，先后研制了KJZ、KJ4、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75等監(jiān)控系統(tǒng)。然而，我國煤炭安全檢測控制設(shè)備一直未受足夠重視。從系統(tǒng)集成來看，有關(guān)安全檢測控制設(shè)備的自動化水平相對較低；從產(chǎn)業(yè)角度來看，目前煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)軟硬件研發(fā)和服務(wù)保障系統(tǒng)相對滯后，研發(fā)力量薄弱，適合煤礦行業(yè)特點和需求的軟硬件與電子專用設(shè)備、儀器目前仍比較缺乏，還難以滿足煤礦安全生產(chǎn)的需求和技術(shù)升級的需要。

本文研究的多功能檢測控制裝置即煤礦工業(yè)生產(chǎn)中的一種嵌入式電子設(shè)備，它用于循環(huán)采樣煤礦企業(yè)一些通風(fēng)設(shè)備的周圍環(huán)境溫度，并將檢測到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和顯示，供使用者查看實時信息。而且通過使用相應(yīng)的傳感器，該裝置不僅可以采集溫度信號，還可以采集壓力、流量等物理量。開發(fā)這樣一個多功能檢測控制裝置，一方面在功能上要滿足煤礦工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的需要，另一方面在穩(wěn)定性、精確性、通用性方面都有嚴(yán)格要求。因此，該裝置的研發(fā)不僅局限于滿足某個生產(chǎn)環(huán)境的需要，它還可以運用于將來更多場合的項目中，比如冶金工業(yè)、石油石化工業(yè)、紡織業(yè)、造紙業(yè)等。在本裝置的基礎(chǔ)上來完善其功能，可以開拓更為廣闊的應(yīng)用前景。

1 檢測控制裝置的硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架

本裝置采用S3C2440A核心板，底層電路需實現(xiàn)的功能包括12路Pt100溫度傳感器的循環(huán)采集、采用TCP／IP協(xié)議與上位機進(jìn)行通信、2路4～20 m A通用變送器的數(shù)據(jù)采集、添加主從USB口和串口以及CAN接口等常用端口等。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在本裝置的功能設(shè)計中，以S3C2440A核心板為系統(tǒng)的控制中心，通過它的GPIO口來循環(huán)采集12通道Pt100溫度傳感器電路和2通道4～20 m A變送器電路的輸入信號；S3C2440A核心板通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，輸出相關(guān)的數(shù)字量信息，通過基于IIC總線的DA電路轉(zhuǎn)換為模擬量，來實現(xiàn)對外圍設(shè)備的調(diào)節(jié)控制；主從USB口、串口等常用接口用于下載WinCE操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像文件和連接移動存儲設(shè)備；本裝置還可以通過TCP／IP協(xié)議和上位機進(jìn)行通信，將采集到的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C界面進(jìn)行顯示和繪制變化曲線，供使用者隨時監(jiān)測各通道的當(dāng)前狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.2 硬件設(shè)計

1.2.1 電源電路和掉電保護電路

本系統(tǒng)設(shè)計的電源電路和掉電保護電路分別如圖2和圖3所示，由于底層電路的AD7705芯片和74HC4051等芯片需提供5 V工作電壓，而核心板需提供3.3 V工作電壓，為此，在圖2中采用可負(fù)載1.5 A電流的低壓差線性穩(wěn)壓芯片AS1117AR，該芯片可以實現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)3.3 V的功能。同時為了防止電路不穩(wěn)定造成電源電路的電流過大燒壞核心板，使用一個50 m A的保險絲，以起到保護的作用。圖3中的掉電保護電路部分采用RTC電池，從圖中電路可知，當(dāng)電源電路斷開連接時，由備用電池給核心板的VDDRTC引腳提供3 V左右的電壓，它的作用在于當(dāng)核心板處于掉電模式時，備用電池可以使WinCE系統(tǒng)保存一些設(shè)置信息和時間的同步信息。

圖2 電源電路的設(shè)計

1.2.2 基于IIC總線的DA電路

圖3 掉電保護電路的設(shè)計

本裝置中的DA電路用于實現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)作用。核心板提供外圍電路的控制數(shù)字信息，經(jīng)過DA電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量輸出來調(diào)節(jié)外部設(shè)備的電壓，改變其工作狀態(tài)，再采集它的相關(guān)參數(shù)來實現(xiàn)閉環(huán)控制的作用。DA電路部分如圖4所示，該部分電路采用基于IIC總線通信方式的MAX517芯片，它是單通道的2線串行8位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），允許在多個設(shè)備之間進(jìn)行通信。MAX517采用5 V電源供電，它的內(nèi)部精密緩沖區(qū)允許DAC輸出軌到軌，輸出電壓的范圍可為0～5 V。由于該芯片采用5 V供電，當(dāng)使用IIC總線和核心板進(jìn)行通信時，需要采用3 V和5 V電平轉(zhuǎn)換電路才能正常工作。

圖4 DA電路的設(shè)計

2 系統(tǒng)性能測試和分析

本裝置的輸入通道部分采用Pt100鉑電阻三線制接法，3根輸入導(dǎo)線的長度相同，這樣能夠有效消除現(xiàn)場到控制室之間數(shù)十到數(shù)千米的導(dǎo)線對測量造成的影響。固態(tài)繼電器電路用于控制12路Pt100溫度傳感器輸入通道的選通和斷開狀況，其控制方法是通過S3C2440A核心板的GPIO輸出引腳的高低電平來決定哪路固態(tài)繼電器導(dǎo)通。本裝置設(shè)計的采集方式為12路輸入通道循環(huán)導(dǎo)通來采集數(shù)據(jù)，循環(huán)周期為100 ms，每隔1.2 s所有通道都被采集1次。裝置的WinCE操作系統(tǒng)界面將顯示采集到的每路Pt100的電壓值，單位為m V。由于Pt100分度表中的溫度和阻值是一一對應(yīng)的，根據(jù)這個對應(yīng)關(guān)系，只需將Pt100的電壓值轉(zhuǎn)換為電阻值，就可以對應(yīng)得出溫度值。通過這個轉(zhuǎn)換關(guān)系，可在上位機界面顯示Pt100溫度傳感器所在工業(yè)環(huán)境的溫度值。

為了方便實驗的測試過程，選用阻值為100Ω的電阻和量程為200Ω的變阻器來代替Pt100鉑電阻，并分2個部分對系統(tǒng)進(jìn)行測試。

（1）在第12路Pt100輸入通道接入100Ω的電阻，在WinCE應(yīng)用程序中選通第12路通道，實驗板上的讀取結(jié)果為183 m V。由此可知，本裝置實現(xiàn)了選擇通道、采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)到上位機這3個功能。

（2）在第1路Pt100輸入通道接量程為200Ω的變阻器，在WinCE應(yīng)用程序中選通第1路通道，調(diào)節(jié)變阻器的阻值分別為93Ω、97Ω、105Ω、108Ω、116Ω、120Ω、125Ω、131Ω，查看實驗結(jié)果，給出了阻值為93Ω、105Ω時PC機界面上采集到的溫度值。實驗數(shù)據(jù)及誤差分析如表1所示。

表1 系統(tǒng)測試的1組數(shù)據(jù)

由表1中的測試結(jié)果可以分析出本裝置在輸入電阻為93～131Ω之間時，檢測到的最大溫度相對誤差為1.64%，最小誤差為1.08%，這樣的效果是符合本項目設(shè)計要求的。從本裝置的實際應(yīng)用考慮，當(dāng)Pt100鉑電阻處于煤礦生產(chǎn)環(huán)境中時，其周圍環(huán)境的溫度變化使鉑電阻的阻值在90～130Ω之間變化，而這個區(qū)間的電阻值輸入信號用本裝置來進(jìn)行實時采集和轉(zhuǎn)換后，可以使誤差維持在1.7%以下，因此，在精確性方面裝置是滿足要求的。通過以上2個實驗的結(jié)果可以得出結(jié)論：該裝置實現(xiàn)了多路Pt100溫度信號輸入的循環(huán)采集功能，具有實時監(jiān)測作用。

3 結(jié)語

本文完成了設(shè)計和研究煤礦用多功能檢測控制裝置的工作，包括從電路原理設(shè)計到軟件程序編寫，再到電路板調(diào)試和測試的整個流程。本裝置采用體積小、性價比高、功能完善的ARM芯片S3C2440A作為微處理器，以目前流行的WinCE5.0系統(tǒng)作為裝置的操作系統(tǒng)，并且實現(xiàn)了與PC機的TCP／IP通信功能。通過底層電路的設(shè)計本裝置可以循環(huán)采集多路信號，并實時顯示在WinCE的界面和PC機的Windows界面上。實驗證明，該裝置工作正常、系統(tǒng)穩(wěn)定、精確性較高，適用于煤礦工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，達(dá)到了預(yù)期效果。

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