煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸接口的硬件設(shè)計

曹迎軍，崔伍萍

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南　鄭州　450000；2.鄭州信息工程職業(yè)學(xué)院，河南　鄭州　450121）

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煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸接口的硬件設(shè)計

曹迎軍1，崔伍萍2

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南鄭州450000；2.鄭州信息工程職業(yè)學(xué)院，河南鄭州450121）

摘要：煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦安全高效生產(chǎn)的重要保障。監(jiān)控系統(tǒng)通過傳輸借口對井下的生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行綜合分析和科學(xué)判斷，實現(xiàn)對生產(chǎn)場所的安全監(jiān)測與控制，確保煤礦安全生產(chǎn)。本文從建立通信模型，到基于DS80C320的RS-485通信電路、USB通信電路及存儲電路的設(shè)計，并對硬件的抗干擾技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計。文章設(shè)計的信息傳輸接口具有傳輸速度快、通信距離遠(yuǎn)、智能化程度高和顯示功能等優(yōu)點，滿足了現(xiàn)代煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用要求，實現(xiàn)了監(jiān)控主機(jī)和分站的通信。

關(guān)鍵詞：煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)；信息傳輸接口；RS-485；USB

1　煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的通信模型

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)由地面和井下兩部分組成，其中地面部分一般由監(jiān)控主機(jī)、傳輸接口、打印機(jī)、電視墻、管理工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器等組成，井下部分包括傳感器、斷電儀、電源、分站等設(shè)備。

主機(jī)是地面部分監(jiān)控中心處理數(shù)據(jù)的核心，主要作用是接收數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令。傳輸接口接收主機(jī)發(fā)送給分站的控制命令，并傳送給分站，另一方面接收井下分站傳送過來的數(shù)據(jù)并傳送主機(jī)進(jìn)行處理。傳輸接口與監(jiān)控主機(jī)間采用USB接口進(jìn)行通信，井下分站采用RS-485接口與信息傳輸接口連接。

2　信息傳輸接口硬件總體設(shè)計

圖1　信息傳輸接口硬件結(jié)構(gòu)圖

3　信息傳輸接口電路設(shè)計

3.1外圍存儲電路的設(shè)計

單片機(jī)DS80C320具有64KB外部程序/數(shù)據(jù)尋址能力，因此可以對其進(jìn)行存儲器的擴(kuò)展，包括片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。

3.2程序存儲器的擴(kuò)展

由于DS80C320內(nèi)部不含片內(nèi)ROM，因此擴(kuò)展一片片外程序存儲器就顯得尤為必要，用于存放信息傳輸接口的監(jiān)控程序，使接口能夠有序穩(wěn)定的工作。

該設(shè)計本文選用EPROM芯片27512，EPROM是紫外線可擦除的可編程半導(dǎo)體只讀存儲器，掉電后信息不會丟失，而且其價格低廉，性能可靠。擴(kuò)展程序存儲器就是把單片機(jī)的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲器芯片的對應(yīng)引腳連接起來。其電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 27512存儲電路

由于是擴(kuò)展1片EPROM，其片選/CE可接地，只要系統(tǒng)執(zhí)行讀外部程序存儲器的指令，就由/PSEN控制讀該片EPROM。DS80C320單片機(jī)的程序存儲器選擇線/EA接地，始終選擇外部程序存儲器。

3.3數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展

嚴(yán)格執(zhí)行機(jī)構(gòu)改革和機(jī)構(gòu)編制管理紀(jì)律。堅決維護(hù)機(jī)構(gòu)改革決策的嚴(yán)肅性和權(quán)威性，嚴(yán)格執(zhí)行機(jī)構(gòu)改革政治紀(jì)律、組織紀(jì)律、機(jī)構(gòu)編制紀(jì)律、干部人事紀(jì)律、財經(jīng)紀(jì)律、保密紀(jì)律等各項紀(jì)律。將機(jī)構(gòu)改革實施情況納入省委省政府重大決策部署督察任務(wù)和巡視巡察范圍，強(qiáng)化監(jiān)督和執(zhí)紀(jì)問責(zé)，確保高質(zhì)量完成改革任務(wù)?！?/p>

煤礦現(xiàn)場采集的環(huán)境參數(shù)信息和設(shè)備狀態(tài)信息經(jīng)井下分站傳送到信息傳輸接口后，由于監(jiān)控主機(jī)暫時來不及接收或主機(jī)故障等原因使數(shù)據(jù)丟失，因此外接一個數(shù)據(jù)存儲器可以存儲更多的數(shù)據(jù)信息，而不至于使主機(jī)故障等原因?qū)е聰?shù)據(jù)丟失，并且可以長時間存儲數(shù)據(jù)信息直到主機(jī)恢復(fù)正常工作后可以接收到該信息，保障數(shù)據(jù)信息的連續(xù)性。

該設(shè)計本文選用ATMEL公司生產(chǎn)的Flash存儲器AT29C256，AT29C256具有掉電后信息保留的特點，又可以在線寫入（寫入前自動擦除），并且可以按頁連續(xù)字節(jié)寫入。擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲器的具體方法與擴(kuò)展程序存儲器基本相同。其中地址總線和數(shù)據(jù)總線的連接方法完全一樣，區(qū)別在于所使用的控制信號不同。單片機(jī)的讀選通信號/PSEN控制片外程序存儲器的讀操作，而單片機(jī)的/RD和/WR信號控制片外數(shù)據(jù)存儲器的讀和寫。其電路設(shè)計如圖3所示。

圖3　AT29C256存儲電路

AT29C256的讀/寫控制端/OE和/WE分別接到單片機(jī)的/ RD和/WR端，以便系統(tǒng)能夠?qū)T29C256進(jìn)行正常的讀/寫操作。其片選/CE連接單片機(jī)的P2.7，即單片機(jī)地址總線的最高位A15。

3.4USB通信電路設(shè)計

信息傳輸接口的硬件以微控制器為核心，主機(jī)與信息傳輸接口以及信息傳輸接口與井下分站之間的通信由微控制器控制。在主機(jī)與信息傳輸接口之間采用USB進(jìn)行通信，通過CH341A連接主機(jī)和信息傳輸接口。其電路設(shè)計如圖4所示。

圖4　USB通信電路

該設(shè)計采用DS80C320單片機(jī)，利用MCU的串口模塊，可以與CH341A直接構(gòu)成3線串口通訊方式，經(jīng)過CH341A轉(zhuǎn)換后，通過USB接口與PC機(jī)相連。當(dāng)CH341A工作在異步串口模式時，CH341A提供串口發(fā)送使能、串口接收就緒等交互式的速率控制信號為計算機(jī)擴(kuò)展異步串口或者把普通的串口設(shè)備直接升級為USB總線。

3.5RS-485通信電路設(shè)計

井下分站采集的煤礦現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過信息傳輸接口才能傳送到監(jiān)控主機(jī)。由于煤礦特殊的環(huán)境條件，信息傳輸接口和井下分站之間的通訊我們采用速度快，傳輸距離遠(yuǎn)，具有很強(qiáng)抗干擾能力的RS-485總線。

本文選用MAXIM公司的半雙工485總線收發(fā)器MAX485，其具有8個外部引腳，采用單一電源+5V工作，額定電流為300μA，實現(xiàn)了TTL電平與RS-485轉(zhuǎn)換。所有器件都工作在+5V單電源下。當(dāng)輸入開路時，可以確保邏輯高電平輸出，具有較高的抗干擾性能。其接口電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 MAX485與DS80C320接口電路

在圖5所示的電路中MAX485的RE為接收控制端，DE為發(fā)送控制端。用DS80C320的Pi與兩個控制端相連，平時置Pi為低，使控制器串口處于接收狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要接收時通過RO接收數(shù)據(jù)；當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時置高Pi，將數(shù)據(jù)通過DI發(fā)送出去。A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當(dāng)A端的電平高于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A端電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。為了保證信號的傳輸質(zhì)量，在總線的末端接一個120Ω的終端電阻用于吸收反射信號。

4　硬件抗干擾設(shè)計

礦井生產(chǎn)中惡劣的電子環(huán)境以及各種大型設(shè)備開機(jī)或者關(guān)機(jī)時所產(chǎn)生的電流波動和電磁干擾都會影響到煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此，信息傳輸接口必須有很強(qiáng)的抗干擾能力，才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。

4.1電源抗干擾技術(shù)

電源噪聲是電源干擾主要表現(xiàn)形式，這種噪聲通常有過壓、尖鋒等形式是通過電源電壓變化持續(xù)時間的大小來決定的。影響系統(tǒng)正常運(yùn)行最為嚴(yán)重的是尖峰電壓，導(dǎo)致邏輯功能紊亂、源程序丟失。采用交流穩(wěn)壓電源來消除電源噪聲，使用雙隔離變壓器以抑制高頻噪聲，增強(qiáng)系統(tǒng)抗共模干擾的能力。采用粗導(dǎo)線作為電源連接線。為使供電電源有良好的退耦電路，邏輯電路和模擬電路的布線應(yīng)盡量分開。

4.2看門狗

看門狗有軟件看門狗、硬件看門狗等。該設(shè)計中采用了軟硬件相結(jié)合的看門狗技術(shù)。具體是由一片MAX813L和相應(yīng)的軟件來完成。在指定的時間內(nèi)，軟件未接收到給看門狗定時器的輸入信號（可能由于程序彈飛或死機(jī)等），芯片將給出復(fù)位脈沖使單片機(jī)復(fù)位，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

4.3光電隔離技術(shù)

光電耦合是采用半導(dǎo)體光電耦合器件進(jìn)行隔離。它的主要優(yōu)點是能有效地抑制尖峰脈沖及各種干擾。防止干擾信號直接從電路上進(jìn)入輸出電路，提高過程通道上信噪比。采用光電隔離技術(shù)隔離傳輸信道和單片機(jī)之間的信號，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

5　結(jié)語

本文根據(jù)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)對信息傳輸接口的要求，設(shè)計了信息傳輸接口的具體方案。圍繞所選用的控制器DS80C320對信息傳輸接口進(jìn)行了總體電路設(shè)計，然后分別對外圍存儲電路、與監(jiān)控主機(jī)的USB通信接口電路、與分站的RS-485接口電路進(jìn)行了具體的電路設(shè)計，最后考慮到礦井的生產(chǎn)環(huán)境，進(jìn)行了硬件抗干擾方面的設(shè)計。

The Hardware Research and Design of Information Transmitting Interface in Coal Mine Safety Monitor and Control System

Cao Yingjun1，Cui Wuping2
(1.Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, Zhengzhou450000, China; 2.Zhengzhou Information Engineering Vocational College， Zhengzhou450121， China）

Abstract：The safety monitoring system of the coal mine is an important indemnifcation to ensure safe and effcient production. The system by transmitting excuse carries on a comprehensive analysis and scientifc judgment of the underground environment， to ensure safety in coal mines production. The hardware design detail interface based DS80C320 RS-485 communication circuit， and USB communication circuit and memory circuit design； Last discusses the anti-jamming technology. This design of information transmission interface with the communication distance, transmission speed, support hot swap and display functions, etc., to meet the design requirements of a modern coal mine safety monitoring system， the monitoring host and sub-station communication.

Key words：coal mine safety monitor and control system； transmitting interface； RS-485； USB

作者簡介：曹迎軍（1987-），男，河南遂平，碩士，講師；研究方向：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。