基于ARM的礦井設(shè)備監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

摘要 根據(jù)目前煤礦井下供電系統(tǒng)饋電裝置多、通信協(xié)議繁雜的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種具有RS-485接口的多協(xié)議監(jiān)測裝置。文中給出了該裝置的總體結(jié)構(gòu)，介紹了裝置的軟、硬件設(shè)計(jì)方案。測試證明，裝置可對(duì)多種協(xié)議和波特率的RS-485總線設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測，有效地提高了數(shù)字化礦井的安全監(jiān)控能力。

RS-485通信技術(shù)因其物理連接方便、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)在礦井供電設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。目前基于RS-485接口的通信協(xié)議沒有統(tǒng)一的規(guī)定，在不同協(xié)議設(shè)備之間難以實(shí)現(xiàn)信息的正常傳輸。鑒此，文中采用LPC2148ARM7對(duì)特定通信規(guī)約的RS-485總線進(jìn)行分析，進(jìn)而設(shè)計(jì)了具有多種通信接口的監(jiān)測裝置，該裝置能夠準(zhǔn)確監(jiān)測多種設(shè)備的實(shí)時(shí)信息。

1 監(jiān)測裝置總體設(shè)計(jì)

該信息監(jiān)測裝置主要由ARM微控制器、存儲(chǔ)器單元、鍵盤接口、LCD顯示模塊、通信模塊等部分組成，如圖1所示。微控制器采用NXP公司的支持實(shí)時(shí)仿真的ARM7TDMI-S芯片LPC2148，將基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于礦井監(jiān)測裝置中，具有集成度高、運(yùn)行速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。LPC2148內(nèi)部集成了512 KBFLASH和32 KBRAM，在此外接非易失性鐵磁存儲(chǔ)器AT24C256，提高了信息安全可靠性。人機(jī)交互與液晶顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入和顯示界面的人機(jī)操作。由于受礦井環(huán)境的影響，因此對(duì)RS-485總線的硬件設(shè)計(jì)提出了新的抗干擾措施。

2 裝置硬件設(shè)計(jì)

主控單元是基于一個(gè)支持嵌入式跟蹤32/16位ARM7TDMI-S CPU的微控制器有高速FLASH存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘下運(yùn)行。

2.1 人機(jī)交互和液晶顯示模塊

液晶顯示模塊采用SSD1289，該模塊核心為240RGB×320TFT LCD控制器，顯示效果好，滿足礦井設(shè)備顯示要求。人機(jī)交互模塊采用獨(dú)立按鍵與觸摸屏兼容模式，按鍵達(dá)到本質(zhì)安全型要求，觸摸屏采用ADS7843接口芯片，ADS7843是一款具有同步串行接口的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在125 kHz吞吐速率和2.7 V電壓下功耗為750 μW，在低功耗設(shè)備中應(yīng)用廣泛。

2.2 存儲(chǔ)單元

本文采用AT24C256鐵電存儲(chǔ)器作為監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)緩沖器，應(yīng)用非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)斷電可保存10年，傳輸實(shí)時(shí)性好。鐵電存儲(chǔ)器有并行接口、SPI(Serial Pheripheral Interface)和I2C(Intel ICInterface)接口3種類型。因I2C總線可擴(kuò)展性強(qiáng)，電路簡潔，故采用該接口的存儲(chǔ)器，AT24C256與LPC2148的接口電路如圖2所示。

2.3 RS-485總線通信模塊

RS-485總線通信模塊已在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，為了增強(qiáng)通信的抗干擾能力和穩(wěn)定性，文中采用了雙向TVS，可在正反方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，保護(hù)通信信號(hào)。同時(shí)采用高速光耦合器，有效抑制了信號(hào)干擾，RS-485通信模塊電路如圖3所示。

3 監(jiān)測終端通信規(guī)約分析

3.1 通信協(xié)議分析

礦井設(shè)備大都采用整套設(shè)備，或者將部分非成套設(shè)備進(jìn)行改造。對(duì)于工業(yè)RS-485接口，改造方案多按標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議。文中通過改造監(jiān)測裝置，對(duì)不同協(xié)議的信息進(jìn)行監(jiān)測，有效解決了通信協(xié)議不兼容的問題。現(xiàn)對(duì)兩種協(xié)議進(jìn)行監(jiān)測，協(xié)議一為饋電II通信規(guī)約2.0，如圖4所示，協(xié)議二采用MODBUSRTU，如圖5所示。進(jìn)而監(jiān)測裝置將兩種協(xié)議轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

上述協(xié)議是在實(shí)際工程中遇到的兩種通信協(xié)議，當(dāng)應(yīng)用于同一系統(tǒng)中，筆者在嵌入式軟件設(shè)計(jì)中采用協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行處理，有效解決了礦井設(shè)備不配套、通信協(xié)議不兼容的問題。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

裝置軟件是基于Linux操作系統(tǒng)的嵌入式軟件開發(fā)，RS-485通信驅(qū)動(dòng)程序如圖7所示。

4 調(diào)試結(jié)果

軟件設(shè)計(jì)完成后，采用RS-485轉(zhuǎn)USB對(duì)底層驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行調(diào)試。對(duì)于報(bào)文格式一，設(shè)置參數(shù)，調(diào)試結(jié)果如圖8所示。對(duì)于報(bào)文格式二，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，調(diào)試結(jié)果如圖9所示。

5 結(jié)束語

本文提出了利用ARM為控制核心監(jiān)測礦井非成套設(shè)備，通過該監(jiān)測裝置可實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。能對(duì)礦井饋電設(shè)備的故障信息、SOE實(shí)時(shí)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，具有掉電保護(hù)功能，并對(duì)礦井復(fù)雜的電磁環(huán)境提出了RS-485的抗干擾設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置對(duì)礦井設(shè)備的安全監(jiān)控具有重要意義。