CN101599880B - 嵌入式矿用数据分站 - Google Patents
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Abstract
本发明一种嵌入式矿用数据分站，是煤矿安全生产监控系统中使用的井下数据采集与控制装置。该分站由本安电源、ARM控制器主板、CAN总线通讯板、显示驱动板、液晶显示屏和防爆外壳组成。通过下行RS485总线实时采集挂接在该矿用数据分站上的各种模拟量、开关量、累积量传感器的实时数据，通过液晶显示屏实时显示；根据实时数据变化，按照设定的控制逻辑自动对所挂接的输出设备进行断电控制；通过上行CAN总线接口将数据传输至地面监控主机，进行网络化监控。该分站适用于煤矿井下环境中，具有智能报警断电控制和自主组网功能，是无主式煤矿安全生产监控系统中的重要组成部分，可及时减少煤矿安全事故的发生机率。
Description
技术领域
本发明涉及信息技术与自动化领域信息处理技术领域，涉及煤矿井下安全生产实时监测监控系统中井下监控数据分站的功能构成，是利用嵌入式软硬件技术组成的嵌入式矿用数据分站的实时监控监测装置，形成了适用于煤矿井下环境的具有智能报警断电控制和自主组网功能的矿用监控设备。
背景技术
能源工业对于国家国民经济的持续高速发展和国防建设来说都是至关重要的基础行业。煤炭资源是我国最为主要的能源构成部分，国内煤炭生产行业也是国家重要的支柱产业之一，而煤炭安全生产监控系统是保障煤矿生产开发过程中不可或缺的部分。我国煤矿安全生产自动化监测监控系统起步于80年代，20多年来几乎没有大的技术进步。现有系统全部为集散模式，速度慢、容量低、可靠性差、无网络功能、系统间软硬件互不兼容、成本高、仅仅数据监测无多媒体监测功能。技术条件的落后也是造成国内近年来矿难频发的一个不可忽视的因素。传统的煤矿安全生产监控系统都采用主从式的结构方式进行井下瓦斯、风量等参数的监测与预警控制，其工作模式都是由监控中心站向井下分站发送采集命令，井下分站采集到数据后上传至监控中心站，由中心站对数据进行分析处理后，再做出井下设备断电的控制决策，下发到井下分站由进行分站来执行操作。整个监控过程由多个通讯环节构成，控制过程冗余繁琐，再加上分站软硬件技术条件的限制，形成了从发现异常到断电操作之间较长的时间滞后，造成了安全事故发生的严重隐患。在该系统中井下监控分站只起到一个数据采集和通讯中介的作用，没有自主性和智能性可言，而且控制操作严重依赖于通讯过程，一旦通讯通路故障，整个监控系统陷入瘫痪，失去安全生产监控的作用。因此，有必要开发一种能够实现智能断电控制和自主组网功能的矿用数据分站，构成煤矿井下的区域控制中心，实现无主式的数据通讯方式，提高煤矿安全生产监控系统对异常处理的及时性，降低系统对通讯通路的依赖性，减少煤矿安全生产事故发生的机率。
发明内容
本发明的目的是利用ARM嵌入式软硬件技术和本安防爆技术提供一种嵌入式矿用数据分站，在煤矿安全生产监控系统中实现无主式通讯方式，形成煤矿井下区域性智能管理，实现井下异常情况的及时报警和断电处理，提高煤矿安全生产监控系统的及时性和可靠性，降低煤矿安全生产事故的发生概率，保障煤矿资源的合理开发与应用。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种嵌入式矿用数据分站，包括本安电源、ARM控制器主板、CAN总线通讯板、显示驱动板、液晶显示屏和防爆外壳；其中，防爆外壳由隔爆腔和本安腔构成，本安电源安装在隔爆腔内，ARM控制器主板、CAN总线通讯板、显示驱动板和液晶显示屏均采用本质安全型电路设计，相互之间采用总线式插件叠插在一起，安装在本安腔内；隔爆腔和本安腔之间通过带有密封橡胶圈的矿用电缆进行电气连接；
ARM控制器主板含有ARM处理器、电源管理部分、实时时间部分、内存部分和USB、RS232、以太网多种通讯接口；CAN总线通讯板含有CAN总线通讯接口，作为矿用数据分站的上行通讯接口；显示驱动板含有地址选择开关、数据存储器、液晶屏驱动接口和RS485通讯接口，其中RS485接口作为矿用数据分站的下行通讯接口；
本安电源含有交流电输入接口、变压器、电源变换电路、过流保护电路、本安电源输出接口、电池充放电电路和充电电池，外部交流电通过带密封橡胶圈的矿用电缆接入到交流电输入接口上，经保险丝接入变压器的输入端，变压器输出端与电源变换电路连接，经过流保护电路后将直流电压输出到本安电源输出端口，为矿用数据分站的其他电路板供电，充电电池通过充放电电路为本安电源提供备用UPS电源；
矿用数据分站通过上行CAN总线通讯接口与通讯网关及其他矿用数据分站相连，形成总线式通讯系统；通过下行RS485总线通讯接口与总线式传感器、执行器或信号转换器相连，信号转换器实现传统模拟量传感器、执行器向RS485总线之间的信号转换。
所述的嵌入式矿用数据分站，其所述ARM处理器为ARM9处理器。
所述的嵌入式矿用数据分站，其所述矿用数据分站的显示驱动板所含有的数据存储器中存储所挂接的传感器和执行器的相关阈值和控制逻辑，实时采集各传感器的数值或状态，与存储的阈值进行比较，判断是否进行自动控制，并按照相关控制逻辑对相应通道的执行器进行控制输出；控制逻辑中允许矿用数据分站之间的相互控制，通过CAN总线实现异地控制。
所述的嵌入式矿用数据分站，其所述本安电源的输入电压为380V交流电，其输出电压为5V，输出电流为≤2A。
所述的嵌入式矿用数据分站，其所述CAN总线通讯接口与通讯网关及其他嵌入式矿用数据分站连接，通讯波特率为5k～40kbps，最大接入矿用数据分站的容量≤100个，通讯距离为≤2km。
所述的嵌入式矿用数据分站，其所述RS485通讯接口与多个传感器、执行器或信号转换器相连接，通讯波特率为1200～115200bps，通讯距离为≤1km。
所述的嵌入式矿用数据分站，其所述液晶显示屏为单色点阵式显示屏，分辨率为240*128像素。
所述的嵌入式矿用数据分站，其所述矿用数据分站的显示驱动板所含有的数据存储器的容量为至少20万条传感器数据，每条数据包括通道号、采集时间、数据值、单位。
所述的嵌入式矿用数据分站，其所述地址选择开关由两个10位BDC码拨盘开关组成，通过手动拨动来设定矿用数据分站在CAN总线通讯系统中的ID地址。
所述的嵌入式矿用数据分站，其所述本安电源的充电电池为12V/7.2AH蓄电池，本安电源通过内置UPS切换开关控制蓄电池充放电。
本发明提出的嵌入式矿用数据分站的主要优点如下：利用基于ARM处理器的嵌入式系统技术研制的矿用数据分站，其数据采集处理能力更强，能同时对64路传感器的数据分别进行处理；利用CAN总线通讯技术技术实现了矿用数据分站与通讯网关、矿用数据分站之间的实时数据通讯，提高了通讯速度和传输效率；采用无主式的结构形式，使监控中心站与矿用数据分站具有相对的独立性，矿用数据分站不再单纯是一个数据采集与中转的简单设备，而成为一个对井下传感器、执行器进行区域性管理的智能单元，具有自主组网和智能管理的功能；采用点阵式液晶屏显示，能够显示更多的传感器信息、分站通讯状态、电源供电状态等信息，便于及时掌握监控系统各单元设备的工作情况；系统的UPS供电功能可维持系统在交流电断电情况下持续工作6小时，同时向监控中心进行远程报警，提高了系统维护的及时性。
附图说明
图1为本发明的嵌入式矿用数据分站的结构框图；
图2为本发明的嵌入式矿用数据分站的硬件功能电路连接图；
图3为本发明的嵌入式矿用数据分站在煤矿安全生产监控系统中应用的系统连接示意图。
具体实施方式
本发明的一种基于ARM处理器的嵌入式矿用数据分站，是煤矿安全生产监控系统中使用的井下数据采集与控制装置。该装置由本安电源、ARM控制器主板、CAN总线通讯板、显示驱动板、液晶显示屏和防爆外壳组成，如图1所示。其中防爆外壳由隔爆腔和本安腔构成，本安电源安装在隔爆腔内，ARM控制器主板、CAN总线通讯板、显示驱动板和液晶显示屏均采用本质安全型电路设计，每块电路板上都按照相同的总线标准设计了104芯的系统总线接口，相互之间采用总线式插件叠插在一起，安装在本安腔内；隔爆腔和本安腔之间通过带有密封橡胶圈的矿用电缆进行电气连接。该矿用数据分站是一种隔爆兼本质安全型矿用设备，能产生电火花的交流电输入和电源电路部分安装在隔爆腔内，达到隔爆要求，密闭性良好，即使产生电火花也不会到达腔体外部，保证不会引燃可燃性气体而发生爆炸；本安电源的输出和本安腔内的电路部分都采用本质安全型电路，自身不会产生电火花，保证了该设备在煤矿井下的安全使用。
图2为该矿用数据分站的硬件功能电路连接图，主要由本安电源和ARM控制电路两部分组成。本安电源是为矿用数据分站提供本质安全型电压供给的电气单元，主要由交流电输入接口、变压器、电源变换电路、过流保护电路、电池充放电电路(各部分电路在图中未单独示出)、充电电池和本安电源输出接口组成，外部交流电通过带密封橡胶圈的矿用电缆接入到交流电输入接口上，经保险丝接入变压器的输入端，变压器输出端与电源变换电路连接，经过流保护电路后将直流电压输出到本安电源输出端口，为矿用数据分站的其他电路板供电，充电电池通过充放电电路为本安电源提供备用UPS电源。ARM控制电路由ARM处理器作为其核心，外围连接电压等级变换电路、程序存储器(Flash)、内存(SDRAM)，并扩展出系统总线，连同各种等级的电源电压构成104芯的总线接口，与其他电路板连接，在系统总线接口上，连接RS485转换芯片构成下行RS485总线通讯接口，连接电平驱动电路挂接液晶显示屏，连接2MB的Flash存储器作为矿用数据分站的数据存储器，连接实时时钟芯片以获取当前日期和时间，连接电平转换芯片、CAN控制器芯片、光电耦合隔离器件、CAN总线收发器芯片及隔离电压变换模块(DC/DC模块)构成上下CAN总线通讯接口。
图2的工作原理如下：380V交流电经变压器变换为19V交流电，由本安电源的电压变换电路进行整流、滤波、稳压，产生出5V直流电压，同时在本安电压输出端口使用过流保护电路对输出电流进行测量，一旦输出电流达到或超过设定最大值2A，保护电路构成的反馈回路将关断电压输出，使本安输出电压为0；同时在本安电压输出的前端使用电池充放电控制电路，控制交流电压和12V/7.2AH蓄电池之间的电气切换，使该本安电源具有UPS供电功能。5V电压输出至本安腔后，由电压转换芯片变换为3.3V和1.8V两种电压等级，为ARM处理器芯片供电；ARM处理器上电后从Flash存储器中读取程序代码，在SDRAM中进行执行操作，实现嵌入式系统的软件运行。其主要控制操作为：按照设定的采样间隔通过RS485下行通讯接口采集挂接在的该矿用数据分站上的传感器的实时数据，经过运算处理后通过液晶屏显示接口送到液晶显示屏进行实时显示，并读取实时时钟内容，将数据打包成固定格式，按照设定的上传间隔通过CAN上行通讯接口传输到监控中心站；同时根据采集到的传感器数据和状态，与存储在数据存储器中的相关阈值进行比较，判断是否进行自主控制操作，如需要执行则根据存储的控制逻辑通过RS485总线向相关执行器发送控制命令，或通过CAN总线向其他矿用数据分站发送异地控制命令，实现井下异常变化的及时处理与控制。
图3为该矿用数据分站在煤矿安全生产监控系统中应用的系统连接示意图。系统主要由地表服务器、通讯网关、矿用数据分站、传感器、执行器及矿用信号转换器构成。地表服务器与地面的通讯网关通过网线连接，各个通讯网关之间通过光缆连接，构成冗余光纤环网。各个通讯网关具有CAN总线接口，与矿用数据分站通过双绞电缆连接，形成CAN通讯总线。矿用数据分站通过RS485下行总线与总线式的传感器、执行器连接，而对于模拟信号传感器和执行器，通过矿用信号转换器作为转换中介，与矿用数据分站连接。CAN总线最大容量挂接100个矿用数据分站，波特率选用20kbps，最远距离2km，RS485总线最大容量挂接64个传感器、执行器(或通过矿用信号转换器挂接)，最远距离为1km，波特率选用9600bps。
图3的工作原理如下：矿用数据分站通过RS485总线实时采集各传感器的数据和状态，经处理后通过液晶屏实时显示，并根据控制逻辑自主对相关执行器进行控制操作，并把实时数据和控制信息打包后通过CAN总线传输至通讯网关，通讯网关将有效数据从CAN协议中分离出来，并使用TCP/IP协议对数据进行打包处理，并通过光纤环网传递到地表服务器，实现对井下参数的实时监测。当地表服务器需要对井下设备的参数和工作状态进行修改和控制时，由地表服务器通过光纤环网将数据利用TCP/IP协议传递至相应的通讯网关，由该通讯网关分理出有效命令，使用CAN总线协议将命令传递给指定的矿用数据分站，由矿用数据分站进行命令的执行，从而实现煤矿井下设备的远程控制。
本发明采用ARM嵌入式软硬件技术和总线式通讯技术形成的矿用数据分站，其处理能力强，具有一定的自主控制和智能管理功能，解决了传统煤矿安全生产监控系统中分站功能简单，严重依赖于监控中心站的问题。矿用数据分站通过CAN总线和RS485总线形成了多个相对独立的子系统，可以实现区域性的参数采集与实时控制，也可以通过矿用数据分站之间的无主式通讯，实现异地断电控制功能，大大提高了系统的自主性和实时性，解决了传统煤矿安全监控系统中主从式查询方式带来的诸多弊端，其自主组网功能使得即使在通讯主干道损坏或监控中心站故障的情况下，矿用数据分站仍能及时对突发异常进行及时处理控制，降低了井下突发灾难事故发生的机率，保障了煤矿安全合理的生产与开发。
Claims (10)
1.一种嵌入式矿用数据分站，其特征在于：包括本安电源、ARM控制器主板、CAN总线通讯板、显示驱动板、液晶显示屏和防爆外壳；其中，防爆外壳由隔爆腔和本安腔构成，本安电源安装在隔爆腔内，ARM控制器主板、CAN总线通讯板、显示驱动板和液晶显示屏均采用本质安全型电路设计，相互之间采用总线式插件叠插在一起，安装在本安腔内；隔爆腔和本安腔之间通过带有密封橡胶圈的矿用电缆进行电气连接；
ARM控制器主板含有ARM处理器、电源管理部分、实时时间部分、内存部分和USB、RS232、以太网多种通讯接口；CAN总线通讯板含有CAN总线通讯接口，作为矿用数据分站的上行通讯接口；显示驱动板含有地址选择开关、数据存储器、液晶屏驱动接口和RS485通讯接口，其中RS485通讯接口作为矿用数据分站的下行通讯接口；
本安电源含有交流电输入接口、变压器、电源变换电路、过流保护电路、本安电源输出接口、电池充放电电路和充电电池，外部交流电通过带密封橡胶圈的矿用电缆接入到交流电输入接口上，经保险丝接入变压器的输入端，变压器输出端与电源变换电路连接，经过流保护电路后将直流电压输出到本安电源输出端口，为矿用数据分站的其他电路板供电，充电电池通过充放电电路为本安电源提供备用UPS电源；
矿用数据分站通过上行CAN总线通讯接口与通讯网关及其他矿用数据分站相连，形成总线式通讯系统；通过RS485通讯接口与总线式传感器、总线式执行器或信号转换器相连，信号转换器实现传统模拟量的传感器、执行器向RS485通讯接口之间的信号转换。
2.如权利要求1所述的嵌入式矿用数据分站，其特征在于：所述ARM处理器为ARM9处理器。
3.如权利要求1所述的嵌入式矿用数据分站，其特征在于：所述矿用数据分站的显示驱动板所含有的数据存储器中存储所挂接的传感器和执行器的相关阈值和控制逻辑，实时采集各传感器的数值或状态，与存储的阈值进行比较，判断是否进行自动控制，并按照相关控制逻辑对相应通道的执行器进行控制输出；控制逻辑中允许矿用数据分站之间的相互控制，通过CAN总线实现异地控制。
4.如权利要求1所述的嵌入式矿用数据分站，其特征在于：所述本安电源的输入电压为380V交流电，其输出电压为5V，输出电流为≤2A。
5.如权利要求1所述的嵌入式矿用数据分站，其特征在于：所述CAN总线通讯接口与通讯网关及其他嵌入式矿用数据分站连接，通讯波特率为5k～40kbps，最大接入矿用数据分站的容量≤100个，通讯距离为≤2km。
6.如权利要求1所述的嵌入式矿用数据分站，其特征在于：所述RS485通讯接口与多个总线式传感器、总线式执行器或信号转换器相连接，通讯波特率为1200～115200bps，通讯距离为≤1km。
7.如权利要求1所述的嵌入式矿用数据分站，其特征在于：所述液晶显示屏为单色点阵式显示屏，分辨率为240*128像素。
8.如权利要求1或3所述的嵌入式矿用数据分站，其特征在于：所述矿用数据分站的显示驱动板所含有的数据存储器的容量为至少20万条传感器数据，每条数据包括通道号、采集时间、数据值、单位。
9.如权利要求1所述的嵌入式矿用数据分站，其特征在于：所述地址选择开关由两个10位BDC码拨盘开关组成，通过手动拨动来设定矿用数据分站在CAN总线通讯系统中的ID地址。
10.如权利要求1或3所述的嵌入式矿用数据分站，其特征在于：所述本安电源的充电电池为12V/7.2AH蓄电池，本安电源通过内置UPS切换开关控制蓄电池充放电。
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