CN102116165B - 煤矿液压支架控制装置及其集散控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤矿液压支架控制装置及其集散控制系统，包括：控制模块，人机交互模块，传感器信号处理模块，通讯接口模块，电磁先导阀驱动模块，急停闭锁模块和电源变换模块；所述控制模块分别与所述人机交互模块、所述传感器信号处理模块、所述通讯接口模块、所述电磁先导阀驱动模块和所述急停闭锁模块相连。因此，本发明所提供的煤矿液压支架控制装置，不仅结构简单，集成度高，而且具有很强的抗干扰能力和高可靠性，并可以对液压支架进行实时监测和故障诊断，更能适应矿井复杂工作环境的需求。

Description

煤矿液压支架控制装置及其集散控制系统

技术领域

本发明涉及煤矿自动化设备领域，特别涉及一种煤矿液压支架控制装置及其集散控制系统。

背景技术

煤矿是当今世界上的重要能源，煤矿的开采工作基本需要进行地下作业，因此具有较大的危险性。引起煤矿事故发生的原因很多，但落后的煤矿生产方式是其中主要原因之一。实现煤矿作业生产自动化，提高采煤作业水平，是降低煤矿事故发生率的重要途径。

液压支架控制器是液压支架电液控制系统中的控制单元，不仅工作温度范围宽、防水防潮、工作稳定、抗干扰能力强、抗机械冲击、本安、防爆，而且具有邻架控制、成组控制、调试动作、本架控制等功能，是影响煤矿综采工作面工作效率和生产安全的关键设备，因此，对液压支架控制器的研究具有重要意义。

现有液压支架控制装置通常包括：数据采集模块、CPU、CAN总线通讯模块、电磁先导阀驱动模块、人机界面模块。其中，数据采集模块、CAN总线通讯模块、CPU、电磁先导阀驱动模块组成控制单元，安装在一块控制器印刷电路板上，该电路板密封在控制器盒壳体内；而人机界面模块安装在另一块人机界面印刷电路板上，并密封在人机界面盒壳体内。其中，控制单元与人机界面模块通过通讯电缆连接。

但是，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下缺点：

(1)液压支架控制装置集成度较低，在人机界面模块和控制单元之间连接的通讯电缆较长，增加了控制单元受外界干扰的几率。(2)由于人机界面模块和控制单元需要独立配置防爆外壳，增加了系统成本和安装难度。(3)液压支架控制装置内置的CAN总线驱动部件无隔离功能，采用不同电源供电的控制器组之间需要添加额外的隔离耦合器，增加了系统的复杂程度。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种煤矿液压支架控制装置，不仅结构简单，集成度高，而且具有抗干扰能力强和可靠性高的特点，并可以对液压支架进行实时监测和故障诊断，更能适应矿井复杂工作环境的需求。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种煤矿液压支架控制装置，包括：控制模块，人机交互模块，传感器信号处理模块，通讯模块，先导阀驱动模块，急停闭锁模块和电源变换模块；所述控制模块分别与所述人机交互模块、所述传感器信号处理模块、所述通讯模块、所述先导阀驱动模块和所述急停闭锁模块相连；所述电源变换模块分别向所述控制模块、所述人机交互模块、所述传感器信号处理模块、所述通讯模块、所述先导阀驱动模块和所述急停闭锁模块供电；所述控排模块、所述通讯模块、所述急停闭锁模块和所述电源变换模块集成在第一块印刷电路板上，所述传感器信号处理模块、所述先导阀驱动模块集成在第二块印刷电路板上，所述人机交互模块集成在第三块印刷电路板上，所述第一块印刷电路板、所述第二块印刷电路板和所述第三块印刷电路板通过标准接插件和电缆连接后被安装在一个密封高强度金属壳体中；所述煤矿液压支架控制装置的运行程序通过网络在线升级。

优选的，所述人机交互模块包括：分别与所述控制模块相连的输入模块、显示模块和声光报警电路。

优选的，所述通讯模块包括：复用的电流环隔离型UART通讯接口和隔离型CAN总线通讯接口；所述电流环隔离型UART通讯接口用于该煤矿液压支架控制装置和相邻煤矿液压支架控制装置间的通讯；所述隔离型CAN总线通讯接口用于该煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN总线和主控计算机及隔离型CAN总线链路上的其他所有煤矿液压支架控制装置间的通讯。

优选的，所述传感器信号处理模块包括依次相连的：信号调理电路、AD转换电路和数字隔离SPI总线电路；所述信号调理电路由低通滤波电路和双向限幅电路串联组成；所述数字隔离SPI总线电路采用第一光电耦合芯片隔离。

优选的，所述传感器信号处理模块用于处理来自电压型传感器上传的电压模拟信号和/或来自电流型传感器上传的电流模拟信号。

优选的，所述先导阀驱动模块包括：IO扩展电路、驱动电源控制电路、输出反馈电路和输出驱动电路；所述驱动电源控制电路用于根据接收到的来自所述控制模块的控制信号来控制先导阀总电源的开关状态；所述控制模块通过所述IO扩展电路向所述输出驱动电路发送控制信号；所述输出驱动电路根据接收到的控制信号控制外部先导阀线圈的吸合或断开状态；所述输出反馈电路用于将所述输出驱动电路驱动所述外部先导阀线圈的驱动结果以及所述输出驱动电路的状态通过所述IO扩展电路反馈给所述控制模块。

优选的，所述驱动电源控制电路由第二光电耦合芯片和第一MOS管串联组成；所述第二光电耦合芯片根据接收到的来自所述控制模块的控制信号来控制所述第一MOS管的通断，进而控制与所述第一MOS管相连的先导阀总电源的开关状态。

优选的，所述输出反馈电路采用第三光电耦合芯片，所述输出驱动电路采用第二MOS管，所述第二MOS管的漏极接至所述第三光电耦合芯片的输入端，所述第三光电耦合芯片的输出端接至所述IO扩展电路。

优选的，所述控制模块包括：嵌入式CPU、复位与电源检测电路、掉电存储器和外部存储器；所述嵌入式CPU分别与所述复位与电源检测电路、所述掉电存储器和所述外部存储器连接。

优选的，所述嵌入式CPU为多任务处理器，在接收到中断事件后，按照预设各中断事件的优先权顺序，对各任务调度执行。

优选的，所述急停闭锁模块用于采集用户的急停闭锁动作，并将该急停闭锁动作反馈给所述控制模块。

本发明还提供一种应用上述煤矿液压支架控制装置的集散控制系统，包括：多个煤矿液压支架控制装置和主控计算机；所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN总线和主控计算机及隔离型CAN总线链路上的其他所有煤矿液压支架控制装置通讯；所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置还通过电流环隔离型UART总线与相邻煤矿液压支架控制装置通讯。

优选的，所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置还通过电流环隔离型UART总线与相邻煤矿液压支架控制装置通讯具体为：

相邻煤矿液压支架控制装置中的发送端煤矿液压支架控制装置采用第三MOS管提供驱动电流；相邻煤矿液压支架控制装置中的接收端煤矿液压支架控制装置采用光电耦合检测通讯链路中的电流；

所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN总线和主控计算机及隔离型CAN总线链路上的其他所有煤矿液压支架控制装置通讯具体为：

所述主控计算机或连接在所述隔离型CAN总线链路上的任一个发送端煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN收发器向所述隔离型CAN总线发送信息；连接在隔离型CAN总线链路上的接收端煤矿液压支架控制装置或主控计算机通过隔离型CAN收发器接收来自所述隔离型CAN总线的信息。

优选的，所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置还通过电流环隔离型UART总线与相邻煤矿液压支架控制装置通讯包括：

本端煤矿液压支架控制装置定时通过本端电流环隔离型UART接口发送第一链路测试帧，并接收对端矿液压支架控制装置发送的第链路测试帧，判断预设时间内接收到的所述第二链路测试帧的数量是否小于预设标准值，如果判断结果为是，则判断所述本端煤矿液压支架控制装置和所述对端矿液压支架控制装置间的通讯链路发生故障。

优选的，所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN总线和主控计算机及隔离型CAN总线链路上的其他所有煤矿液压支架控制装置通讯还包括：

位于整个工作面首部的第1煤矿液压支架控制装置定时发送同步信号，位于整个工作面尾部的第n煤矿液压支架控制装置定时发送应答信号，其余煤矿液压支架控制装置均接收所述同步信号和所述应答信号，并计数，如果在所述其余煤矿液压支架控制装置中任一第i(1＜i＜n)煤矿液压支架控制装置在单位时间内接收到的同步信号数量小于预设值，则判断出所述第i煤矿液压支架控制装置与所述第1煤矿液压支架控制装置间通讯链路发生故障；如果所述第i煤矿液压支架控制装置在单位时间内接收到的应答信号数量小于预设值，则判断出所述第i煤矿液压支架控制装置与所述第n煤矿液压支架控制装置间通讯链路发生故障。

优选的，根据不同用户需求和工艺变化，所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置的应用程序通过网络在线升级具体为：

所述任一个煤矿液压支架控制装置中的控制模块中包含CPU；

所述CPU中的程序由引导程序和应用程序两部分构成，所述引导程序为存放在处理器内部FLASH起始地址的一段程序，用于实现系统自检、应用程序引导以及软件升级；所述应用程序是实现所述煤矿液压支架控制装置控制功能的软件代码；

所述应用程序在线升级的流程为：

待升级的煤矿液压支架控制装置中的原应用程序通过所述通讯模块接收到来自所述主控计算机或其他任一个煤矿液压支架控制装置的升级应用程序的请求时，将该升级应用程序的请求转发给所述引导程序，并通过软启动的方式释放对所述CPU的使用权；

所述引导程序在接收到该升级应用程序的请求后，通过所述通讯模块接收来自所述主控计算机或其他任一个煤矿液压支架控制装置的新应用程序文件，并将该新应用程序文件存放在外部存储器中；

在所述引导程序接收完该新应用程序文件后，所述引导程序校验接收到的该新应用程序文件，如果校验结果符合要求，则将该新应用程序文件写入Flash，并将对所述CPU的使用权转交给该新应用程序文件，由该新应用程序文件执行各种操作。

本发明的有益效果如下：

由于本发明中的控制模块、人机交互模块、传感器信号处理模块、通讯接口模块、电磁先导阀驱动模块、急停闭锁模块和电源变换模块集成封装在一个密封高强度金属壳体中，提高了本发明所提供装置的集成度，同时，由于各模块之间不需要连接比较长的线缆，从而既降低了故障发生率，又节省了成本，提高了装置的性价比。此外，嵌入式系统和多总线设计显著提高了装置性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种煤矿液压支架控制装置的结构示意图；

图2为图1的详细结构示意图；

图3为本发明实施例提供的信号调理电路的电路图；

图4为本发明实施例提供的电磁先导阀驱动模块中驱动电源控制电路的电路图；

图5为本发明实施例提供的电磁先导阀驱动模块中输出反馈电路和输出驱动电路的电路图；

图6为本发明实施例提供的电源变换模块的电路图；

图7是通讯总线构架图；

图8为本发明实施例提供的电流环隔离型UART接口架间通讯电路图；

图9为本发明实施例提供的隔离型CAN总线收发器电路图。

图10为本发明实施例提供的CPU模式转换FSM模型图；

图11为本发明实施例提供的控制器软件流程图；

图12为本发明实施例提供的集散控制系统软启动及引导程序升级应用程序流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一个具体的实施方式进行说明。

如图1和图2所示，为本发明实施例提供的一种煤矿液压支架控制装置的结构示意图，控制模块，人机交互模块，传感器信号处理模块，通讯模块，先导阀驱动模块，急停闭锁模块和电源变换模块；所述控制模块分别与所述人机交互模块、所述传感器信号处理模块、所述通讯模块、所述先导阀驱动模块和所述急停闭锁模块相连；所述电源变换模块分别向所述控制模块、所述人机交互模块、所述传感器信号处理模块、所述通讯模块、所述先导阀驱动模块和所述急停闭锁模块供电；所述控制模块、所述通讯模块、所述急停闭锁模块和所述电源变换模块集成在第一块印刷电路板上，所述传感器信号处理模块、所述先导阀驱动模块集成在第二块印刷电路板上，所述人机交互模块集成在第三块印刷电路板上，所述第一块印刷电路板、所述第二块印刷电路板和所述第三块印刷电路板通过标准接插件和电缆连接后被安装在一个密封高强度金属壳体中；所述煤矿液压支架控制装置的运行程序通过网络在线升级。

下面详细介绍各模块的功能：

(一)控制模块

控制模块用于实现本发明所提供的煤矿液压支架控制装置的控制和协调功能，用于控制人机交互模块、传感器信号处理模块、通讯模块、先导阀驱动模块、急停闭锁模块的工作。

控制模块包括：CPU、复位与电源检测电路、掉电存储器和外部存储器；所述CPU分别与所述复位与电源检测电路、所述掉电存储器和所述外部存储器连接。其中，复位与电源检测电路可以采用集成Watch Dog电路(如SP706，MAX811等)；掉电存储器可以采用E²PROM和FRAM(如AT24C16和FM25L256等)；外部存储器可以采用SRAM(如ISSI61LV25616等)

其中，CPU是控制模块的核心，可以采用NXP公司的ARM7系列芯片LPC2294HBD144。复位与电源检测电路采用Watch Dog芯片，Watch Dog芯片的复位信号接至CPU的Reset引脚。掉电存储器由EEPROM和FRAM组成，分别通过I²C总线和SPI总线与CPU相连。外部存储器采用静态随机存储器芯片，通过并行总线与CPU相连。

CPU通过I²C总线与输入模块相连，CPU从输入模块读取当前按键的状态数据，并向输入模块写入相应的按键指示灯状态数据，同时，CPU根据获取的按键数据的不同，更新显示模块上的菜单内容，或通过通讯模块向其它装置发送数据。CPU通过并行总线与显示模块相连，CPU将待显示的文字、数据等写入显示模块。CPU通过GPIO与声光报警电路相连，当CPU从通讯模块接收到其它装置发来的报警命令，或从急停闭锁模块检测到本装置的急停闭锁动作后，CPU设置相应的GPIO口的状态，使声光报警电路发出报警信号。

CPU通过数字隔离的SPI总线与传感器信号处理模块相连，CPU定时向传感器信号处理模块写入启动AD转换的命令，并查询AD转换的结束标志，当AD转换结束时，读入AD转换的结果，并计算出对应的物理量的值(如位移、压力的大小等)，计算的结果可以在显示模块上显示，或通过通讯模块发送给其它装置。

CPU可以通过通讯模块收发数据包。在收到数据包后，对数据包进行分析，如果是命令本装置进入急停闭锁状态的数据包，则CPU向先导阀驱动模块写入关闭电磁先导阀输出的命令，并设置声光报警电路处于报警状态；如果是对电磁先导阀进行控制的数据包，则CPU向先导阀驱动模块写入打开相应电磁先导阀的命令；如果是向本装置请求数据的数据包(如请求本装置发送当前的传感器状态)，则CPU读取相应的数据后，通过通讯模块发送。

另外，为使控制器CPU高效完成和处理信息采集、控制操作、人机交互、网络通讯、支架控制等并发事件，本发明设计了一种基于有限状态机模型(FSM)的CPU程序状态转移控制的模式转换方法，如图10所示，实现单CPU对复杂多任务和逻辑操作与控制的处理。

当系统完成上电和程序初始化后，引导程序将CPU控制权释放并移交给应用程序。CPU应用程序为一循环主控程序，其前台程序由硬件逻辑支持的同步事件(如定时器溢出进行数据采集和键值命令缓冲区扫描等)和异步事件(如CAN总线接收命令、UART接收命令和按键中断信号等)管理，CPU依据事件处理结果设置相关消息队列或状态标志，主控程序循环查询消息队列和状态标志，有新消息或标志位时，则根据模式转换图进行任务调度并激活后台程序进行任务处理，从而实现应用程序的多任务调度和状态转移，解决单CPU响应具有复杂优先级操作、处理状态互锁和逻辑制约的实时多任务调度问题如图11所示，为控制器软件流程图。

控制器的工作状态包括主控模式、从控模式、空闲模式和急停闭锁模式四种模式，根据键盘操作和控制程序的自动运行，控制器的工作状态发生改变，应用程序在不同工作状态模式中转换和循环。

主控模式：在控制器上按下一个有效键，该控制器便进入主控模式并接收操作指令，进入主控模式的控制器不接受其它控制器发来的命令，仅接收本机发送的各种命令。

从控模式：导致控制器进入从控模式的命令可能是直接来自本架或邻架在主控模式下所做的操作，也可能是来自工作面全自动操作的结果。从控模式下控制器不响应控制器的键盘操作，通过操作命令解析，控制器执行相应的控制动作。控制动作完成后，从控模式自动转为空闲等待模式。

空闲模式：控制器既无键操作、也未接收到其它动作命令，或在主控模式下有效命令在预设时间后未结束，则控制器处于空闲模式，且不运行动作程序，等待按键按下和接收动作命令转为主控或从控模式。设置空闲模式的优点一方面可以维持低功耗，另一方面也方便其他各种模式间相互转换。

急停闭锁模式：控制器接收到急停闭锁命令或急停闭锁按钮按下则进入急停闭锁模式，急停闭锁模式终止从控模式下控制器的控制动作。该模式下的控制器既不再接受外来的命令而转为从控或空闲模式，也不能控制支架动作。但在此模式下控制器可转变为主控模式。

(二)人机交互模块

人机交互模块用于用户与本装置之间的交互，包括：分别与所述控制模块相连的输入模块、显示模块和声光报警电路。

具体的，输入模块用于接收用户的指令，并将用户的指令提供给控制模块。显示模块用于将控制模块提供的处理结果显示给用户。声光报警电路由控制模块控制，在出现异常情况下进行声光报警。其中，输入模块可以由按键、按键指示LED、驱动芯片组成，驱动芯片自动扫描按键的状态，当有按键按下时，对按键进行去抖，并将按键状态通过串行总线发送给控制模块中的CPU；同时，驱动芯片还接收CPU通过串行总线发送过来的数据，更新按键指示LED的显示。显示模块是LCD或OLED显示屏，通过并行总线与CPU相连，从CPU接收数据并进行显示。声光报警电路可以由光电耦合、MOS管、报警灯(LED)及蜂鸣器构成，CPU的GPIO引脚通过光电耦合隔离，隔离后的信号通过控制MOS管的通断来驱动报警灯(LED)或蜂鸣器。

(三)通讯模块

通讯模块包括：复用的电流环隔离型UART通讯接口和隔离型CAN总线通讯接口；所述电流环隔离型UART通讯接口用于该煤矿液压支架控制装置和相邻煤矿液压支架控制装置间的通讯；所述隔离型CAN总线通讯接口用于该煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN总线和主控计算机及隔离型CAN总线链路上的其他所有煤矿液压支架控制装置间的通讯。

(四)传感器信号处理模块

传感器信号处理模块包括依次相连的：信号调理电路、AD转换电路和数字隔离SPI总线电路。传感器信号处理模块用于处理来自电压型传感器上传的电压模拟信号和/或来自电流型传感器上传的电流模拟信号。

其中，如图4所示，为信号调理电路的电路图。信号调理电路包括低通滤波电路和双向限幅电路，低通滤波通过采用RC滤波器实现，双向限幅由两个二极管实现。传感器信号经过信号调理电路处理后，进入AD转换器进行模数转换，模数转换后的数字信号通过数字隔离电路发送到CPU。数字隔离SPI总线电路采用高速光电耦合芯片来实现SPI总线的隔离功能。

AD转换电路可以采用集成AD芯片(如MAX186等)

(五)先导阀驱动模块

先导阀驱动模块包括：IO扩展电路、驱动电源控制电路、输出反馈电路和输出驱动电路；所述驱动电源控制电路用于控制电磁先导阀的总电源状态；所述控制模块通过所述IO扩展电路向所述输出驱动电路发送控制信号；所述输出驱动电路根据接收到的控制信号控制外部电磁先导阀线圈的吸合或断开状态；所述输出反馈电路用于将所述输出驱动电路驱动所述外部电磁先导阀线圈的驱动结果通过所述IO扩展电路反馈给所述控制模块。

具体的，IO扩展电路(如：如MAX7300等)通过I²C总线与控制模块中的CPU相连，实现IO口的扩展，IO扩展电路的输出接至输出驱动电路，用于传送CPU发出的控制信号；输出驱动电路由光电耦合和MOS管组成，控制信号经光电耦合隔离后，再控制MOS管的通断，从而驱动外部电磁先导阀线圈的吸合或断开。如图5所示，为驱动电源控制电路的电路图。驱动电源控制电路用于控制电磁先导阀总电源的开关状态，由光电耦合和MOS管(MOS管可以采用IRF5305，FR9024等)组成，CPU的两个GPIO引脚接至光电耦合的输入端，光电耦合的输出端与MOS管连接，通过控制MOS管的通断，从而控制电磁先导阀总电源的开关状态。如图6所示，为输出反馈电路和输出驱动电路的电路图。输出反馈电路用于反馈输出驱动电路的状态，由光电耦合组成，输出驱动电路中MOS管(如FL014等)的漏极接至光电耦合的输入端，光电耦合的输出端接至IO扩展电路，IO扩展电路通过I²C总线将当前输出驱动电路的状态反馈给CPU。

由于通过驱动电源控制电路来控制电磁先导阀总电源的开关状态，同时，又通过输出驱动电路来控制外部电磁先导阀线圈的吸合或断开状态。因此，可能理解，只有当电源控制信号和电磁先导阀驱动信号全部正确时，电磁先导阀才会动作，通过这种双重控制方式，提高了电磁先导阀驱动的可靠性。另外，由于增加了输出反馈电路来对输出驱动电路驱动外部电磁先导阀线圈的驱动结果以及输出驱动电路的状态进行反馈，更一步提高了电磁先导阀驱动的可靠性。

(六)急停闭锁模块

急停闭锁模块用于采集用户的急停闭锁动作，并将该急停闭锁动作反馈给控制模块，从而使控制模块采取急停闭锁措施。可以包括：急停和闭锁开关。

(七)电源变换模块

用于向其它各个模块提供稳定的电源。可以采用开关变换芯片(或模块)和线性变换芯片(如WRB1203，LM1117-18等)。如图7所示，为电源变换模块的电路图。

需要说明的是，本发明实施例涉及到的光电耦合芯片根据需要可以采用高速光电耦合(如HCPL2630等)或普通光电耦合(如PS2801等)。

上述是对本发明实施例提供的煤矿液压支架控制装置进行介绍，另外，本发明实施例还提供一种应用上述煤矿液压支架控制装置的煤矿液压支架集散控制系统，应用于多个煤矿液压支架控制装置之间，如图3所示，包括：多个煤矿液压支架控制装置和主控计算机；所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN总线和主控计算机及隔离型CAN总线链路上的其他所有煤矿液压支架控制装置通讯；所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置还通过电流环隔离型UART总线与相邻煤矿液压支架控制装置通讯。如图7所示，为本发明提供的煤矿液压支架集散控制系统的结构示意图。

其中，所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置还通过电流环隔离型UART总线与相邻煤矿液压支架控制装置通讯具体为：

相邻煤矿液压支架控制装置中的发送端煤矿液压支架控制装置采用第三MOS管提供驱动电流；相邻煤矿液压支架控制装置中的接收端煤矿液压支架控制装置采用光电耦合检测通讯链路中的电流。由于光电耦合的隔离作用，保证了电流环隔离型UART通讯中两装置之间的电气隔离。

所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN总线和主控计算机及隔离型CAN总线链路上的其他所有煤矿液压支架控制装置通讯具体为：

所述主控计算机或连接在所述隔离型CAN总线链路上的任一个发送端煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN收发器向所述隔离型CAN总线发送信息；连接在隔离型CAN总线链路上的接收端煤矿液压支架控制装置或主控计算机通过隔离型CAN收发器接收来自所述隔离型CAN总线的信息，如图8所示，为隔离型CAN收发器的电路图。所述所有隔离型CAN总线链路上的控制装置中的接收端煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN收发器接收来自所述隔离型CAN总线的信息。由于采用了隔离型CAN收发器，收发器内部包含有光电耦合，隔离式DC-DC模块，从而保证了本装置和隔离型CAN总线之间的电气隔离。

具体的，供电电源采用线性隔离型DC-DC模块实现电压的变换，实现本装置与现场供电系统的隔离；工业现场信号经AD转换后，通过数字隔离SPI总线完成；UART通讯的物理层采用电流环实现，发送端采用MOS管来提供驱动电流，接收端采用光电耦合器检测通讯链路中的电流。由于光耦的隔离作用，保证了UART通讯中两装置之间的电气隔离；CAN总线通讯的电气隔离通过内部包含有光电耦合器的隔离型CAN总线收发器实现；本装置通过供电电源的电气隔离、工业现场采集信号的电气隔离和通讯链路的电气隔离，实现了系统及各控制装置之间的完全电气隔离。

由此可见，本发明实现了煤矿液压支架控制装置间通讯链路上的电气隔离。

通过使用本发明提供的煤矿液压支架集散控制系统，还可以实现诊断通讯链路故障。具体的：相邻煤矿液压支架控制装置间通过交互信息实现通讯链路故障诊断的方法为：

本端煤矿液压支架控制装置定时通过本端电流环隔离型UART接口发送第一链路测试帧，并接收对端矿液压支架控制装置发送的第二链路测试帧，判断预设时间内接收到的所述第二链路测试帧的数量是否小于预设标准值，如果判断结果为是，则判断所述本端煤矿液压支架控制装置和所述对端矿液压支架控制装置间的通讯链路发生故障。

所有隔离型CAN总线链路上的控制装置间通过隔离型CAN总线交互信息实现诊断通讯链路故障为：

位于整个工作面首部的第1煤矿液压支架控制装置定时发送同步信号，位于整个工作面尾部的第n煤矿液压支架控制装置定时发送应答信号，其余煤矿液压支架控制装置均接收所述同步信号和所述应答信号，并计数，如果在所述其余煤矿液压支架控制装置中任一第i(1＜i＜n)煤矿液压支架控制装置在单位时间内接收到的同步信号数量小于预设值，则判断出所述第i煤矿液压支架控制装置与所述第1煤矿液压支架控制装置间通讯链路发生故障；如果所述第i煤矿液压支架控制装置在单位时间内接收到的应答信号数量小于预设值，则判断出所述第i煤矿液压支架控制装置与所述第n煤矿液压支架控制装置间通讯链路发生故障。

由于本发明所提供的煤矿液压支架控制装置通过通讯模块可以方便的交互各种信息，所以，方便对煤矿液压支架控制装置中的应用程序在线升级。

如图12所示，应用程序在线升级的实现方法可以为：

所述任一个煤矿液压支架控制装置中的控制模块中包含CPU；

所述煤矿液压支架控制装置可进行程序在线升级的设计特点在于：

CPU中的程序由引导程序和应用程序两部分构成，其之间的关系如图5所示。引导程序存放在处理器内部FLASH起始地址的一段程序，用来实现系统自检、应用程序引导以及软件升级；应用程序是实现本装置控制功能的软件代码。应用程序在线升级的流程为：首先由主控计算机或其它装置发出升级应用程序的命令，本装置的应用程序通过所述通讯模块接收到升级命令后，通知CPU响应软件升级请求，应用程序通过软启动以释放CPU使用权；引导程序检查到软件升级请求后，通过通讯模块4接收新的应用程序文件，并存放在外部存储器14中，数据接收完成后，引导程序对接收到的数据进行校验，校验正确后将数据写入Flash，最后引导程序将CPU使用权交给应用程序，由此完成应用程序的升级。

所述CPU中的程序由引导程序和应用程序两部分构成，所述引导程序为存放在处理器内部FLASH起始地址的一段程序，用于实现系统自检、应用程序引导以及软件升级；所述应用程序是实现所述煤矿液压支架控制装置控制功能的软件代码；

所述应用程序在线升级的流程为：

待升级的煤矿液压支架控制装置中的原应用程序通过所述通讯模块接收到来自所述主控计算机或其他任一个煤矿液压支架控制装置的升级应用程序的请求时，将该升级应用程序的请求转发给所述引导程序，并通过软启动的方式释放对所述CPU的使用权；

所述引导程序在接收到该升级应用程序的请求后，通过所述通讯模块接收来自所述主控计算机或其他任一个煤矿液压支架控制装置的新应用程序文件，并将该新应用程序文件存放在外部存储器中；

在所述引导程序接收完该新应用程序文件后，所述引导程序校验接收到的该新应用程序文件，如果校验结果符合要求，则将该新应用程序文件写入Flash，并将对所述CPU的使用权转交给该新应用程序文件，由该新应用程序文件执行各种操作。

综上所述，由于本发明中的控制模块、人机交互模块、传感器信号处理模块、通讯模块、先导阀驱动模块、急停闭锁模块和电源变换模块集成在一个密封高强度金属壳体中，提高了本发明所提供装置的集成度，并且，由于各模块之间不需要连接比较长的线缆，从而既降低了故障发生率，又节省了成本。

由于本发明采用电流环隔离型UART通讯和隔离型CAN通讯两种通讯方式，增加了装置间通讯的灵活性，且本装置所有的通讯链路均与外界完全电气隔离式，提高了系统的抗干扰性。

另外，由于电磁先导阀驱动采用双重控制方式，且对驱动状态进行反馈，保证了电磁先导阀驱动的可靠性。

另外，通过通讯模块方便对煤矿液压支架控制装置中的应用程序在线升级。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (14)

1.一种煤矿液压支架控制装置，其特征在于，包括：控制模块，人机交互模块，传感器信号处理模块，通讯模块，先导阀驱动模块，急停闭锁模块和电源变换模块；所述控制模块分别与所述人机交互模块、所述传感器信号处理模块、所述通讯模块、所述先导阀驱动模块和所述急停闭锁模块相连；所述电源变换模块分别向所述控制模块、所述人机交互模块、所述传感器信号处理模块、所述通讯模块、所述先导阀驱动模块和所述急停闭锁模块供电；所述控制模块、所述通讯模块、所述急停闭锁模块和所述电源变换模块集成在第一块印刷电路板上，所述传感器信号处理模块、所述先导阀驱动模块集成在第二块印刷电路板上，所述人机交互模块集成在第三块印刷电路板上，所述第一块印刷电路板、所述第二块印刷电路板和所述第三块印刷电路板通过标准接插件和电缆连接后被安装在一个密封高强度金属壳体中；所述煤矿液压支架控制装置的运行程序通过网络在线升级；

所述控制模块包括：嵌入式CPU、复位与电源检测电路、掉电存储器和外部存储器；所述嵌入式CPU分别与所述复位与电源检测电路、所述掉电存储器和所述外部存储器连接；

所述嵌入式CPU为加载有实时多任务处理程序的ARM微处理器，在接收到人机接口电路、通讯接口电路和时钟电路产生的事件中断后，按照程序设计的模式转换和事件中断处理机制，以预设中断事件的优先权顺序，对各任务调度执行。

2.根据权利要求1所述的煤矿液压支架控制装置，其特征在于，所述人机交互模块包括：分别与所述控制模块相连的输入模块、显示模块和声光报警电路。

3.根据权利要求1所述的煤矿液压支架控制装置，其特征在于，所述通讯模块包括：复用的电流环隔离型UART通讯接口和隔离型CAN总线通讯接口；所述电流环隔离型UART通讯接口用于该煤矿液压支架控制装置和相邻煤矿液压支架控制装置间的通讯；所述隔离型CAN总线通讯接口用于该煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN总线和主控计算机及隔离型CAN总线链路上的其他所有煤矿液压支架控制装置间的通讯。

4.根据权利要求1所述的煤矿液压支架控制装置，其特征在于，所述传感器信号处理模块包括依次相连的：信号调理电路、AD转换电路和数字隔离SPI总线电路；所述信号调理电路由低通滤波电路和双向限幅电路串联组成；所述数字隔离SPI总线电路采用第一光电耦合芯片隔离。

5.根据权利要求1所述的煤矿液压支架控制装置，其特征在于，所述传感器信号处理模块用于处理来自电压型传感器上传的电压模拟信号和/或来自电流型传感器上传的电流模拟信号。

6.根据权利要求1所述的煤矿液压支架控制装置，其特征在于，所述先导阀驱动模块包括：IO扩展电路、驱动电源控制电路、输出反馈电路和输出驱动电路；所述驱动电源控制电路用于根据接收到的来自所述控制模块的控制信号来控制先导阀总电源的开关状态；所述控制模块通过所述IO扩展电路向所述输出驱动电路发送控制信号；所述输出驱动电路根据接收到的控制信号控制外部先导阀线圈的吸合或断开状态；所述输出反馈电路用于将所述输出驱动电路驱动所述外部先导阀线圈的驱动结果以及所述输出驱动电路的状态通过所述IO扩展电路反馈给所述控制模块。

7.根据权利要求6所述的煤矿液压支架控制装置，其特征在于，所述驱动电源控制电路由第二光电耦合芯片和第一MOS管串联组成；所述第二光电耦合芯片根据接收到的来自所述控制模块的控制信号来控制所述第一MOS管的通断，进而控制与所述第一MOS管相连的先导阀总电源的开关状态。

8.根据权利要求6所述的煤矿液压支架控制装置，其特征在于，所述输出反馈电路采用第三光电耦合芯片，所述输出驱动电路采用第二MOS管，所述第二MOS管的漏极接至所述第三光电耦合芯片的输入端，所述第三光电耦合芯片的输出端接至所述IO扩展电路。

9.根据权利要求1所述的煤矿液压支架控制装置，其特征在于，所述急停闭锁模块用于采集用户的急停闭锁动作，并将该急停闭锁动作反馈给所述控制模块。

10.一种应用权利要求1所述煤矿液压支架控制装置的集散控制系统，其特征在于，包括：多个煤矿液压支架控制装置和主控计算机；所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN总线和主控计算机及隔离型CAN总线链路上的其他所有煤矿液压支架控制装置通讯；所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置还通过电流环隔离型UART总线与相邻煤矿液压支架控制装置通讯。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，

所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置还通过电流环隔离型UART总线与相邻煤矿液压支架控制装置通讯具体为：

相邻煤矿液压支架控制装置中的发送端煤矿液压支架控制装置采用第三MOS管提供驱动电流；相邻煤矿液压支架控制装置中的接收端煤矿液压支架控制装置采用光电耦合检测通讯链路中的电流；

所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN总线和主控计算机及隔离型CAN总线链路上的其他所有煤矿液压支架控制装置通讯具体为：

所述主控计算机或连接在所述隔离型CAN总线链路上的任一个发送端煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN收发器向所述隔离型CAN总线发送信息；连接在隔离型CAN总线链路上的接收端煤矿液压支架控制装置或主控计算机通过隔离型CAN收发器接收来自所述隔离型CAN总线的信息。

12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置还通过电流环隔离型UART总线与相邻煤矿液压支架控制装置通讯包括：

本端煤矿液压支架控制装置定时通过本端电流环隔离型UART接口发送第一链路测试帧，并接收对端矿液压支架控制装置发送的第二链路测试帧，判断预设时间内接收到的所述第二链路测试帧的数量是否小于预设标准值，如果判断结果为是，则判断所述本端煤矿液压支架控制装置和所述对端矿液压支架控制装置间的通讯链路发生故障。

13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置通过隔离型CAN总线和主控计算机及隔离型CAN总线链路上的其他所有煤矿液压支架控制装置通讯还包括：

位于整个工作面首部的第1煤矿液压支架控制装置定时发送同步信号，位于整个工作面尾部的第n煤矿液压支架控制装置定时发送应答信号，其余煤矿液压支架控制装置均接收所述同步信号和所述应答信号，并计数，如果在所述其余煤矿液压支架控制装置中任一第i煤矿液压支架控制装置在单位时间内接收到的同步信号数量小于预设值，则判断出所述第i煤矿液压支架控制装置与所述第1煤矿液压支架控制装置间通讯链路发生故障；如果所述第i煤矿液压支架控制装置在单位时间内接收到的应答信号数量小于预设值，则判断出所述第i煤矿液压支架控制装置与所述第n煤矿液压支架控制装置间通讯链路发生故障；其中，1＜i＜n。

14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，根据不同用户需求和工艺变化，所述多个煤矿液压支架控制装置中的任一个煤矿液压支架控制装置的应用程序通过网络在线升级具体为：

所述任一个煤矿液压支架控制装置中的控制模块中包含CPU；

所述CPU中的程序由引导程序和应用程序两部分构成，所述引导程序为存放在处理器内部FLASH起始地址的一段程序，用于实现系统自检、应用程序引导以及软件升级；所述应用程序是实现所述煤矿液压支架控制装置控制功能的软件代码；

所述应用程序在线升级的流程为：

待升级的煤矿液压支架控制装置中的原应用程序通过所述通讯模块接收到来自所述主控计算机或其他任一个煤矿液压支架控制装置的升级应用程序的请求时，将该升级应用程序的请求转发给所述引导程序，并通过软启动的方式释放对所述CPU的使用权；

所述引导程序在接收到该升级应用程序的请求后，通过所述通讯模块接收来自所述主控计算机或其他任一个煤矿液压支架控制装置的新应用程序文件，并将该新应用程序文件存放在外部存储器中；

在所述引导程序接收完该新应用程序文件后，所述引导程序校验接收到的该新应用程序文件，如果校验结果符合要求，则将该新应用程序文件写入Flash，并将对所述CPU的使用权转交给该新应用程序文件，由该新应用程序文件执行各种操作。

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