CN104192687A - 一种罐笼监控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种罐笼监控装置，所述罐笼包括四个罐耳，每个所述罐耳上均具有导向槽，所述导向槽的横截面为矩形，所述监控装置包括非接触式位移传感器，每个所述罐耳的导向槽内均设置有三个所述非接触式位移传感器，三个所述非接触式位移传感器分别设置在所述导向槽的底面和内侧两面。本发明的罐笼监控装置通过在罐耳的导向槽内部设置三个非接触式位移传感器用以检测罐耳和罐道之间的距离，其中包括罐耳两侧与罐道的距离以及罐耳底部与罐道顶部的距离，通过罐耳和罐道之间三个方向的距离可以得到罐道的磨损、变形、倾斜等信息。
Description
技术领域
本发明属于矿山安全管理领域，涉及一种罐笼监控装置。
背景技术
罐笼的应用给矿山生产带来了很大的便利和很高的效率，但是伴随着罐笼的长时间运行，罐笼的安全管理越来越困难。怎么让罐笼能够长时间高效、安全运转，怎么能够防患于未然，是长期困扰的一个难题。即便是定期的罐笼检修，检修人员也要冒着很大的安全风险，并且影响罐笼的正常使用。
罐笼是矿井提升中的重要设备，罐道是主要组成部分之一，具有保持容器运行平稳、导向、防坠的重要作用。罐笼升降过程中，罐耳和钢轨罐道之间不可避免地会发生摩擦、变形，罐道偏斜将使罐笼提升阻力增加，罐耳磨损严重，有时甚至发生掉罐和卡关等事故。
根据罐笼的使用特点和特性，结合矿方想实现的监测目标，我们可以监控罐耳和钢轨罐道的磨损及罐笼的偏斜情况，将磨损和偏斜严重的地方及时上报机房管理系统，实现对罐笼的监控，这样可以及时对故障点进行检修，提高维修效率。
较少的罐笼检修会为罐笼运行带来较大的安全隐患，而较为频繁的罐笼检修又影响矿井的生产。检测罐笼与水平面的夹角即可知道罐道的偏斜情况，检测滑动罐耳和钢轨罐道之间的间隙，以及罐道的偏斜，并将间隙和偏斜严重的地方及时上报给提升机房，及时检修能够解决这一问题。
图1为罐道缺陷模型，其中类型a，b属于设计安装或井壁变形造成的整体缺陷；类型c可能是整体变形，也可能是某段罐道出现不规则弯曲；d，e是典型的局部故障，罐道局部锈蚀严重、相邻钢轨间的接头不平整、罐道上附着异物等都可能出现这种缺陷。罐耳若磨损严重，则检测到的间隙数据会整体偏大。
因此，需要一种罐笼监控装置以解决上述问题。
发明内容
本发明是针对现有技术中罐笼磨损、偏斜不容易发现的缺点，提供一种罐笼监控装置。
为实现上述发明目的，本发明罐笼监控装置可采用如下技术方案：
一种罐笼监控装置，所述罐笼包括四个罐耳，每个所述罐耳上均具有导向槽，所述导向槽的横截面为矩形，所述监控装置包括非接触式位移传感器，每个所述 罐耳的导向槽内均设置有三个所述非接触式位移传感器，三个所述非接触式位移传感器分别设置在所述导向槽的底面和内侧两面。
更进一步的，还包括动态倾角传感器，所述动态倾角传感器水平设置在所述罐笼的顶部。
更进一步的，所述动态倾角传感器包括三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计。
更进一步的，所述非接触式位移传感器为电涡流位移传感器。电涡流传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化，是一种非接触的线性化计量工具。
更进一步的，还包括罐笼位置信息采集器，所述罐笼位置信息采集器包括光电编码器，所述光电编码器设置在罐笼的电机上。罐笼位置信息主要通过光电编码器获得电机运转总周数，电机每运转一周提升钢丝绳的长度固定，由此可得罐笼在井筒中的位置。通过和非接触式位移传感器相互配合使用，可以确定罐道磨损、变形的位置，方便维护人员进行维护和检修。
更进一步的，还包括精确定位装置，所述精确定位装置设置在所述罐笼的底部，所述精确定位装置包括电源模块、ARM控制器、NA5TR1无线收发芯片、巴伦阻抗放大电路、射频功率放大器、带通滤波器模块和天线，所述电源模块连接所述ARM控制器和NA5TR1无线收发芯片，所述ARM控制器连接所述NA5TR1无线收发芯片，所述NA5TR1无线收发芯片、巴伦、射频功率放大器、带通滤波器模块和天线依次连接,所述NA5TR1无线收发芯片包括第一VDDA端、第二VDDA端、RREF端、VSSA端、VDDA_DCO端、Xtal32kP端、Xtal32kN端、Xtal32MP端、Xtal32MN端、Tx_Rx端、第一VSSD端、第二VSSD端、第一VDDD端、第二VDDD端、第三VSSD端、SpiCLK端、SpiSSN端、SpiTXD端、SpiRXD端、D0端、D1端、D2端、D3端、第四VSSD端、第三VDDD端、Test端、uCReset端、uCIRQ端、VDD1V2_Cap端、uCVcc端、POnReset端、第五VSSD端、VDDA_ADC端、第二VSSA端、第三VDDA端、第四VDDA端、第三VSSA端、第四VSSA端、RxN端、RxP端、第五VSSA端、TxN端、TxP端和第六VSSA端；
所述第一VDDA端和第二VDDD端均连接+2.5V电压端，所述RREF端通过电阻R10接地，所述VSSA端接地，所述VDDA_DCO端连接+2.5V电压端，所述Xtal32kP端和Xtal32kN端分别连接无源晶振Y1的两端，所述无源晶振Y1的两端分别通过电容C25和电容C26接地，所述Xtal32MP端和Xtal32MN端分别连接有源晶振 Y2的两端，所述有源晶振Y2的两端分别通过电容C27和电容C31接地，所述有源晶振Y2的另外两端接地，所述第一VSSD端、第二VSSD端和第三VSSD端均接地，所述第一VDDD端、第二VDDD端和第三VDDD端均连接+2.5V电压，所述第三VSSD端接地，所述SpiCLK端、SpiSSN端、SpiTXD端和SpiRXD端分别连接SPI1_CLK端、SPI1_SSN端、SPI1_MISO端和SPI1_MOSI端，所述D0端、D1端、D2端和D3端通过4位排阻接地，所述第四VSSD端接地，
所述VDD1V2_Cap端通过并联连接的电容C29和电容C30接地，所述Test端通过电阻R13接地，所述POnReset端通过电容C28接地并通过电阻R11接+2.5V电压，
所述第五VSSD端和第二VSSA端接地，所述VDDA_ADC端接+2.5V电压端，所述第三VDDA端和第四VDDA端接+2.5V电压并通过串联连接的电容C22、电容C23和电容C24接地，
所述第三VSSA端和第四VSSA端接地，所述TxN端和TxP端分别连接TXN端和TXP端，第五VSSA端接地，所述TxN端和TxP端分别连接TXN端和TXP端，所述第六VSSA端接地。
NA5TR1为无线收发芯片，是定位节点的核心器件，该器件内部集成了具有双边两路测距功能的模块和2.45GHz ISM RF收发器，工作频段为2.4 GHz的免授权频段，提供3个可自由调整中心频率的非重叠2.4 GHzISM频道和14个重叠的频道，提高了与现有2.4GHz无线技术共存时的网络性能，具有125 Kb/s-2 Mb/s的可编程数据速率，0-33dBm可调且支持扩展至20dBm以上的可编程输出功率，高达大-97dBm的接收灵敏度，具有节能的掉电模式，掉电模式下的最小电流≤2μA。时钟晶振：NA5TR1工作时需要32.768kHz和32MHz两个时钟信号，32MHz的时钟作为基带时钟的基准来产生线性调频信号，32.768kHz时钟为实时时钟及实现掉电模式下的电源管理。
本发明的精确定位装置结构简单，设计合理，能有有效从硬件上提高定位装置的定位精度并有效降低功耗。
更进一步的，所述电源模块包括Vin端、Vout端、GND端、EN端和Adj端，所述GND端接地，所述EN端通过电容C50接地，所述Vin端通过熔断器F1连接3.3V电压端，所述Vin端和EN端连接，所述Vout端连接2.5V电压端并通过串 联连接的电容C51和电容C45接地，所述Vout端分别通过电感LR4和电感LR5连接NA端和STM32端。本发明采用低压差线性稳压器SPX3819，具有高电源抑制比、超低噪声及快速启动等特点，为ARM控制器及无线收发芯片NA5TR1提供所需的工作电源。
更进一步的，所述巴伦阻抗放大电路包括LDB212G4020C-001滤波器，所述LDB212G4020C-001滤波器包括第一端、第二端、第三端、第四端和第五端，所述第一端接单端信号输出，所述第二端通过电容C18接地，所述第三端连接TXP端，所述第四端连接TXN端，所述第五端接地，所述第三端和第四端通过电感L8连接，所述第三端通过串联连接的电容C20和电感L7连接RXP端，所述第四端通过串联连接的电容C21和电感L10连接RXN端，所述RXP端和RXN端之间通过电感L9连接。
巴伦阻抗放大电路包括阻抗匹配电路和变压器巴伦电路，其中阻抗匹配电路由电感L7、电感L9、电感L10、电容C20、电容C21、电感L8组成的是双Π型匹配网络，为发送端口TXP、TXN和接收端口RXP、RXN的两对差分对，提供阻抗控制为200欧姆的差分对阻抗匹配电路，实现无线收发模块的差分接口和变压器巴伦电路差分接口之间的阻抗匹配；变压器巴伦电路由模拟器件LDB212G4020C组成，电容18是低频旁路电容。TXP、TXN、RXP、RXN差分对信号经过阻抗匹配电路后，为其提供高速变压器巴伦电路，实现将幅度相同但相位相差180度的差分射频信号和单端射频信号之间的高速转换，以此实现平衡传输线和非平衡传输线阻抗匹配电路。
更进一步的，所述射频功率放大器包括功率控制电路、功率开关电路和功率放大电路，所述功率控制电路包括SN74LVC2G04芯片，所述SN74LVC2G04芯片包括一端、二端、三端、四端、五端和六端，其中，所述三端和五端分别连接三极管Q1的基极和集电极，所述三极管Q1的发射极通过电阻R5接地并连接TX-RXXX端，所述二端接地，所述一端通过电容C4连接所述二端并通过电阻R1连接所述功率开关电路，
所述功率开关电路包括FPF2103芯片，所述FPF2103芯片包括1端、2端、3端、4端和5端，所述1端连接2.5V电压端，所述2端接地，所述3端通过电阻R1连接所述功率控制电路并通过电阻R2接地，所述4端为nc端，所述5端 分别通过第一磁珠、第二磁珠和第三磁珠连接PA_VDD1端、PA_VDD2端和PA_VDD3端，
所述功率放大电路包括功率放大器UPG2250T5N，所述功率放大器UPG2250T5N包括第1端、第2端、第3端、第4端、第5端、第6端和第7端，所述第1端通过电容C6连接单端信号输出并通过电感L1连接PA_VDD3端，所述第1端通过电容C2接地，所述PA_VDD3端通过电容C1接地，所述第2端为nc端，所述第3端通过电容C1连接第7端并连接TX-RXXX端，所述第4端通过串联连接的电容C16和电感L6连接单端信号输入，所述第5端通过电感L3连接PA_VDD1端，所述PA_VDD1端通过并联连接的电容C9和电容C10接地，所述第6端连接PA_VDD2端并通过电容C5接地。
射频功率放大器(PA模块)是各种无线发射机的重要组成部分。
在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。本发明的射频功率放大模块主要包括：功率控制电路、功率开关电路、功率放大电路。
其中，功率控制电路由电阻R1、电容C4、数字逻辑IC(SN74LVC2G04芯片)、三极管Q1、电阻R5组成。Tx_Rx为无线收发模块当处于发送/接收状态时，对外围电路工作状态的指示，当Tx_Rx为低电平时，TX_RXX为高电平，此时三极管1打开，通过TX_RXXX做为控制引脚，对功率放大电路中的功率放大器件3的增益进行控制；电容4做为低频旁路电容来过滤对Tx_Rx高频干扰。
功率开关电路：由电阻R2、P沟道莫斯管(FPF2103芯片)、磁珠1、磁珠2、磁珠3组成。ucVCC是无线收发模块处于发送状态时，提供给功率放大电路的增益控制的参考电压，与Tx_Rx组成了功率开关电路。当无线收发模块处于发送状态时，P沟道莫斯管FPF2103打开，经过第一磁珠、第二磁珠、第三磁珠过滤掉高频噪声和尖峰干扰后，给功率放大电路中的功率放大器UPG2250T5N做电源供给。采用P沟道莫斯管的好处是功率控制电路的输出为低阻抗，补偿电路简单，在不需要外接大的输出电容的情况下能实现稳定的电压输出,同时节约芯片面积，降低设计成本。
功率放大电路：由电感L1、电容C1、电容C2、电容C5、电容C6、电感L3、 电容C9、电容C10、电容C11、电容C16、电感L6、功率放大器UPG2250T5N组成。其中，PA_VDD1端、PA_VDD2端、PA_VDD3端、TX_RXXX端为功率开关电路和功率控制提供信号，当无线收发模块处于发送状态时,PA_VDD1端、PA_VDD2端、PA_VDD3端向功率放大器UPG2250T5N提供稳定的电源供给，功率放大器UPG2250T5N根据TX_RXXX端的增益控制参考电压，以此来调整单端信号射频信号功率的增益控制，本发明采用CEL公司的功率放大器UPG2250T5N(TSON-6封装)，大大减小芯片面积，内部有3级放大电路，最大增益高达24dBm。在外围应用电路中，电容C9、电容C10、电感L3实现了PA_VDD1端电源输入的高频滤波电路；电容C1、电容C2、电容C5、电感L1实现了PA_VDD2端和PA_VDD3端电源输入的高频滤波电路。
更进一步的，还包括带通滤波器模块，所述带通滤波器模块包括LFB2H2G45SG7A159芯片，所述LFB2H2G45SG7A159芯片包括第I端、第II端、第III端和第IV端，所述第I端和第III端均接地，所述第IV端接输入信号，所述第II端连接电容C7的一端，所述电容C7的另一端分别电感L5和电感L4的一端，所述电感L5的另一端接地。
发明原理：罐笼设置在罐井中，罐笼有四个罐耳，每个罐耳需安装3个非接触式位移传感器，即可测得罐耳每侧与钢轨罐道之间的距离。
有益效果：本发明的罐笼监控装置通过在罐耳的导向槽内部设置三个非接触式位移传感器用以检测罐耳和罐道之间的距离，其中包括罐耳两侧与罐道的距离以及罐耳底部与罐道顶部的距离，通过罐耳和罐道之间三个方向的距离可以得到罐道的磨损、变形、倾斜等信息。
附图说明
图1为罐道缺陷模型；
图2为罐笼监控装置的结构示意图；
图3为罐道异常点分析图；
图4为本发明的精确定位装置的结构示意图；
图5为精确定位原理图；
图6为电源管理模块的电路结构图；
图7为ARM控制器的电路结构图；
图8为NA5TR1无线收发芯片的电路结构图；
图9为巴伦阻抗放大电路的电路结构图；
图10为功率控制电路和功率开关电路的电路结构图；
图11为功率放大电路的电路结构图；
图12为带通滤波器模块的电路结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
请参阅图2所示，本发明的罐笼监控装置，罐笼包括四个罐耳，每个罐耳上均具有导向槽，导向槽的横截面为矩形，监控装置包括非接触式位移传感器，每个罐耳的导向槽内均设置有三个非接触式位移传感器，三个非接触式位移传感器分别设置在导向槽的底面和内侧两面。优选的，非接触式位移传感器为电涡流位移传感器。电涡流传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化，是一种非接触的线性化计量工具。
还包括动态倾角传感器，动态倾角传感器水平设置在罐笼的顶部。动态倾角传感器包括三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计。倾角传感器经常用于系统的水平测量，还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量，输出角度以水准面为参考，基准面可被再次校准，只要将传感器固定在一定的平面，测量前使用零位按钮实现清零功能，传感器在此之后读出来的数据就是相对于该平面的相对倾角。动态倾角传感器是一款微型的涵盖动态倾角和静态倾角测量的传感器，专门针对静态倾角传感器的动态误差太大，无法在运动载体上进行测量这一缺陷而特别设计的倾角传感器，满足了客户在运动状态下测量倾角的要求。它由三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计等构成。
还包括罐笼位置信息采集器，罐笼位置信息采集器包括光电编码器，光电编码器设置在罐笼的电机上。罐笼位置信息主要通过光电编码器获得电机运转总周数，电机每运转一周提升钢丝绳的长度固定，由此可得罐笼在井筒中的位置。通过和非接触式位移传感器相互配合使用，可以确定罐道磨损、变形的位置，方便维护人员进行维护和检修。
还包括摄像机，摄像机设置在罐笼的顶部，摄像机对准罐道。罐笼顶部的摄像机监控罐道，减少了人员直接观察检修的几率，减少了危险的高空作业，同时 摄像机的后端录像，也为罐笼的运行与检修提供了宝贵的数据资料。
还包括传感器信号采集装置、DSP处理器和信号发送装置，传感器信号采集装置和信号发送装置均连接DSP处理器，非接触式位移传感器均连接传感器信号采集装置。其中，动态倾角传感器、笼位置信息采集器、摄像机均连接DSP处理器。
请参阅图3所示，其中，本发明的软件设计可以采样图形化的操作方式，操作人员能够看到罐笼的实时运行情况，及罐耳罐道的距离情况。能够方便的判断出罐耳与导向轨道的摩擦所在位置，做到安全预警与防护。监控管理软件将上传的位置信息，间隙信息，倾角信息绘制曲线，这样能够方便直观地找出故障点。异常点分析图例如图3所示。
发明原理：罐笼设置在罐井中，罐笼有四个罐耳，每个罐耳需安装3个非接触式位移传感器，即可测得罐耳每侧与钢轨罐道之间的距离。利用动态倾角传感器用于罐笼的水平测量，还可以用来测量罐笼相对于水平面的倾角变化量。罐笼位置信息主要通过光电编码器获得电机运转总周数，电机每运转一周提升钢丝绳的长度固定，由此可得罐笼在井筒中的位置。通过和非接触式位移传感器相互配合使用，可以确定罐道磨损、变形的位置，方便维护人员进行维护和检修。
本发明的罐笼监控装置通过在罐耳的导向槽内部设置三个非接触式位移传感器用以检测罐耳和罐道之间的距离，其中包括罐耳两侧与罐道的距离以及罐耳底部与罐道顶部的距离，通过罐耳和罐道之间三个方向的距离可以得到罐道的磨损、变形、倾斜等信息。
请参阅图4所示，本发明还包括精确定位装置，包括电源模块、ARM控制器、NA5TR1无线收发芯片、巴伦阻抗放大电路、射频功率放大器、带通滤波器模块和天线，所述电源模块连接所述ARM控制器和NA5TR1无线收发芯片，所述ARM控制器连接所述NA5TR1无线收发芯片，所述NA5TR1无线收发芯片、巴伦、射频功率放大器、带通滤波器模块和天线依次连接。
请参阅图6所示，电源模块包括SPX3819芯片，SPX3819芯片包括Vin端、Vout端、GND端、EN端和Adj端，GND端接地，EN端通过电容C50接地，Vin端通过熔断器F1连接3.3V电压端，Vin端和EN端连接，Vout端连接2.5V电压端并通过串联连接的电容C51和电容C45接地，Vout端分别通过电感LR4和电感LR5连接NA端和STM32端。本发明采用低压差线性稳压器SPX3819，具 有高电源抑制比、超低噪声及快速启动等特点，为ARM控制器及无线收发芯片NA5TR1提供所需的工作电源。
请参阅图7所示，微处理器模块：微处理器模块是精确定位射频板中的计算核心，所有的任务调度、通信协议、功能协调、数据融合、能量计算和数据转储都将在该模块的支持下完成，由于微处理器数据处理速度直接影响到精确定位系统中移动节点的最大运动速度，在该模块中，选用32位ARM控制器STM32F103CBT6做为微处理器模块，其处理速度快可达72MHz，且FLASH容量大，稳定性好，支持低电压2.0-3.6V工作等优点，通过SPI全双工高速串行通信完成与罐笼监控控制器间的数据传输,同时通过SPI与NA5TR1收发芯片完成通。经现场实际应用测试，可以满足罐笼最大10米/秒的移动速度时实施精准定位。该微处理器尺寸小、成本低、功耗低，集成度高，具有丰富的外围接口等优点。
请参阅图8所示，NA5TR1无线收发芯片包括第一VDDA端、第二VDDA端、RREF端、VSSA端、VDDA_DCO端、Xtal32kP端、Xtal32kN端、Xtal32MP端、Xtal32MN端、Tx_Rx端、第一VSSD端、第二VSSD端、第一VDDD端、第二VDDD端、第三VSSD端、SpiCLK端、SpiSSN端、SpiTXD端、SpiRXD端、D0端、D1端、D2端、D3端、第四VSSD端、第三VDDD端、Test端、uCReset端、uCIRQ端、VDD1V2_Cap端、uCVcc端、POnReset端、第五VSSD端、VDDA_ADC端、第二VSSA端、第三VDDA端、第四VDDA端、第三VSSA端、第四VSSA端、RxN端、RxP端、第五VSSA端、TxN端、TxP端和第六VSSA端。
第一VDDA端和第二VDDD端均连接+2.5V电压端，RREF端通过电阻R10接地，VSSA端接地，VDDA_DCO端连接+2.5V电压端，Xtal32kP端和Xtal32kN端分别连接无源晶振Y1的两端，无源晶振Y1的两端分别通过电容C25和电容C26接地，Xtal32MP端和Xtal32MN端分别连接有源晶振Y2的两端，有源晶振Y2的两端分别通过电容C27和电容C31接地，有源晶振Y2的另外两端接地，第一VSSD端、第二VSSD端和第三VSSD端均接地，第一VDDD端、第二VDDD端和第三VDDD端均连接+2.5V电压，第三VSSD端接地，SpiCLK端、SpiSSN端、SpiTXD端和SpiRXD端分别连接SPI1_CLK端、SPI1_SSN端、SPI1_MISO端和SPI1_MOSI端，D0端、D1端、D2端和D3端通过4位排阻接地，第四VSSD端接地。
VDD1V2_Cap端通过并联连接的电容C29和电容C30接地，Test端通过电阻 R13接地，POnReset端通过电容C28接地并通过电阻R11接+2.5V电压，第五VSSD端和第二VSSA端接地，VDDA_ADC端接+2.5V电压端，第三VDDA端和第四VDDA端接+2.5V电压并通过串联连接的电容C22、电容C23和电容C24接地，第三VSSA端和第四VSSA端接地，TxN端和TxP端分别连接TXN端和TXP端，第五VSSA端接地，TxN端和TxP端分别连接TXN端和TXP端，第六VSSA端接地。
NA5TR1为无线收发芯片，是定位节点的核心器件，该器件内部集成了具有双边两路测距功能的模块和2.45GHz ISM RF收发器，工作频段为2.4GHz的免授权频段，提供3个可自由调整中心频率的非重叠2.4GHzISM频道和14个重叠的频道，提高了与现有2.4GHz无线技术共存时的网络性能，具有125Kb/s-2Mb/s的可编程数据速率，0-33dBm可调且支持扩展至20dBm以上的可编程输出功率，高达大-97dBm的接收灵敏度，具有节能的掉电模式，掉电模式下的最小电流≤2μA。时钟晶振：NA5TR1工作时需要32.768kHz和32MHz两个时钟信号，32MHz的时钟作为基带时钟的基准来产生线性调频信号，32.768kHz时钟为实时时钟及实现掉电模式下的电源管理。
请参阅图9所示，巴伦阻抗放大电路包括LDB212G4020C-001滤波器，LDB212G4020C-001滤波器包括第一端、第二端、第三端、第四端和第五端，第一端接单端信号输出，第二端通过电容C18接地，第三端连接TXP端，第四端连接TXN端，第五端接地，第三端和第四端通过电感L8连接，第三端通过串联连接的电容C20和电感L7连接RXP端，第四端通过串联连接的电容C21和电感L10连接RXN端，RXP端和RXN端之间通过电感L9连接。
巴伦阻抗放大电路包括阻抗匹配电路和变压器巴伦电路，其中阻抗匹配电路由电感L7、电感L9、电感L10、电容C20、电容C21、电感L8组成的是双Π型匹配网络，为发送端口TXP、TXN和接收端口RXP、RXN的两对差分对，提供阻抗控制为200欧姆的差分对阻抗匹配电路，实现无线收发模块的差分接口和变压器巴伦电路差分接口之间的阻抗匹配；变压器巴伦电路由模拟器件LDB212G4020C组成，电容18是低频旁路电容。TXP、TXN、RXP、RXN差分对信号经过阻抗匹配电路后，为其提供高速变压器巴伦电路，实现将幅度相同但相位相差180度的差分射频信号和单端射频信号之间的高速转换，以此实现平衡传输线和非平衡传输线阻抗匹配电路。
请参阅图10和图11所示，射频功率放大器包括功率控制电路、功率开关电路和功率放大电路，功率控制电路包括SN74LVC2G04芯片，SN74LVC2G04芯片包括一端、二端、三端、四端、五端和六端，其中，一端连接Tx_Rx端，三端和五端分别连接三极管Q1的基极和集电极，三极管Q1的发射极通过电阻R5接地并连接TX_RXXX端，二端接地，一端通过电容C4连接二端并通过电阻R1连接功率开关电路，四端连接TX_RXX端。
功率开关电路包括FPF2103芯片，FPF2103芯片包括1端、2端、3端、4端和5端，1端连接2.5V电压端，2端接地，3端通过电阻R1连接功率控制电路并通过电阻R2接地，4端为nc端，5端分别通过第一磁珠、第二磁珠和第三磁珠连接PA_VDD1端、PA_VDD2端和PA_VDD3端；
功率放大电路包括功率放大器UPG2250T5N，功率放大器UPG2250T5N包括第1端、第2端、第3端、第4端、第5端、第6端和第7端，第1端通过电容C6连接单端信号输出并通过电感L1连接PA_VDD3端，第1端通过电容C2接地，PA_VDD3端通过电容C1接地，第2端为nc端，第3端通过电容C1连接第7端并连接TX-RXXX端，第4端通过串联连接的电容C16和电感L6连接单端信号输入，第5端通过电感L3连接PA_VDD1端，PA_VDD1端通过并联连接的电容C9和电容C10接地，第6端连接PA_VDD2端并通过电容C5接地。射频功率放大器(PA模块)是各种无线发射机的重要组成部分。
在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。本发明的射频功率放大模块主要包括：功率控制电路、功率开关电路、功率放大电路。
其中，功率控制电路由电阻R1、电容C4、数字逻辑IC(SN74LVC2G04芯片)、三极管Q1、电阻R5组成。Tx_Rx为无线收发模块当处于发送/接收状态时，对外围电路工作状态的指示，当Tx_Rx为低电平时，TX_RXX为高电平，此时三极管1打开，通过TX_RXXX做为控制引脚，对功率放大电路中的功率放大器件3的增益进行控制；电容4做为低频旁路电容来过滤对Tx_Rx高频干扰。
功率开关电路：由电阻R2、P沟道莫斯管(FPF2103芯片)、磁珠1、磁珠2、磁珠3组成。ucVCC是无线收发模块处于发送状态时，提供给功率放大电路的增 益控制的参考电压，与Tx_Rx组成了功率开关电路。当无线收发模块处于发送状态时，P沟道莫斯管FPF2103打开，经过第一磁珠、第二磁珠、第三磁珠过滤掉高频噪声和尖峰干扰后，给功率放大电路中的功率放大器UPG2250T5N做电源供给。采用P沟道莫斯管的好处是功率控制电路的输出为低阻抗，补偿电路简单，在不需要外接大的输出电容的情况下能实现稳定的电压输出,同时节约芯片面积，降低设计成本。
功率放大电路：由电感L1、电容C1、电容C2、电容C5、电容C6、电感L3、电容C9、电容C10、电容C11、电容C16、电感L6、功率放大器UPG2250T5N组成。其中，PA_VDD1端、PA_VDD2端、PA_VDD3端、TX_RXXX端为功率开关电路和功率控制提供信号，当无线收发模块处于发送状态时,PA_VDD1端、PA_VDD2端、PA_VDD3端向功率放大器UPG2250T5N提供稳定的电源供给，功率放大器UPG2250T5N根据TX_RXXX端的增益控制参考电压，以此来调整单端信号射频信号功率的增益控制，本发明采用CEL公司的功率放大器UPG2250T5N(TSON-6封装)，大大减小芯片面积，内部有3级放大电路，最大增益高达24dBm。在外围应用电路中，电容C9、电容C10、电感L3实现了PA_VDD1端电源输入的高频滤波电路；电容C1、电容C2、电容C5、电感L1实现了PA_VDD2端和PA_VDD3端电源输入的高频滤波电路。
请参阅图12所示，还包括带通滤波器模块，带通滤波器模块包括LFB2H2G45SG7A159芯片，LFB2H2G45SG7A159芯片包括第I端、第II端、第III端和第IV端，第I端和第III端均接地，第IV端接输入信号，第II端连接电容C7的一端，电容C7的另一端分别电感L5和电感L4的一端，电感L5的另一端接地。
带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量，将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。本发明的带通滤波器模块主要包括：带通滤波器、阻抗匹配电路。带通滤波器选用murata村田LFB2H2G45SG7A159芯片，可以有效滤除2.4GHzISM频道以外的杂波，以降低无线数据收发模块受干扰可能性，对于空间受限、多径效应明显的矿井环境滤波效果明显。在外围电路中，电容C7、电感L4、电感L5实现了射频发射到天线的阻抗匹配电路。
请参阅图5所示，基于到达时间(TOA)算法的距离测量的测距过程及原理算 法，整个测量过程中产生了4次测量过程以及两次回复等待时间，所以单次测量时间为：t＝(TRoundA-TReplyB+TRoundB-TReplyA)/4，
其中TRoundA、TReplyB、TRoundB、TReplyA均能够通过芯片直接读取。
测量距离为：d＝t*c，其中t为单次测量时间，c为射频的传输速度，约等于光速。
本发明的精确定位装置结构简单，设计合理，能有有效从硬件上提高定位装置的定位精度并有效降低功耗。
Claims (10)
1.一种罐笼监控装置，其特征在于：所述罐笼包括四个罐耳，每个所述罐耳上均具有导向槽，所述导向槽的横截面为矩形，所述监控装置包括非接触式位移传感器，每个所述罐耳的导向槽内均设置有三个所述非接触式位移传感器，三个所述非接触式位移传感器分别设置在所述导向槽的底面和内侧两面。
2.如权利要求1所述的罐笼监控装置，其特征在于，还包括动态倾角传感器，所述动态倾角传感器水平设置在所述罐笼的顶部。
3.如权利要求2所述的罐笼监控装置，其特征在于，所述动态倾角传感器包括三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计。
4.如权利要求1所述的罐笼监控装置，其特征在于，所述非接触式位移传感器为电涡流位移传感器。
5.如权利要求1所述的罐笼监控装置，其特征在于，还包括罐笼位置信息采集器，所述罐笼位置信息采集器包括光电编码器，所述光电编码器设置在罐笼的电机上。
6.如权利要求1所述的罐笼监控装置，其特征在于，还包括精确定位装置，所述精确定位装置设置在所述罐笼的底部，所述精确定位装置包括电源模块、ARM控制器、NA5TR1无线收发芯片、巴伦阻抗放大电路、射频功率放大器、带通滤波器模块和天线，所述电源模块连接所述ARM控制器和NA5TR1无线收发芯片，所述ARM控制器连接所述NA5TR1无线收发芯片，所述NA5TR1无线收发芯片、巴伦、射频功率放大器、带通滤波器模块和天线依次连接,所述NA5TR1无线收发芯片包括第一VDDA端、第二VDDA端、RREF端、VSSA端、VDDA_DCO端、Xtal32kP端、Xtal32kN端、Xtal32MP端、Xtal32MN端、Tx_Rx端、第一VSSD端、第二VSSD端、第一VDDD端、第二VDDD端、第三VSSD端、SpiCLK端、SpiSSN端、SpiTXD端、SpiRXD端、D0端、D1端、D2端、D3端、第四VSSD端、第三VDDD端、Test端、uCReset端、uCIRQ端、VDD1V2_Cap端、uCVcc端、POnReset端、第五VSSD端、VDDA_ADC端、第二VSSA端、第三VDDA端、第四VDDA端、第三VSSA端、第四VSSA端、RxN端、RxP端、第五VSSA端、TxN端、TxP端和第六VSSA端；
所述第一VDDA端和第二VDDD端均连接+2.5V电压端，所述RREF端通过电阻R10接地，所述VSSA端接地，所述VDDA_DCO端连接+2.5V电压端，所述Xtal32kP端和Xtal32kN端分别连接无源晶振Y1的两端，所述无源晶振Y1的两端分别通过电容C25和电容C26接地，所述Xtal32MP端和Xtal32MN端分别连接有源晶振Y2的两端，所述有源晶振Y2的两端分别通过电容C27和电容C31接地，所述有源晶振Y2的另外两端接地，所述第一VSSD端、第二VSSD端和第三VSSD端均接地，所述第一VDDD端、第二VDDD端和第三VDDD端均连接+2.5V电压，所述第三VSSD端接地，所述SpiCLK端、SpiSSN端、SpiTXD端和SpiRXD端分别连接SPI1_CLK端、SPI1_SSN端、SPI1_MISO端和SPI1_MOSI端，所述D0端、D1端、D2端和D3端通过4位排阻接地，所述第四VSSD端接地，
所述VDD1V2_Cap端通过并联连接的电容C29和电容C30接地，所述Test端通过电阻R13接地，所述POnReset端通过电容C28接地并通过电阻R11接+2.5V电压，
所述第五VSSD端和第二VSSA端接地，所述VDDA_ADC端接+2.5V电压端，所述第三VDDA端和第四VDDA端接+2.5V电压并通过串联连接的电容C22、电容C23和电容C24接地，
所述第三VSSA端和第四VSSA端接地，所述TxN端和TxP端分别连接TXN端和TXP端，第五VSSA端接地，所述TxN端和TxP端分别连接TXN端和TXP端，所述第六VSSA端接地。
7.如权利要求1所述的罐笼监控装置，其特征在于：所述电源模块包括Vin端、Vout端、GND端、EN端和Adj端，所述GND端接地，所述EN端通过电容C50接地，所述Vin端通过熔断器F1连接3.3V电压端，所述Vin端和EN端连接，所述Vout端连接2.5V电压端并通过串联连接的电容C51和电容C45接地，所述Vout端分别通过电感LR4和电感LR5连接NA端和STM32端。
8.如权利要求1所述的罐笼监控装置，其特征在于：所述巴伦阻抗放大电路包括LDB212G4020C-001滤波器，所述LDB212G4020C-001滤波器包括第一端、第二端、第三端、第四端和第五端，所述第一端接单端信号输出，所述第二端通过电容C18接地，所述第三端连接TXP端，所述第四端连接TXN端，所述第五端接地，所述第三端和第四端通过电感L8连接，所述第三端通过串联连接的电容C20和电感L7连接RXP端，所述第四端通过串联连接的电容C21和电感L10连接RXN端，所述RXP端和RXN端之间通过电感L9连接。
9.如权利要求1所述的罐笼监控装置，其特征在于：所述射频功率放大器包括功率控制电路、功率开关电路和功率放大电路，所述功率控制电路包括SN74LVC2G04芯片，所述SN74LVC2G04芯片包括一端、二端、三端、四端、五端和六端，其中，所述三端和五端分别连接三极管Q1的基极和集电极，所述三极管Q1的发射极通过电阻R5接地并连接TX-RXXX端，所述二端接地，所述一端通过电容C4连接所述二端并通过电阻R1连接所述功率开关电路，所述功率开关电路包括FPF2103芯片，所述FPF2103芯片包括1端、2端、3端、4端和5端，所述1端连接2.5V电压端，所述2端接地，所述3端通过电阻R1连接所述功率控制电路并通过电阻R2接地，所述4端为nc端，所述5端分别通过第一磁珠、第二磁珠和第三磁珠连接PA_VDD1端、PA_VDD2端和PA_VDD3端，
所述功率放大电路包括功率放大器UPG2250T5N，所述功率放大器UPG2250T5N包括第1端、第2端、第3端、第4端、第5端、第6端和第7端，所述第1端通过电容C6连接单端信号输出并通过电感L1连接PA_VDD3端，所述第1端通过电容C2接地，所述PA_VDD3端通过电容C1接地，所述第2端为nc端，所述第3端通过电容C1连接第7端并连接TX-RXXX端，所述第4端通过串联连接的电容C16和电感L6连接单端信号输入，所述第5端通过电感L3连接PA_VDD1端，所述PA_VDD1端通过并联连接的电容C9和电容C10接地，所述第6端连接PA_VDD2端并通过电容C5接地。
10.如权利要求1所述的罐笼监控装置，其特征在于：还包括带通滤波器模块，所述带通滤波器模块包括LFB2H2G45SG7A159芯片，所述LFB2H2G45SG7A159芯片包括第I端、第II端、第III端和第IV端，所述第I端和第III端均接地，所述第IV端接输入信号，所述第II端连接电容C7的一端，所述电容C7的另一端分别电感L5和电感L4的一端，所述电感L5的另一端接地。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Address after: 211161 No. 50, Bao Xiang Road, Binjiang Economic Development Zone, Nanjing, Jiangsu, Jiangning, China Patentee after: Nanjing Bestway Automation System Co., Ltd. Address before: 211106 No. 99 Feinikesi Road, Jiangning economic and Technological Development Zone, Nanjing, Jiangsu Patentee before: Nanjing Bestway Automation System Co., Ltd. |
|
| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Cage monitoring device Effective date of registration: 20180802 Granted publication date: 20170208 Pledgee: Bank of Nanjing, Limited by Share Ltd, Nanjing branch Pledgor: Nanjing Bestway Automation System Co., Ltd. Registration number: 2018320000122 |
|
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 211161 No. 50 Baoxiang Road, Jiangning Binjiang Economic Development Zone, Nanjing City, Jiangsu Province Patentee after: Nanjing North Road Intelligent Control Technology Co., Ltd Address before: 211161 No. 50 Baoxiang Road, Jiangning Binjiang Economic Development Zone, Nanjing City, Jiangsu Province Patentee before: NANJING BESTWAY AUTOMATION SYSTEM Co.,Ltd. |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20220408 Granted publication date: 20170208 Pledgee: Bank of Nanjing Limited by Share Ltd. Nanjing branch Pledgor: NANJING BESTWAY AUTOMATION SYSTEM Co.,Ltd. Registration number: 2018320000122 |