CN217501749U - 一种数字化煤矿安全监控系统断电时间检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种数字化煤矿安全监控系统断电时间检测装置，包括：分别与MCU单元连接的信号发生单元、信号接收单元、精密时间间隔测量单元和供电单元；MCU单元生成监控传感器数字信号，通过信号发生单元输出至与数字信号对应的煤矿安全监控系统的不同类型监控设备；精密时间间隔测量单元启动计时，统计从每一监控设备接收数字信号，至相应监控设备通过信号接收单元向MCU单元传输反馈信号的时间间隔；供电单元用于向MCU单元、信号发生单元、信号接收单元、精密时间间隔测量单元供电；还包括按键单元，按键单元连接MCU单元，用于人工输入设置。本实用新型能够准确、快捷，测试方便、简单的对监控设备的断电时间进行测试，提高测试的重复性和准确率。

Description

一种数字化煤矿安全监控系统断电时间检测装置

技术领域

本实用新型涉及断电检测技术领域，尤其涉及一种数字化煤矿安全监控系统断电时间检测装置。

背景技术

断电时间是指煤矿安全监控系统中甲烷传感器监测到的甲烷浓度达到断电值时刻开始，到断电机构执行断电时刻结束所经历的时间。AQ 6201-2006《煤矿安全监控系统通用技术要求》第4.7.5条明确规定“控制时间应不大于系统最大巡检周期(系统最大巡检周期应不大于30s)。异地控制时间应不大于2倍的系统最大巡检周期。甲烷超限断电及甲烷风电闭锁的控制执行时间应不大于2s”，明确规定了需要同时测试甲烷超限断电及甲烷风电闭锁的控制执行时间。

在MT/T1005-2006《矿用分站》标准出台以前，各分站生产厂家的产品其容量多为可以接入8路模拟量、八路开关量和输出八路断电控制的设计。但是，在模拟量采集处理上，均以单片机的一个计数器进行顺序采集八个数据通道，每个数据通道采集1s的方式实现。但这种情况导致了一个结果：假设分站只能单元程序运行到第二通道数据采集开始，而此时，第一通道数据已经达到或者超过断电值，而分站只能单元仍要顺序循环采集第二到第八通道的数据，直到顺序循环至第一通道时才对第一通道数据进行采集。因此，采集八路数据理论上来说需要8s的时间，如果再考虑到其它程序运行的时间，采集时间将远大于 8s。

为了满足AQ 6201-2006《煤矿安全监控系统通用技术要求》第4.7.5条规定“甲烷超限断电及甲烷风电闭锁的控制执行时间应不大于2s”的要求，各大厂家提出了不同的解决方案，其中，可行的解决方法如下：

(1)缩短采样时间的方法

在不改变原来分站硬件结构的基础上，通过软件改变每次采样时间来实现数据采集的方法。比如，同样是采集八路通道数据，原来采集一路通道数据需要1s，现在则改为采集 1路通道数据需要125ms，这样采集8路数据只需1s即可，如果考虑到其它程序的运行时间，亦可按照最坏情况酌情减少1路通道数据的采集时间，可以实现新标准2s断电的规定。

(2)拓展计数器的方法

鉴于单片机的计数器少(51系列单片机只有3个)，拓展两个计数器，再利用单机自身的2个计数器，正好实现了8路通道频率模拟量数据的采集。

(3)3个CPU的方法

采用3个CPU，类似于1个CPU扩展两片计数器，只是通讯方式不一样。1个是采用并行通信，1个是采用串行通信，或者是三线SPI方式通信。这3个CPU中，1个是主机，另外2个是从机，主机主要有3个功能，第一个功能是利用自身的2个计数器采集2路模拟量信号；第二个功能是通过中断方式分别控制2个从机，并接收2个从机采集的数据；第三个功能是对实时数据的采集，并在主机对其触发时，进入中断处理程序--即向主机发送数据程序。

经过长时间的发展，上述三种采集方法渐渐显现出了其弊端。对于拓展技术器的方法而言，存在精度不高、没有软件滤波功能、干扰信号无法排除而造成的可靠性差的问题；对于3个CPU的方法而言存在硬件复杂、成本高且采集过程CPU程序一直运行，且不能受到中断等外部因素打扰，一旦打扰，这次采集必须作废的缺陷。因此，传统的频率信号数据采集方式已经不适用于分站的信号采集。

实用新型内容

本实用新型提供一种数字化煤矿安全监控系统断电时间检测装置，旨在准确、快捷，测试方便、简单的对监控设备的断电时间进行测试，提高测试的重复性和准确率。

为此，本实用新型的第一个目的在于提出一种数字化煤矿安全监控系统断电时间检测装置，包括：分别与MCU单元连接的信号发生单元、信号接收单元、精密时间间隔测量单元和供电单元；

其中，所述MCU单元生成监控传感器数字信号，通过所述信号发生单元输出至与所述数字信号对应的煤矿安全监控系统的不同类型监控设备；所述精密时间间隔测量单元启动计时，统计从每一所述监控设备接收数字信号，至相应所述监控设备通过信号接收单元向 MCU单元传输反馈信号的时间间隔；所述供电单元用于向MCU单元、信号发生单元、信号接收单元、精密时间间隔测量单元供电。

其中，MCU单元采用高速ARM处理器STM32107VC，外部配接高速总线接受缓存、总线驱动器，接口保护电路；

其中，外部总线CAN总线接口，采用周立功的CTM8251驱动器，用于将CAN控制器逻辑电平转换为CAN总线的差动电平的功能，CTM8251具有对CAN控制器与CAN 总线之间的隔离作用此款驱动器采用全灌封工艺，内部集成CAN-bus所必须的收发电路，完全电气隔离电路，CTM8251是用于CAN控制器与CAN总线之间的接口芯片，完全符合ISO 11898标准；支持标准波特率5kbps—1Mbps。

其中，信号发生模块将MCU单元生成的数字信号直接处理、合成，转换为虚拟的监控系统数据，按照信号制式，选择总线通道，依据测试指令按照一定的时间间隔发出。

其中，外部RS485驱动器采用采用周立功的RSM485系列隔离收发器模块，集成电源隔离、电气隔离、RS-485接口芯片和总线保护器件于一身，模块采用灌封工艺，具有很好的隔离特性，隔离电压高达2500VDC；支持标准波特率1200bps—38400bps。

其中，MCU单元用于处理并储存从应用界面输入的设备运行参数，经过内部转换、处理形成模拟的监控报警数据，将其转换成监控设备闭锁的触发信号；在动态调整不确定度之后，开始精密计时，保证各总线接口与外部监控设备输出信号端之间同频同步；当系统或元件出现故障，或是设备负载电流有大的偏差时，系统要及时报警而不是机械停止；由此，可以稳妥地保证补偿系统的可靠性及可行性。

其中，煤矿安全监控系统的不同类型监控设备在发出巡检指令至所述MCU单元，采集所述MCU单元发出的数字信号，通过电平同步的方式，使监控设备在发出巡检指令后，改变控制管脚的电平状态；采集到电平变化后开始以一定的时间间隔发出监控数据，作为反馈信号发送至MCU单元，以起到模拟传感器报警的实际测试效果。

其中，信号接收单元通过抗混叠滤波器滤除信号中奈奎斯特曲线以上的频率成分，使采样满足采样定理。

其中，还包括显示单元，显示单元连接MCU单元，用于进行数据显示。

其中，还包括按键单元，按键单元连接MCU单元，用于人工输入设置。

区别于现有技术，本实用新型提供的数字化煤矿安全监控系统断电时间检测装置，通过预先设定的通讯参数和通讯制式，自动生成模拟的监测数据，并按标准协议发送至被测试系统，协助被测设备完成检验，无需被测厂家透漏通讯协议，同时，也避免检测人员做二次开发；应用多总线融合技术，装置的软、硬件设计均考虑到了多种通讯制式融合的需求，装置的多个数据融合硬件接口可实现不同制式、不同波特率的监控系统数据同时准确、快速接收，在软件设计中增加了转换协议，可使不同协议间的数据得到统一处理、分析，从而可以实现不同监控系统设备之间互联互控的检验目的；对监控系统的无线模块或装备进行准确功率测试的技术和方法，提高测试的重复性和准确率。

附图说明

本实用新型的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型提供的一种数字化煤矿安全监控系统断电时间检测装置的结构示意图。

图2是本实用新型提供的一种数字化煤矿安全监控系统断电时间检测装置中测试过程的逻辑示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

图1为本实用新型实施例所提供的一种数字化煤矿安全监控系统断电时间检测装置的结构示意图。该装置包括：分别与MCU单元1连接的信号发生单元2、信号接收单元3、精密时间间隔测量单元4和供电单元5；

其中，MCU单元1生成监控传感器数字信号，通过信号发生单元2输出至与数字信号对应的煤矿安全监控系统的不同类型监控设备；精密时间间隔测量单元4启动计时，统计从每一监控设备接收数字信号，至相应监控设备通过信号接收单元3向MCU单元1传输反馈信号的时间间隔；供电单元5用于向MCU单元1、信号发生单元2、信号接收单元3、精密时间间隔测量单元4供电。精密时间间隔测量单元4为用于精确计算时间间隔的机构，在本实用新型的其他实施方式中，也可由MCU单元1的计时功能代替。监控设备至少包括对风电闭锁、瓦斯超限及风机故障进行检测的监控设备。

图1中，监控传感器数字信号由MCU单元1根据预先设置模拟生成，通过数据封装及加密处理后通过信号发生单元2输出至监控设备，同时打开精密时间间隔测量单元4进行计时。监控设备获取“传感器”数值之后，依据监控系统设定的断电闭锁值进行相应的判断和动作。当“传感器”数值超过设定的断电闭锁值时，监控设备驱动断电执行机构动作，产生断电信号，信号接收单元3负责在众多监控信号中识别并接收断电信号，当验证为正确断电信号后，停止计时，在此期间所计量的时间间隔，即为数字式监控系统断电闭锁所需的时间。本实用新型中所述的数字信号为风电闭锁的触发信号、瓦斯超限数据或风机故障状态。

MCU单元1采用高速ARM处理器STM32107VC，外部配接高速总线接受缓存、总线驱动器，接口保护电路；

其中，外部总线CAN总线接口，采用周立功的CTM8251驱动器，用于将CAN控制器逻辑电平转换为CAN总线的差动电平的功能，CTM8251具有对CAN控制器与CAN 总线之间的隔离作用此款驱动器采用全灌封工艺，内部集成CAN-bus所必须的收发电路，完全电气隔离电路，CTM8251是用于CAN控制器与CAN总线之间的接口芯片，完全符合ISO 11898标准；支持标准波特率5kbps—1Mbps。

CAN是控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准(ISO 11898)，是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。

CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。数据块的标识符可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2或2个以上不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。

CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯。CAN总线插卡可以任意插在PC AT XT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。

CAN总线传输距离和速率的特点：(1)数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他(一个或多个)节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序，高优先级节点信息在134μs通信；(2)多个节点同时发起通信时，优先级低的避让优先级高的，不会对通信线路造成拥塞；(3)通信距离最远可达10KM(速率低于5Kbps)速率可达到 1Mbps(通信距离小于40M)；(4)CAN总线传输介质可以是双绞线，同轴电缆。CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量，实时性要求比较高，多主多从或者各个节点平等的现场中使用。

在不考虑CANBridge+或星型和链型的延长通讯距离的手段为前提条件下，为满足升级改造要求中的通讯距离2km、3km以及6km的要求，并考虑到之后的标准改版中有可能加长通讯距离，本次设备设计的CAN波特率为5kbps、10kbps、20kbps、50kbps、100kbps、125kbps、250kbps以及500kbps。

RS485又名TIA-485-A，ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485，是一个定义平数数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准，该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义。使用该标准的数字通信网络能在远距离条件下以及电子噪声大的环境下有效传输信号。 RS-485使得廉价本地网络以及多支路通信链路的配置成为可能。

在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来，而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，原因1是共模干扰：RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了，但容易忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7到+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作；当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口；原因二是EMI的问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道(信号地)，就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。

比特率的定义是这样的，是指每秒传送的比特(bit)数。单位为bps(Bit PerSecond)。比如在实际的通信过程中我们常将比特率设置为9600bps，即每秒传输9600个bit也即是每秒传输9600/8＝1200个字节(一个字节等于8bit)。比特率越高代表传输速度越快，意味数据变化的越快(电平高低切换越快)，频率也因此越高。而在通信过程中的导线的电感是一定的为常数，若电感用L₀表示的话那么其计算公式为：

L₀＝μ₀×L×(In2L/R-0.75)/2π

其中：L₀：圆截面直导线的电感(H)；L：导线长度(m)；R：导线半径(m)；μ₀：真空导磁率，μ₀＝4π10-7(H/m)。

而导线的感抗为：

XL＝2πfL

其中：XL：感抗；f：频率；L：线圈电感。

因此，在使用RS485接口时，对于特定的传输线路，比特率越高造成频率越高，而频率f越大，则相应的感抗XL越大，对信号的阻碍能力越强，传输距离也就越短。简而言之，从RS485接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，结合升级改造要求中的通讯距离2km、3km以及6km的要求，并考虑到之后的标准改版中有可能加长通讯距离，本次设备设计的RS485波特率为2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps及11520bps。

MCU单元1用于处理并储存从应用界面输入的设备运行参数，经过内部转换、处理形成模拟的监控报警数据，将其转换成监控设备闭锁的触发信号；在动态调整不确定度之后，开始精密计时，保证各总线接口与外部监控设备输出信号端之间同频同步；当系统或元件出现故障，或是设备负载电流有大的偏差时，系统要及时报警而不是机械停止；由此，可以稳妥地保证补偿系统的可靠性及可行性。

测试装置按照预设的参数，经过MCU直接处理、合成，从而转换为虚拟的监控系统数据，按照信号制式，选择总线通道，依据测试指令按照一定的时间间隔发出。为了使仪器具有广泛通用性，总线接口需要增加光电隔离、宽电压输入、电磁兼容保护等辅助功能电路。

目前，大部分系统采用的是主动巡检的数据获取方式，监控设备往往要在发出巡检指令之后，才会采集和处理数据指令，因此，检测装置的信号发生电路，还需要相关的同步机制，本装置中采用的是电平同步的方式，即监控设备在发出巡检指令后，改变控制管脚的电平状态。测试装置，采集到电平变化后开始以一定的时间间隔(可设置)发出监控数据，以起到模拟传感器报警的实际测试效果。

为了使满足不同频段的数字信号同时处理，需要利用足够高的采样频率,才可满足全部频段信号采集完整，没有遗漏，但是同时要注意避免出现信号混叠。如果根据“奈奎斯特采样定律”，采样频率f2至少应为被分析信号的最高频率的2倍，即：f2≥2fl，从而满足采样定理。否则可能出现因采样频率不够高,信号中的高频信号折叠到低频段，出现虚假频率成分，即混叠现象。

频率混叠的解决方法是采用抗混叠滤波器滤除信号中奈奎斯特曲线以上的频率成分, 使之满足采样定理。工程测量中采样频率值不可能无限高也不需要无限高，因为一般只关心一定频率范围内信号成分。为解决频率混叠问题,在对不同频段数字信号进行频谱分离前，便采用低通滤波器滤除高于1/2采样频率的频率成分。

具体的，对信号x(n)的频谱函数X(e^jw)在[0,2π)上等间隔采样N点,得到：

X_N(k)＝X(e^jw)|_w＝2πk/N,k＝0,1,2,…,N-1

则N点IDFT[X_N(k)]得到的序列就是原序列x(n)以N为周期进行周期延拓后的主值区序列，公式为：

频域采样点数N必须大于等于时域离散信号的长度M(即N≥M)，才能使时域不产生混叠，且N点IDFT[X_N(k)]得到的序列X_N(k)就是原序列X_N(n)，即x_N(n)＝x(n)。如果 N>M,x_N(n)比原序列多N-M个零点；如果N<M,则x_N(n)＝IDFT[X_N(k)]发生了时域混叠失真，而且x_N(n)的长度也比x(n)的长度短。

从以上分析可以看出，由于采样后的信号序列以采样周期为间隔，序列的每个取值时间都是采样周期的整数倍。如果采样频率大于最高信号频率的2倍，采样后的信号还是原信号，不会产生混叠；如果采样频率在最高信号频率的1～2倍之间，则采样后得到的信号频率变成采样频率与原信号频率之差，变成更低频的信号，也就是产生了混叠，即信号频率失真了；如果采样频率小于最高信号频率，则采样后得到的信号频率变成原信号频率减去采样频率(或减去采样频率的若干倍)，变成频率小于采样频率一半的信号，结果也是造成信号频率的失真(即混叠)

典型的频域采样定理应用是高速数字信号提取的方法。多数字信号源的同步处理，当系统的主频时钟处于不同的频率范围时，将会得到对应不同频率的离散信号序列。基于此原理，就可以区分不同信号源的工作频谱特性，实现不同数字信号源同时高速处理的功能。

如图2所示，本实用新型装置为了保证测试时间的准确性，用定时中断完成读取采样数据以及波特率分析，另外RS485通讯、CAN通讯、按键解析以及定时保存数据这些功能均采用中断方式完成。主程序首先对所有功能以及参数完成初始化设置任务，初始化的内容包括：系统运行的时钟、定时器的初始化、监控设备通讯类别的初始化、RS485、CAN 等通讯参数的初始化、测试方式选择、存储器初始化、测试数据初始化、中断优先级别的分配、端口配置等。初始化完成之后，即可进行性能指标的测试，测试正常即可进行测试数据分析、处理程序，然后进行结果诊断，之后由显示屏显示相应的测试结果。如果有必要继续测试，则只需按键按下转到重新测试处理程序，全部测试完成后，返回主程序。

此外，还包括显示单元6，显示单元6连接MCU单元1，用于进行数据显示。

其中，还包括按键单元7，按键单元7连接MCU单元1，用于人工输入设置。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种数字化煤矿安全监控系统断电时间检测装置，其特征在于，包括：分别与MCU单元连接的信号发生单元、信号接收单元、精密时间间隔测量单元和供电单元；

其中，所述MCU单元生成监控传感器数字信号，通过所述信号发生单元输出至与所述数字信号对应的煤矿安全监控系统的不同类型监控设备；所述精密时间间隔测量单元启动计时，统计从每一所述监控设备接收数字信号，至相应所述监控设备通过信号接收单元向MCU单元传输反馈信号的时间间隔；所述供电单元用于向MCU单元、信号发生单元、信号接收单元、精密时间间隔测量单元供电；还包括按键单元，按键单元连接MCU单元，用于人工输入设置。

2.根据权利要求1所述的数字化煤矿安全监控系统断电时间检测装置，其特征在于，所述MCU单元采用高速ARM处理器STM32107VC，所述MCU单元外部配接外部总线CAN总线接口；

其中，外部总线CAN总线接口，采用周立功的CTM8251驱动器。

3.根据权利要求2所述的数字化煤矿安全监控系统断电时间检测装置，其特征在于，外部总线CAN总线接口的外部RS485驱动器采用采用周立功的RSM485系列隔离收发器模块。

4.根据权利要求1所述的数字化煤矿安全监控系统断电时间检测装置，其特征在于，还包括显示单元，显示单元连接MCU单元，用于进行数据显示。

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