王亞楠+宋海寬

摘 要：在煤炭開采中，為了更好地完成對水、電、煤等能源介質(zhì)的調(diào)度和配置來達到節(jié)能降耗的目的以及對巖層注漿時運行狀態(tài)進行監(jiān)測，我們就需要建立一套有效并且穩(wěn)定的自動化信息獲取系統(tǒng)對煤礦生產(chǎn)過程中的壓力參數(shù)和機械參數(shù)等進行采集和處理。由于煤礦中生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜、需要測量的測點多，本文主要針對煤礦注漿過程中壓力測量展開研究，設(shè)計了煤炭注漿系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集硬件部分為煤炭注漿工藝提供參考。

關(guān)鍵詞：嵌入式；數(shù)據(jù)采集；Modbus

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.075

在系統(tǒng)設(shè)計之前，首先要深入了解系統(tǒng)的總體構(gòu)架、明確現(xiàn)場注漿系統(tǒng)的確切要求、需要解決的實際問題以及要實現(xiàn)的功能等等，只有這樣才能夠根據(jù)要求來確定系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。

1 煤炭注漿系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測平臺框架設(shè)計

在本系統(tǒng)方案中，基于ARM的嵌入式多功能數(shù)據(jù)采集裝置為系統(tǒng)的核心，并將采集到的壓力和流量等來自現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理后通過現(xiàn)場總線或者以太網(wǎng)傳輸至工作站進行監(jiān)控和管理，同時還可將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的實時歷史數(shù)據(jù)庫中，并且也可以通過Web服務(wù)器在煤礦的局域網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)信息的發(fā)布。

嵌入式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)可以通過串口、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等通信方式從DCS、DEH、SIS、PLC、RTU等系統(tǒng)讀取現(xiàn)場設(shè)備各個測點的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過Modbus總線傳輸至各個工作站。若利用串口進行數(shù)據(jù)的傳輸，嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)在Modbus網(wǎng)絡(luò)上的通信方式可以設(shè)置為兩種傳輸模式： ASCII模式或RTU模式；若利用TCP/IP以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)的通信采用Modbus/TCP協(xié)議[1]。

2 煤炭注漿系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計

煤層注漿考慮到了科學(xué)化、實效性強的特點，采集難度較高，開發(fā)高效的嵌入式硬件系統(tǒng)平臺是確保采集的數(shù)據(jù)準確和可靠的前提。本文設(shè)計的硬件總體設(shè)計框圖如圖1所示。

系統(tǒng)設(shè)計的是基于ARM的多功能數(shù)據(jù)采集裝置，采用32位嵌入式ARM內(nèi)核的Cortex-M3系列微處理器作為硬件平臺的核心，從嵌入式技術(shù)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用出發(fā)，考慮到嵌入式微處理器既要保證數(shù)據(jù)采集的準確性、穩(wěn)定性和快速性，又要完成串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信等功能，所以在選擇嵌入式微處理器的時候，就要求該嵌入式微處理器運行速度足夠快，同時又要能夠移植μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)和嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，且還需要一定容量的ROM和RAM[2]。

3 煤炭注漿系統(tǒng)外圍電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路不僅包括由基本的程序啟動模式設(shè)置電路、時鐘配置電路、復(fù)位電路、JTAG電路等組成的最小系統(tǒng)電路，還包括由電平轉(zhuǎn)換電路、信號處理和轉(zhuǎn)換電路、串行通信接口電路、以太網(wǎng)通信接口電路、數(shù)據(jù)采集單元地址設(shè)定電路和控制輸出電路等組成的外圍電路，系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用模塊化設(shè)計的原則[3]。

3.1 信號處理和轉(zhuǎn)換電路

信號處理和轉(zhuǎn)換電路主要由前端信號處理電路、通道切換電路和數(shù)據(jù)采集電路組成。信號預(yù)處理電路完成的是將-5～+5V的直流電壓經(jīng)過增益調(diào)整、電平變換等處理轉(zhuǎn)化為A/D轉(zhuǎn)換所允許的電壓范圍以及將熱電偶（TC）、熱電阻（RTD）輸出的毫伏級電壓信號或者電阻信號經(jīng)過一些處理，如經(jīng)過低通濾波、增益調(diào)整等處理后轉(zhuǎn)化為較大的電壓信號；通道切換電路完成的是將經(jīng)過信號處理電路轉(zhuǎn)化后的電壓信號經(jīng)過多路選擇開關(guān)CD4051完成對不同通道的選擇；數(shù)據(jù)采集電路完成的是將選中通道輸出的電壓經(jīng)過電壓跟隨器后送入A/D轉(zhuǎn)換電路進行數(shù)據(jù)的采集。

3.2 控制輸出電路

在自動化系統(tǒng)中，經(jīng)常需要對現(xiàn)場設(shè)備的物理量進行自動控制，如當溫度越限或者壓力過高時需通過控制閥門或者其他執(zhí)行機構(gòu)動作保持溫度和壓力在正常的范圍內(nèi)，為此本系統(tǒng)設(shè)計了2路0～5V電壓模擬量輸出電路、2路4～20mA電流模擬量輸出電路，4路開關(guān)量輸出電路和4路繼電器輸出電路。

3.3 通信電路

為了盡可能地滿足工業(yè)現(xiàn)場的需求，同時為了方便今后系統(tǒng)通信協(xié)議的擴展，本文設(shè)計了2個RS232串行通信接口、1個RS485串行通信接口和1個以太網(wǎng)通信接口。STM32F107微處理器內(nèi)部含有5個工業(yè)標準UART，為了防止因其中一個RS232串行接口異常而導(dǎo)致系統(tǒng)不能進行RS232串行通信，系統(tǒng)設(shè)計了2個RS232串行通信接口用作冗余，且設(shè)計時使用UART1和UART2。

4 結(jié)論

本章主要針對煤炭注漿系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了總體硬件設(shè)計，首先對嵌入式微處理器進行了必要性的選擇，接著對其外圍電路進行了簡單的設(shè)計，其中包括信號處理和轉(zhuǎn)換電路、控制輸出電路、通信電路等，全文給出了硬件總體設(shè)計的思路，為煤炭注漿數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)提供了參考。

參考文獻：

[1]王琳，商周，王學(xué)偉.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用[J].電測與儀表，2004，41（08）：4-8.

[2]彭道剛，張浩，李輝等.基于Modbus協(xié)議的ARM嵌入式檢測平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].電力自動化設(shè)備，2009，29（01）：115-123.

[3]孫文.多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]：[碩士學(xué)位論文]. 長沙：湖南大學(xué)，2013.

作者簡介： 王亞楠（1991-），男，河南平頂山人，碩士學(xué)位，學(xué)院在職老師，研究方向：高壓電絕緣。