2019年6月18日

论一种高精度矿用液压支柱无线监测的电路设计方法

   综合工作面是矿井生产的核心场所,液压支架在综合采矿工作面起着重的支护作用。为科学管理矿井煤矿生产安全、减少顶板事故,采煤现场需对综合工作面液压支架的支护状况进行监测。目前有很多矿用液压支柱无线监测方法,文章仅探讨一种相对较高精度硬件电路设计方法。文章所研究的监测系统以液压支架压力作为监测对象,由终端采集节点和路由节点两部分组成。终端采集节点安装在每个液压支架上,用来监测支架压力,路由节点负责将收到的数据通过多跳的方式传给上位机。对节点间的通信及终端节点的监测可靠性和功耗进行了测试,表明本系统具有运行稳定、体积小、成本低、测量精度高等特点。可靠的监测降低了开采面事故发生,提高了人身设备安全,降低功耗提高了系统运行的稳定性和使用寿命。 
  关键词液压支架;监测;电路设计 
  1 液压支架监测系统模型的建立 
  1.1 无线通信技术 
  液压支架工作环境比较复杂,通信频率、巷道的倾斜程度和井下的导体等多种因素都会影响无线通信信号。因此在设计矿井液压支架压力监测系统时必须考虑到井下的特殊环境,考虑数据传输的可靠性。通过对目前市场上常用的无线通信技术比较,本文将ZigBee短距离无线通信技术应用于矿井环境监测中。 
  ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率的双向无线通信技术,有自己的标准协议,可以在很多傳感器间进行通信,具有很强的自适应性,主应用于自动控制领域,同时可以实现系统定位,具有低功耗、近距离、短延迟、低速率、低成本、网络容量大、高安全性、工作频段灵活的特点。 
  1.2 液压支架监测系统组网模型 
  液压支架会随着煤矿开采工作的推进而移动,但移动的距离很短。液压支架的排列呈直线型,针对液压支架的这种物理排布情况,节点的分布也应是带状的。采用星形与网状的混合网,网络中的路由节点与协调器组成网状结构,结构简洁、节点功耗减少,每个星形网络内的通信采用单跳通信,网状结构中的路由节点采用多跳通信。在实际工作环境中,每个液压支架上放置一个采集节点,每隔3个液压支架放置一个路由节点。在矿井实际环境中,液压支架的排列呈直线型,节点的分布是带状的,整体网络组成簇型线状网络拓扑结构。 
  2 电路详细设计方案 
  监测系统的硬件设计方案分为2部分,一是终端采集节点,二是路由节点。终端采集节点包括电源管理模块、传感器、信号调理电路。终端节点采用定时唤醒模式,降低功耗,提高监测系统的使用寿命。终端采集节点与路由节点通过线缆连接。每个路由节点最大可以连接3个传感器节点,即相邻的三个液压支架需采用同一个路由节点。每个路由节点配备一个5V的电池供路由节点与传感器节点使用。路由节点将从终端节点获得的模拟信号经过ADC芯片转换为数字信号,并通过ZigBee射频口传送给井下汇聚节点。路由节点也带有显示功能与按键,可以任何时候被唤醒查看3个终端节点的压力数值。 
  终端采集节点的作用如下将压力传感器转换的微弱模拟信号进行放大并通过线缆传输给路由节点;每个终端采集节点带有一片数据记录芯片,对由于传感器及放大电路带来的误差进行偏差校准。 
  路由节点的作用主如下每个路由节点需有一个5V电池供电路板使用;每个路由节点可以连接3个终端采集节点,对终端采集节点的模拟信号进行处理并通过RF模块传送给井下汇聚节点;路由节点带有简单的显示模块,便于工人就近查看支架压力;路由节点需有相应的按键,以便在屏幕关闭情况下唤醒屏幕;路由节点电路板能对每个功能模块进行电源管理,便于降低整个系统功耗;路由节点单片机必须采用低功耗单片机;路由节点的电压输入需适应较宽的电压范围。 
  终端节点电路板设计能使用目前市场上绝大部分的压力传感器,且内部带有数字校准芯片,可以对每一套终端节点由于分离元器件带来的偏差进行校准。 
  煤矿中的电磁干扰较大,为了调高测量精度,此方案设计必须把压力传感器与信号放大电路就近放置。且此方法可以把由传感器与放大校准电路组成的模块变为一个液压监测的一个标准化变送器。 
  2.1 放大电路部分设计 
  为了能更好的调配放大电路的带宽、放大倍率,放大器没有选择专用的仪表放大器而选择了四个独立的高性能放大器TI公司的OP4376,相对于普通的仪表放大器一般偏置电流在几十pA以上,输入偏置电压在几十微伏级别,OP4376有较低的输入偏置电流典型值0.2pA与输入偏置电压典型值5uV,可以对uV级的信号变动进行采集。且此运放的价格TI官网公布为1.4$,并不贵。经过实测此电路设计的输入采样精度能达到5uV。 
  2.2 电源部分设计 
  电源芯片采用的是MCP1252,为目前市场上用量较大的一款电源芯片,输入电压范围相对较宽,且属于无感式开关电源芯片,可以缩小终端节点的体积。效率相对也比较高。而且带有电源管理控制引脚,可以对终端节点的功耗进行有效管理进而降低整个系统的功耗。
  2.3 校准电路设计 
  本文建议校准芯片采用一线制的数字EEPROM芯片,具体型号不再指导。 
  2.4 路由节点电路设计 
  2.4.1 电源模块设计 
  整个系统输入电源由电池供电,电压比较稳定,考虑到电池在满电与低电压两种情况下压差较大,本文采用了宽范围的输入电源芯片TPS63060(输入电压范围2.5-12V),此电压范围能使用大量的本安电源。且此电源芯片的电流高达2.25A足够整个系统使用,即使是输入的电压降到2.5V级别。 
  本设计还采用了3个mos开关管对系统的不同终端节点的电源进行管理,在电源功率方面采用了信号控制与电源切断双重保护的方式来降低功耗。 
  2.4.2 接口电路 
  接口电路中有3个连接终端节点接插件,包括插头输入检测(插头第6引脚与第5引脚通过在外围插头上短路,进行判断终端节点的接通),对输入信号做了RC滤波与SMBD7000钳位保护处理。 
  在与ZigBee模块通信上采用了串口通信,此处不再做介绍。 
  整个系统的单片机采用TI公司的MSP430低功耗系列。此芯片有8路12位ADC输入引脚。可以利用此引脚直接对终端节点传来的信号进行模数转换。为了现场方便查看设置了两个按键开关(KEY1 KEY2)与6位8段数码管,可以通过软件编写实现现场的液压支柱压力检测、电池电压检测、RF通信连接等功能。 
  整个电路在设计中严格按照矿用本安电路设计,属于本安型电路,若再配本安型电池为系统供电后,本系统就可以变为本安型矿用液压支柱监测系统。此系统电路经过实际测试正常情况下整个系统功耗在mW级别,且经过15个月的测试未发现任何不良现象,完全能够使用到实际现场。 
  参考文献 
  1金纯.ZigBee技术基础及案例分析M.北京国防工业出版社,2007. 
  2赵智民,崔建明.智能式顶板压力监测系统J.自动化与仪器仪表,2009.