基于ARM的礦井設備監測裝置設計

摘要 根據目前煤礦井下供電系統饋電裝置多、通信協議繁雜的特點，設計了一種具有RS-485接口的多協議監測裝置。文中給出了該裝置的總體結構，介紹了裝置的軟、硬件設計方案。測試證明，裝置可對多種協議和波特率的RS-485總線設備進行實時準確監測，有效地提高了數字化礦井的安全監控能力。

RS-485通信技術因其物理連接方便、抗干擾能力強、傳輸距離遠等特點在礦井供電設備中得到廣泛應用。目前基于RS-485接口的通信協議沒有統一的規定，在不同協議設備之間難以實現信息的正常傳輸。鑒此，文中采用LPC2148ARM7對特定通信規約的RS-485總線進行分析，進而設計了具有多種通信接口的監測裝置，該裝置能夠準確監測多種設備的實時信息。

1 監測裝置總體設計

該信息監測裝置主要由ARM微控制器、存儲器單元、鍵盤接口、LCD顯示模塊、通信模塊等部分組成，如圖1所示。微控制器采用NXP公司的支持實時仿真的ARM7TDMI-S芯片LPC2148，將基于ARM處理器的嵌入式系統應用于礦井監測裝置中，具有集成度高、運行速度快、實時性強等特點。LPC2148內部集成了512 KBFLASH和32 KBRAM，在此外接非易失性鐵磁存儲器AT24C256，提高了信息安全可靠性。人機交互與液晶顯示模塊主要實現參數輸入和顯示界面的人機操作。由于受礦井環境的影響，因此對RS-485總線的硬件設計提出了新的抗干擾措施。

2 裝置硬件設計

主控單元是基于一個支持嵌入式跟蹤32/16位ARM7TDMI-S CPU的微控制器有高速FLASH存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘下運行。

2.1 人機交互和液晶顯示模塊

液晶顯示模塊采用SSD1289，該模塊核心為240RGB×320TFT LCD控制器，顯示效果好，滿足礦井設備顯示要求。人機交互模塊采用獨立按鍵與觸摸屏兼容模式，按鍵達到本質安全型要求，觸摸屏采用ADS7843接口芯片，ADS7843是一款具有同步串行接口的12位模數轉換器，在125 kHz吞吐速率和2.7 V電壓下功耗為750 μW，在低功耗設備中應用廣泛。

2.2 存儲單元

本文采用AT24C256鐵電存儲器作為監測裝置的數據緩沖器，應用非易失性存儲技術，存儲數據斷電可保存10年，傳輸實時性好。鐵電存儲器有并行接口、SPI(Serial Pheripheral Interface)和I2C(Intel ICInterface)接口3種類型。因I2C總線可擴展性強，電路簡潔，故采用該接口的存儲器，AT24C256與LPC2148的接口電路如圖2所示。

2.3 RS-485總線通信模塊

RS-485總線通信模塊已在工業中得到廣泛應用，為了增強通信的抗干擾能力和穩定性，文中采用了雙向TVS，可在正反方向吸收瞬時大脈沖功率，保護通信信號。同時采用高速光耦合器，有效抑制了信號干擾，RS-485通信模塊電路如圖3所示。

3 監測終端通信規約分析

3.1 通信協議分析

礦井設備大都采用整套設備，或者將部分非成套設備進行改造。對于工業RS-485接口，改造方案多按標準MODBUS協議。文中通過改造監測裝置，對不同協議的信息進行監測，有效解決了通信協議不兼容的問題。現對兩種協議進行監測，協議一為饋電II通信規約2.0，如圖4所示，協議二采用MODBUSRTU，如圖5所示。進而監測裝置將兩種協議轉換為標準協議。

上述協議是在實際工程中遇到的兩種通信協議，當應用于同一系統中，筆者在嵌入式軟件設計中采用協議轉換的方式進行處理，有效解決了礦井設備不配套、通信協議不兼容的問題。

3.2 軟件設計

裝置軟件是基于Linux操作系統的嵌入式軟件開發，RS-485通信驅動程序如圖7所示。

4 調試結果

軟件設計完成后，采用RS-485轉USB對底層驅動程序進行調試。對于報文格式一，設置參數，調試結果如圖8所示。對于報文格式二，設置相應參數，調試結果如圖9所示。

5 結束語

本文提出了利用ARM為控制核心監測礦井非成套設備，通過該監測裝置可實現多種協議的統一轉換。能對礦井饋電設備的故障信息、SOE實時信息進行存儲，具有掉電保護功能，并對礦井復雜的電磁環境提出了RS-485的抗干擾設計。實驗結果表明，該裝置對礦井設備的安全監控具有重要意義。