基于TMS320F28335的煤礦綜采監測裝置設計

張文慶，張一澍

（蘭州交通大學 新能源與動力工程學院，蘭州 730070）

我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國［1］.在煤礦井下作業中，礦井內的瓦斯濃度、粉塵濃度、風速、溫度、濕度、礦車載重以及巷道狀況均需要監測，因此，結合安全監控技術、傳感器技術、綜合信息傳輸技術以及計算機應用技術［2-3］，研究一種自動化的井下安全監測裝置很有必要.

我國的煤礦監測監控起步于20世紀80年代［4］，KJ83X（A）是我國煤科院研制出的新一代數字式監控系統，文獻［5］在該系統原有的功能上，自主開發了防水封巷道智能預警裝置、自主噴霧遠程控制系統及礦用封門遠程控制系統，有力提高了監控系統的性能；文獻［6］以田陳煤礦安全監測系統的升級改造為例，對原用的KJ90NB的技術規范、升級標準做了統一處理，使得田陳煤礦實現了數字化信息傳輸；文獻［7］研究了物聯網技術在數字化煤礦安全生產中的應用，并對物聯網技術融入煤礦監控加以肯定，促進了綜合監測系統的建設.煤礦井下安全生產監控系統監控點數量多，測量數據大［8-10］，文獻［11］采用ZigBee構建了井下安全監測系統，在一定程度上提高了監測系統的工作效率；文獻［12］基于WebSocket技術針對海量無線監測數據處理難的問題，提出了一種同相正交信號-功率譜密度轉換算法和功率譜密度信號瀑布圖可視化方法，提高了無線頻譜數據實時監測系統的執行效率.但與無線傳輸相比，CAN總線的可靠性高，在國外煤礦有線傳輸中使用較多［13］，文獻［14］考慮煤礦生產需要的機電設備、運輸設備、供電設備等都是電磁輻射源，對井下移動終端設備的通訊產生的不良影響進行了研究.

本文采用TMS320F28335型數字處理器協調檢測模塊、監控模塊、通訊模塊以及上位機模塊完成井下安全指標的統一監測，并采用Code Composer Studio平臺完成監測模塊、主控模塊、通訊模塊的編程；利用TMS320F28335實驗板驗證該裝置的可行性.

1 系統設計

1.1 控制系統設計

煤礦綜采監測裝置結構分為上位機部分和下位機部分.上位機部分包括監控PC端和通訊，下位機部分包括傳感器、視頻監控、控制器和電源.上、下位機需要緊密有序配合，才能實現對煤礦開采區的實時監測和險情預警，結構框圖如圖1所示.

圖1 煤礦綜采監測裝置結構框圖Fig.1 Structure block diagram of coal mine fully mechanized mining monitoring device

煤礦綜采監測裝置需要對井下的瓦斯濃度、粉塵濃度、風速、溫濕度、礦車載重進行檢測，檢測信息由主控模塊處理后通過RS485總線發送給地面的上位機.當檢測數據高于設定上限時，控制器迅速形成報警信號，使上位機進行聲光報警.監控模塊用于監測巷道狀況，攝像頭拍取的巷道圖片信息經圖像采集卡處理后，由主控模塊定時發送給上位機顯示.

1.2 系統封裝與防爆設計

煤礦井下空間狹窄，濕度較大，同時有易燃易爆的瓦斯和粉塵，因此，煤礦電器的體積較小，易于搬運、防爆、防潮、防水.該煤礦綜采監測裝置的封裝設計分為I，II兩部分.封裝I將控制器模塊、電源模塊、通訊模塊和圖像采集卡封裝在一起，并預留通訊接口和稱重傳感器接口；封裝II把風速傳感器、瓦斯濃度傳感器、溫濕度傳感器、粉塵濃度傳感器安裝于I的殼體表面，其中攝像頭安裝在I的最上方，并可以上下左右自由轉動.封裝I的外殼為礦用防爆外殼，它的隔爆接合面間隙破壞了可燃性混合物燃燒和爆炸的反應帶.另外，火焰在間隙傳播中又失去了熱量，經過隔爆接合面間隙傳播之后變小變弱，不能點燃隔爆外殼外部的爆炸性氣體混合物［15］.本裝置的防爆外殼基于該原理進行設計，形狀為圓筒型；圓筒型外殼壁較薄，若內部產生較高壓強，則只需承受拉力作用，而且各個方向受到的壓力都是均勻的.防爆外殼結構如圖2所示，系統封裝布局如圖3所示.

圖2 防爆外殼結構Fig.2 Explosion-proof housing structure

圖3 系統封裝布局Fig.3 System package layout

2 硬件設計及引腳配置

檢測模塊工作時需要與外部環境接觸，然而作為煤礦井下應用設備，在標準規定的條件下，產生的任何火花或熱效應不應點燃規定的爆炸物.本質安全型電氣設備的全部電路均為本質安全電路，它將設備內部和暴露于潛在爆炸性環境的連接導線可能產生的電火花或熱效應能量限制在不能產生點燃的水平［16］，因此，該設計檢測模塊的器件須是本安型或專業礦用防爆型.

下位機的控制核心為TMS320F28335數字處理器，其自帶12位AD轉換，處理能力強，速度快，能夠滿足系統井下工作時的各種理想要求.傳感器的選取首先要符合系統指標，同時要保證性能穩定、經濟優越.MC112為本安型瓦斯濃度傳感器，供電電壓為3 V直流電壓，輸出的模擬信號接控制器ADCA0引腳，符合系統指標要求，實物如圖4（a）所示；SL-01A為本安型激光粉塵濃度傳感器，供電電壓為5 V直流電壓，輸出的數字信號接控制器GPIO4引腳，符合系統指標要求，實物如圖4（b）所示；OUS-16X為本安型礦用風速傳感器，供電電壓為12 V直流電壓，輸出的模擬信號接控制器ADCA1引腳，符合系統指標要求，實物如圖4（c）所示；GWSD50/100為本安型溫濕度傳感器，供電電壓為24 V直流電壓，輸出的數字信號依次接控制器GPIO2引腳與GPIO3引腳，符合系統指標要求，實物如圖4（d）所示；巷道中的載煤礦車需要做稱重檢測，該稱重系統選用GZY20礦用隔爆型液壓壓力傳感器，供電電壓為24 V直流電壓，輸出的模擬信號接控制器ADCA2引腳，符合系統指標要求，實物如圖4（e）所示；KBA127為礦用防爆監控器，供電電壓為120 V交流電壓，輸出的數字信號接控制器GPIO5引腳，該礦用防爆監控器可應用于大巷、皮帶巷、綜采面等各種場地，實物如圖4（f）所示.

圖4 監測器件實物圖Fig.4 Physical diagram of the monitoring device

煤礦井下安全等級高，地上地下距離長、障礙物多，無線通信可能出現信號弱、信息延遲，以及存在某些潛在的安全隱患，因此，上位機與下位機之間采用RS485總線進行通信.通信協議是系統信息交互、信息識別中不可缺少的一環.根據煤礦綜采監測裝置硬件規范，通信采用Modbus通信協議.比如，系統發送的數據格式為01 01 00 20 00 0A C1 3E，在這一數據包中，第1字節“01”表示從機地址；第2字節“01”為功能碼，代表“讀”；第3，4字節代表數據地址（高位）；第5，6字節代表數據地址（低位）；第7，8字節為校驗碼［17］.

預防巷道載煤礦車超重是煤礦安全的重要保證.圖5為礦車稱重平臺，其中：1為載重鋼板；2為礦車導軌；3為壓力傳感器；4為打磨光滑的鐵柱.

圖5 礦車稱重平臺設計Fig.5 Mine car weighing platform design

TMS320F28335數字處理器與各傳感器之間的硬件設計如圖6所示.圖6（a）為MC112本安型瓦斯濃度傳感器外接硬件電路；圖6（b）為SL-01A激光粉塵濃度傳感器外接硬件電路；圖6（c）為OUS-16X礦用風速傳感器外接硬件電路；圖6（d）為GWSD50/100溫濕度傳感器外接硬件電路；圖6（e）為GZY20壓力傳感器外接硬件電路；圖6（f）為KBA127礦用防爆監控器外接硬件電路.

圖6 傳感器外接電路設計Fig.6 Design of the external circuit of sensor

3 軟件設計

模塊化分類便于系統編程調試，因此，在軟件設計時把檢測模塊分為模擬量檢測模塊和數字量檢測模塊.輸出數字信號的檢測模塊，其測量對象為井下作業區的環境溫度、濕度以及粉塵濃度；輸出模擬信號的檢測模塊，其測量對象為井下作業區的環境風速、瓦斯濃度和礦車載重：這些參數反映的是井下作業區域的環境質量，是確保礦工工作環境安全的重要指標.除了上述檢測模塊外，該煤礦綜采監測裝置還使用監控設備對井下巷道狀況進行不間斷監測，監控模塊生成的圖像信息用于判斷巷道是否變形、坍塌，故要求由下位機上傳的圖像要清晰、準確，因此，圖像采集卡中的信息在上傳時，由控制器做延時處理，設置巷道圖像采樣周期為45 s，由此既能保證上傳圖像的準確清晰，又能保證對巷道中的險情及時預警.

3.1 上位機軟件設計

上位機使用的監測軟件是YKSe，它是一款觸摸屏編程軟件，其通訊硬件采用RS485總線，可以與下位機RS485接口直接相連.用戶操作界面如圖7所示.

用戶可手動設定上位機設定值欄的各個指標，當檢測數據超過閾值時，圖7中“是否超限”小燈閃爍.上位機模塊顯示各檢測模塊的實時數據和井下巷道的畫面，并在數據發生異常時能夠及時報警.上位機模塊的軟件流程如圖8所示，軟件工作過程如下：

圖7 用戶操作界面Fig.7 User operation interface

圖8 上位機軟件流程Fig.8 Upper computer software flow

1）初始化階段：上位機模塊上電后進行初始化配置，配置過程是將屏幕進行清屏處理；初始化設置完成后，該上位機模塊將發出更改閾值信息指令.

2）數據接收階段：在閾值更改完成以后，上位機模塊將不斷檢測通訊模塊是否有下位機的數據傳輸請求指令；如果獲得這類指令，則上位機模塊按照先后次序接收下位機數據.

3）數據輸出階段：上位機對下位機數據進行解碼操作，顯示檢測模塊數值及監控畫面.

4）報警階段：當井下數據發生異常時，上位機會接收下位機的報警信息，進而產生聲光報警.

3.2 下位機軟件設計

TMS320F28335對各檢測模塊與監控模塊的信息做相應處理，并經通訊模塊發送至上位機，以供地上工作人員觀察，這個過程可以分為以下4個步驟：

1）初始化階段：系統上電后進行一系列初始配置，配置過程是將各引腳配置為工作模式；初始化配置完成后，下位機等待上位機更改閾值信息.

2）數據采集階段：上位機信息更改完成后，主控模塊開始執行.監測模塊分為模擬量檢測模塊、數字量檢測模塊和監控模塊，這3個模塊為調用子程序模塊，微控制器依次調用數字量檢測模塊子程序、模擬量檢測模塊子程序和監控模塊子程序.

3）數據處理階段：控制器對模擬量檢測模塊、數字量檢測模塊和監控模塊發送的信息進行處理，并對模擬量檢測模塊和數字量檢測模塊的數據作報警判斷；監控模塊的數據在圖像采集卡中處理完成，由微控制器做延時處理，延時時長為45 s，并最終將所有信息裝載，上傳給上位機.

4）數據上傳階段：主控模塊對處理完畢的數據進行裝載，再調用通訊模塊并請求向上位機發送信息，在得到上位機允許后，向上位機發送數據；發送完成之后，返回監測模塊重新進行采樣，并不斷循環.

可靠性是軟件設計中考慮的重要因素.本設計中，若因外圍檢測器件損壞而造成永久性數據讀取失敗，則上位機中該檢測器件對應的指標值保持為0，監控人員可及時發現故障并更換損壞器件；若其它原因造成數據短暫性讀取失敗，則通過延遲指令防止數據丟失，并使檢測進入正常狀態.該種程序設計一定程度上防止系統出現無效循環，提高子程序的獨立性，使得系統的可靠性更好.具體軟件流程設計如圖9所示.

圖9 下位機軟件流程Fig.9 Lower computer software flow

4 系統功能實驗驗證

由于該裝置的監測指標較多，且各傳感器原理基本一致，所以只需對其中某一監測指標進行功能驗證，即可證明系統的可行性.選擇溫度作為本實驗的監測指標，實驗期望是：上電后，系統驅動溫度傳感器采集環境溫度，并上傳給上位機實時顯示，同時當溫度測量值達到設定閾值時進行報警.實驗選擇ADCA0引腳及GPIO1引腳分別控制溫度采集和LED小燈，其中用LED小燈的閃爍模擬上位機報警.

本實驗采用的硬件平臺是TMS320F28335實驗板，示意圖如圖10所示，標號1為主控芯片，標號2為溫度傳感器接口，標號3為多路LED小燈，標號4為電源接口，標號5為JTAG，即TMS320F28335的程序下載接口.

圖10 硬件平臺Fig.10 Hardware platform

軟件平臺是Code Composer Studio（CCS），該平臺能夠實現配置、建立、調試、跟蹤和分析結果的功能，便于實時觀察嵌入式信號處理，加速開發進程，提高工作效率.連接好實驗板后，打開CCS軟件，將初始化程序代碼、采樣程序代碼和主程序代碼進行裝載.本實驗的溫度采樣周期為1 s，采樣數量為200組，前20組采樣數值見表1.

表1 實驗采樣數值Tab.1 Experimental sampling value

如圖11所示，溫度曲線變化緩慢且保持在20℃附近，符合室溫實際狀況.在上位機處設定溫度閾值為50℃，對連接在TMS320F28335接口的溫度傳感器探頭進行加熱，并觀察CCS軟件的溫度監測曲線，曲線如圖12所示.從圖12可以很清楚地觀察到加熱瞬間監測曲線發生了劇烈變化.圖12中直線對應溫度閾值，故1～2區間為報警區間，此區間內實驗板LED小燈閃爍，模擬上位機報警.實驗中各模塊能夠緊密配合，實現數據檢測、數據處理、數據傳輸和數據顯示等一系列操作.本實驗證實了設計的可行性.

圖11 室溫采集曲線Fig.11 Room temperature acquisition curve

圖12 加熱溫度采集曲線Fig.12 Heating temperature acquisition curve

5 結論

該文以煤礦的安全開采為背景，設計了基于TMS320F28335的煤礦綜采監測裝置，完成了系統的硬件電路設計、軟件編程和上位機界面設計.考慮到煤礦井下特殊環境，對各模塊的封裝做了防爆處理，并選擇本安型或專業礦用防爆器件.通過實驗驗證了系統上電后能夠實現信息采集、信息處理、數據上傳、上位機顯示及超閾值自動報警等功能，證實了設計的可行性.根據煤礦井下實際要求，該裝置在體積上可以靈活安排，對于其它需要監測的環境指標，可以對該設計進行再度開發.基于TMS320F28335的煤礦綜采監測裝置設計符合煤礦安全生產的需要，對及時清除威脅開采安全的危險隱患、降低事故發生率、提高煤礦生產安全有一定幫助.