煤礦配電箱在線監測系統設計研究范文

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摘要：針對目前煤礦地面配電箱缺少有效監管的現象，設計了一種基于ARM處理器的在線監測系統。結合煤礦實際情況，對系統的總體方案進行了設計，綜合考慮開發成本與硬件設施要求，對系統的處理器進行了選型分析，利用電路知識與系統要求設計了ARM處理器的外圍電路，串口通信電路與系統軟件的主程序流程圖。結果表明，系統具有實時性好，開發成本低，運行功耗低的優點。在線監測系統可有效地對配電箱的工作隱患進行報警，實時保障工人的生命安全。

關鍵詞：配電箱；在線監測；ARM

引言

隨著科學技術的發展，煤礦的自動化進程逐漸加快，煤礦地面基建設施的建設也越來越多，這對地面供電系統的穩定提出了更高的要求。配電箱作為整個配電系統的最后一級設備，是保障供電系統穩定工作的基礎環節，不僅對用電設備的配電進行控制，還要在線路出現故障時提供一定的保護功能[1-2]。配電箱在地面的數量比較多，工人與其接觸機會多。由于環境因素的影響，設備工作的不確定因素增多，極易導致配電箱發生故障，引起用電設備的損壞，甚至會有人身觸電和發生火災的可能性，但目前大多數煤礦都缺少對地面配電箱的在線監測與有效管理[3-4]。因此，設計一種主要針對煤礦地面配電箱的在線監測系統，對電氣設備與配電箱的工況隱患進行分析和預警，可以有效的保障工作設備的安全運行，保護煤礦的生產效益與工人的生命安全。

1總體方案設計

監控系統由監控室、處理器、傳感器、配電箱與通信網絡組成。由于煤礦地面配電箱的數量不是很多，所以在設計監測系統時采用單處理器的結構以節約成本。傳感器部分主要包括溫度傳感器、電壓傳感器和電流傳感器。傳感器模塊收集配電箱的溫度信號與電氣設備的電壓和電流信號，經過模數轉換后，處理器模塊判斷配電箱的運行狀況，決定是否報警，最終處理器將結果通過串口通信的方式傳輸到監控室中的上位機，直觀的顯示給工作人員。系統的整體結構如圖1所示。

2系統的硬件設計

2.1硬件的整體設計

本系統的硬件主要由處理器模塊、傳感器模塊、存儲器模塊、開關量輸入輸出模塊和電源模塊等。綜合考慮系統功能要求和開發成本等因素，決定選擇ARM處理器作為本系統核心處理器。ARM處理器相對于其他處理器，其體積比較小、運行功耗低、性價比高，在同等價位其性能表現優良；ARM芯片具有大量寄存器，其數據在寄存器中完成操作，指令的執行速度快、效率高[5-6]。系統的硬件結構如圖2所示。

2.2ARM的選型及外圍電路設計

經過分析對比，確定采用韓國三星公司生產的芯片S3C2440A作為本系統的核心處理器。S3C2440A芯片是三星公司推出的微型處理器，其基于ARM920T為核心開發，其提供了一種低功耗、高性能的小型處理器的解決方案。S3C2440A芯片采用AMBA總線和哈佛結構，指令集為16/32位，具有16KB的指令高速緩存和數據高速緩存。S3C2440A芯片的片內功能豐富：具有一個LCD控制器，可支持觸摸屏操作；具有SDRAM，即同步動態隨機存取內存，運行速度快；具有三個UART通道，四個DMA通道；其內部自帶時鐘電路，節省了外部的擴展空間；具有三個USB接口[7-8]。

2.2.1電源電路設計供電模塊不僅為S3C2440A芯片供電，還要向存儲器模塊、串口通信模塊和傳感器模塊等供電。本文采用AS1117芯片來對實現電壓轉換，對系統進行供電。該系列芯片雖然結構簡單，但是電壓轉換精度高，質量好，而且還自帶電流過載的保護功能，因此廣泛的應用于各個領域模塊的供電單元。系統的電源電路圖如圖3所示。輸入輸出端所加電容的作用是濾波和減少高頻干擾，保證芯片正常工作，輸出電壓穩定。當電路圖中的LED1指示燈亮時，代表著著供電模塊正常工作，輸出電壓穩定。

2.2.2復位電路設計復位電路的功能主要是系統的上電復位和發生故障時用戶對系統進行按鍵復位。本系統設計的復位電路其核心為監控器。IMP公司開發的IMP809系列，其提出了一種基于CMOS技術的監控電路。IMP809芯片能夠在電源供電不穩定的時候產生一個復位脈沖，在輸入電壓一定時，該芯片保證輸出端的電壓大于0.4V，確保復位電路的信號有效。IMP809S芯片采用3腳封裝，結構輕巧，與采用傳統結構的復位電路相比，其簡化了整個處理器模塊的復雜性，節約了擴展空間，對系統的可靠性與穩定性提供了保障。本系統選擇的IMP809S芯片為該系列6種型號的一種，其工作溫度為-40～105℃，電壓門限為2.93V。復位電路如圖4所示。

2.2.3JTAG電路設計JTAG是一種國際化標準的測試協議，其作用是對芯片及其內部節點進行測試，也可以直接訪問寄存器，對處理器的程序進行讀寫。JTAG電路即邊界掃描電路，標準的電路由TMS、TCK、TDI、TDO四條線組成，其分別對運行模式、時鐘信號、數據的輸入和數據的輸出進行測試。通過JTAG接口多個元器件可以串連在一起，JTAG對各個器件分別測試。本系統采用的JTAG為14引腳，其電路圖如圖5所示。

2.3通信電路設計

考慮煤礦地面配地箱的位置與開發成本，本系統設計的上位機與處理器ARM之間的連接通過串口通信實現，S3C2440A芯片有多個UART接口可通過TLL與RS232-C實現電平轉換。RS232-C是基于初始的RS232通信方式開發的，相比于后者，其有如下優點：采用雙向串行通信方式，頻帶比前者寬，使用的信號形態為DCE-DTE。RS-232-C使用國家標準的16引腳連接器，在系統的整體功能上表現的更優良；RS-232-C傳輸的最大距離長度為15m，RS232-C在此基礎上進行了改良，實際傳輸距離最高可達百米，并且在傳輸的信號質量更好，精度更高；RS232-C對傳輸的條件要求不高，可在20Kbit/s的速率下傳輸數據。由于RS232-C的邏輯“1”代表的是-5~15V，而處理器芯片的邏輯“1”代表2~3.3V，由于這兩者的邏輯電平不同，所以本系統設計的串口通信電路基于SP3232EEN芯片，由其進行兩個電平的轉換。本系統的串口通信電路圖如圖6所示，其中T1OUT為RS232-C的驅動器輸出，R1IN為RS232-C的接收器輸入；R1OUT為TTL的接收器輸出，T1IN為TTL的驅動器輸入。

3軟件設計

本系統的主程序主要采用循環自檢的邏輯，在系統進行上電復位后，系統初始化進程開啟，包括對系統的處理器模塊、時鐘信號、看門狗模塊、傳感器模塊及用戶參數設置的初始化。之后對通信接口初始化。在完成系統自檢后，執行主程序的掃描循環結構，此階段主要的工作為，實時處理編號為i的配電箱的傳感器模塊傳輸回來的數據，經過模數轉換，處理器對其進行分析，與設定的值進行比較，當高于界限值時，系統啟動報警裝置，已達到預警作用，工作人員需對其手動復位，系統將重新初始化。當系統分析判斷編號為i的配電箱的數據為正常時，系統將繼續掃描下一個配電箱，直到掃描結束整個煤礦地面的配電箱N后，重新從編號為0的配電箱開始掃描。系統的主流程圖如圖7所示。

4結束語

本文設計了一種針對煤礦地面配電箱的在線監測系統，主要完成了對系統整體方案的設計，硬件部分主要處理器進行了選型，設計了ARM處理器的外圍電路與通信的接口電路，軟件部分主要設計了系統的主程序流程圖。本系統實現了對地面配電箱在線監測的功能，監控室工作人員可實時了解配電箱的工作情況，系統自帶報警功能，在發生故障時，可達到預警的作用。同時，系統的應用將大大提高供電系統的穩定性，保障煤礦地面施工的穩定用電，保護公司的財產安全與工人的生命健康。

參考文獻：

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作者：劉云利 單位：山西晉城宏圣建筑工程有限公司