基于多总线结构的低功耗全数字光口分站关键技术_孙晓东.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 基于多总线结构的低功耗全数字光口分站 关键技术 孙晓东 1,2,3 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122； 3.沈阳煤炭科学研究所有限公司， 辽宁 沈阳 110011） 摘要 针对国家煤矿安监局关于印发的 煤矿安全监控系统升级改造验收规范 的通知以及 AQ 62012019 中对数字化、 抗电磁干扰、 巡检周期、 异地控制等技术指标要求， 设计了基于多 总线结构的低功耗全数字光口分站， 分站具有 RS485、 CAN、 光口等多种总线结构， 重点论述了分 站降功耗人机交互关键技术,通过对传统人机交互显示功能进行自主设计， 降功耗明显。通过系 统送检各项试验测试，分站各项指标均高于标准要求，系统电快速脉冲群抗扰度试验达到了 3 级 A， 浪涌 4 级 B， 具有电磁兼容等级高、 稳定低功耗等特点。 关键词 监控系统； 低功耗全数字分站； 多总线； 电磁兼容； 人机交互 中图分类号 TD76文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0150-04 Low Power Consumption Full Digital Optical Substation Based on Multi-bus Architecture SUN Xiaodong1,2,3 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China;3.Shenyang Coal Research Institute, Shenyang 110011, China） Abstract In view of the notice issued by the State Administration of Coal Mine Safety Supervision on the acceptance specifications for the Upgrading and Transation of Coal Mine Safety Supervision and Control Systems, as well as the requirements of AQ 6201-2019 on technical inds such as digitalization, anti-electromagnetic interference, inspection cycle, remote control, etc., a low-power all digital optical interface substation based on multi-bus architecture is designed. The substation has RS485, CAN, optical interface and other bus structures, and the key technology of man-computer interaction for reducing power consumption in substation are discussed, through the independent design of the traditional human -computer interaction display function, the power consumption is reduced obviously. Through various tests ted by the system for inspection, all inds of the sub-station are higher than the standard requirements, and the electrical fast pulse group immunity test of system has reached level 3 A, and the surge level 4 B, with high electromagnetic compatibility level, stable and low power consumption and other characteristics. Key words safety monitoring system; low power consumption full digital substation; multi-bus; electromagnetic compatibility; man-computer interaction 目前煤矿安全监控系统在通讯方面多采用 RS485 通讯方式或 CAN 通讯方式， RS485 通讯方式 居多[1]。结合 2 种总线的优势， 设计一款基于多总线 结构的全数字光口分站。为缓解 CPU 工作压力， 采 用双 CPU 分别对下进行数据巡检， 对异控及对上进 行 CAN 或光口进行数据传输[2]， 为了规避井下光纤 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.033 孙晓东. 基于多总线结构的低功耗全数字光口分站关键技术［J］ . 煤矿安全， 2020， 51 （8） 150-153. SUN Xiaodong. Low Power Consumption Full Digital Optical Substation Based on Multi-bus Architecture［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 150-153.移动扫码阅读 基金项目煤科集团沈阳研究院有限公司创新引导资助项目 （SYCX- 20SY- 001） 150 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 1分站总线结构框图 Fig.1Block diagram of substation bus structure 在分站级联时容易断纤，及熔纤繁琐等，增加了 VDSL 延长器替代光纤， 合理分配总线方案， 为 CPU 减负增加系统健壮性。 目前市场上分站浪涌脉冲群等级主要受限在分 站功耗上。市场上的监控分站多采用 3.5 寸或 4.3 寸串口组太串口屏， 虽然功能齐全、 开发简单， 但采 用 Cortex-M3FPGA 架构居多[3]， 其功耗均在 4 W 以上，导致分站在启动瞬间浪涌冲击大电源瞬间保 护，加入网光口功能后，在电磁兼容实验中导致分 站重启无法达到更高电磁兼容等级。通过自主开发 单片机液晶屏实现了功耗仅 0.3 W 的人机交互功 能， 将人机交互功耗降低了 13 倍。利于系统达到了 较高电磁兼容等级。 1分站总线结构方案 分站总线结构框图如图 1，对传感器采集采用 RS485 方式， 异控采用 CAN、 VDSL 嵌入式以太网延 长器或光纤，分站接环网交换机采用光纤实现 AQ6201-2019 和 AQ6201-2016 对煤矿安全监控系 统分层架构及通讯性能要求[8]。且各个部分分模块 化设计，便于现场插拔式维修替换及新品快速开发 和生产。 目前在煤矿井下 CAN 总线和 RS485 总线是安 全监控系统分站与传感器之间通讯的主流总线， 总 线布局的合理性决定系统架构的稳定性。2 种总线 在低速和高速传输距离上相差不大；在总线利用率 上 RS485 为主从结构， 而 CAN-BUS 为多主从结构， 多个节点发送时，以发送的 ID 号自动进行仲裁， 这 样可以实现总线数据不错乱， 1 个节点发完， 另 1 个 节点监测到空闲立刻发送，总线利用率高，实时性 高； 在错误帧监测机制上， RS485 只规定了物理层而 没有数据链路层， 对错误无法识别， 易造成 1 个节点 损坏， 总线网络瘫痪， 而 CAN 控制器具有错误帧检 测， 适时关闭总线； 综上， CAN 总线在诸多方面都优 于 RS485 总线。 但在煤矿井下作业中， 工业现场安装方面， 由于 整体线缆非常多，井下多使用本安接线盒进行接线 方便维护， 因此分支不可避免， 多采用 T 型分支式 连接。现场施工 1 条 CAN 总线在 5 K 波特率时， 由 于分支在累计长度超过 40 m 后可能存在不稳定运 行情况， 而限制矿工在安装时的便利性， RS485 不存 在以上要求； CAN 总线布线时必须采用双绞线， 且 需采用特征阻抗约 120 Ω 的双绞线， 在通信距离较 长或电磁环境恶劣的情况下最好用屏蔽双绞线， 这 样可以有效抑制电磁干扰， 保证可靠通信， RS485 总 线在抗干扰方面采用主从方式，误码率相对低， 对 线缆要求较小；由于现场分支存在长度不一，累积 计长度会造成总线上阻抗不连续，继而产生信号反 射的现象，为保证通信可靠性，其实赫末端节点都 需要加终端电阻，且必须两端都接且阻值大小会影 响电快速瞬变脉冲群抗扰度试验通过等级， 而 RS485 在施工上为提高性能在方面程度上要优于 CAN 总线， 且容无需两端都加终端电阻， 容易匹配 且容易过高等级电磁兼容。 由于 AQ 62012019 煤矿安全监控系统通用 技术要求 5.11.2 提到“系统应能通过 GB/T 17626.4 规定的严酷等级为 2 级的电快速瞬变脉冲群抗扰度 试验， 评价等级 A[4]。” 即分站与分站通讯 CAN 或 485 或以太网连接时不允许系统各单机设备出现死 机、 复位、 掉电现象； 数据通信不能异常； 就地、 远 程、 异地控制功能不能异常； 不能出现误动作、 误报 警、 异常大数、 显示乱码现象， 符合 A 级判定[5]。 因此 151 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 2低功耗液晶电路原理图 Fig.2Low power liquid crystal circuit 当分站与分站通过以太网连接时会出现网口在脉冲 群实验时很难过等级 A，通过在网络变压器增加抗 电磁兼容器件，经示波器观察信号易出现畸形， 影 响通讯稳定性。因此采用 VDSL 替代方案[6]， 通过增 加 TVS 和防雷设计较容易通过高 A 等级实验， 且非 屏蔽双绞线可实现 3 km 稳定距离[7]， 解决了以太网 超过 100 m 不稳定及光纤熔纤繁琐易断等问题。 2分站降功耗人机交互关键技术 屏幕功耗直接影响分站整机功耗及上电浪涌对 电源冲击，为此设计了低功耗液晶电路, 低功耗液 晶电路原理图如图 2。 市场上选 3 款串口组太屏分别与煤科集团沈阳 研究院有限公司生产的 KDY1140/19B 矿用隔爆兼 本安型直流电源相连，在电路未处理时上电瞬间直 接将电源输出拉低至屏幕最低启动电压以下，导致 屏反复起动，虽然加电路可以处理冲击，但其运行 时功耗较大，在做电快速脉冲群实验室及浪涌实验 室导致分站重启异常。为此选用 3.5 寸 320*480 分 辨率的点阵彩色 TFT 液晶屏进行设计， 经测试其点 亮时最大功耗仅为 3.3 V， 45 mA，通过对其进行串 口化设计， 虽编程复杂， 但功耗下降明显[9]。 图 2 中 T5电路采用 DS1302 时钟芯片，将时间 日期设计在屏幕上， 可以节省主控单片机工作量， 增 加了系统的健壮性； T5为红外遥控电路，用来遥控 进行菜单操作和解锁控制、 配置等信息； 图 2 中 T3 为字库芯片， 用于实现对汉子、 字母、 字符等进行提 取， 屏幕显示， 采用字库芯片避免了字模生成， 方便 汉字提取； T4为数据存储电路， 采用铁电存储器， 其 零延时存储， 提升了系统稳定性， 能够解决矿用产品 152 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 外部存储延时不够经常存储丢失的问题，图中采用 IIC 接口与主控单片机 U1进行数据交互；图 2 中 T7 为供电管理单元；核心控制单元采用超微功耗单片 机并结合 T4存储器， 进行 UI 设计。 3型式试验 1） 信号总线电快速瞬变脉冲群抗扰度试验。分 别对分站间的 CAN 通信互连线、 分站与传感器间的 RS485 通信互连线、电源与分站间的 RS485 通信互 连线等信号互连线 （容性耦合钳） 进行测试[10]， 以测 试电压 1 kV （峰值） ； 脉冲前沿 5/50 ns（Tr/Th） ； 重 复频率 100 kHz； 持续时间 正、 负各 1 min 进行测 试。试验中， 系统各单机设备工作正常， 未出现设备 死机、 复位、 掉电现象； 数据通信未见异常； 就地、 远 程、异地控制功能未见异常；未出现误动作、误报 警、 异常大数、 显示乱码现象， 符合 A 级判定。 2 ） 信号浪涌冲击抗扰度试验。分别对分站之 间的 CAN 信号互连线、 矿用本安型监控分站之间的 CAN 信号互连线、 分站与传感器之间的 RS485 信号 互连线等进行测试， 以以试验电压 4 kV （峰值） ； 波 形参数 1.2/50 μs； 浪涌次数 正负各 5 次； 脉冲间隔 时间 20 s 进行测试。试验中， 功能和性能水平出现 下降或失效，但试验结束后系统无需人为干预即可 自行恢复正常功能和性能水平， 符合 B 级判定。 4结语 设计了基于多总线结构的低功耗全数字光口分 站，重点论述了分站降功耗人机交互关键技术。多 总线结构的低功耗全数字光口分站，将开关量、 控 制量全部数字化设计，所有的井下分站至中心站的 传输都是数字化，所有模拟量传感器、开关量传感 器、断电器至分站的传输都是数字化。通过设计替 换市面上安全监控系统分站采用的组态串口，降低 了分站整机功耗， 经测试验证， 降功耗后利于提高电 磁兼容，该分站组件系统通过电磁兼容水平高于标 准要求； 通过 VDSL 嵌入式以太网延长线的应用， 解 决现场光线易断、以太网传输距离受限问题；结合 CAN 总线、 RS485 总线在现场使用优势，合理搭配， 增强了系统的健壮性。 参考文献 ［1］ 吴翠云， 许文俊， 刘汉峰， 等.一种基于物联网的数据 中心智能监控系统 CN105892349A ［P］ .2016-08-24. ［2］ 马龙.CAN 通讯技术在煤矿监控系统中的应用 ［J］ .煤 矿安全， 2019， 50 （12） 106-109. ［3］ 郑相哲， 乔从宽.基于彩色液晶屏的出租车计价器设 计 ［J］ .中国计量， 2019 （7） 97-98. ［4］ AQ 62012019 煤矿安全监控系统通用技术要求 ［S］ . ［5］ 孙继平.煤矿监控新技术与新装备 ［J］ .工矿自动化， 2015， 41 （1） 1-5. ［6］ 王贺伟， 郝明， 赵国欣， 等.基于 VDSL 的两巷远距离 传输系统 CN208836161U ［P］ .2019-05-07. ［7］ 王贺伟， 张金勋， 原鹏辉， 等.基于 VDSL 的两巷远距 离传输系统 CN109194557A ［P］ .2019-01-11. ［8］ 孙继平.煤矿信息化与智能化要求与关键技术 ［J］ .煤 炭科学技术， 2014， 42 （9） 22-25. ［9］ 吴赛燕， 杨辉.基于 MSP430 的低功耗煤矿瓦斯监测 系统设计 ［J］ .煤炭技术， 2019， 38 （3） 138-140. ［10］ 胡德隆， 刘桂秋， 孟德安.电磁兼容整改方法研究与 应用 ［J］ .技术与市场， 2020， 27 （4） 95-96. 作者简介 孙晓东 （1987） ， 辽宁朝阳人， 工程师， 硕 士， 2013 年毕业于辽宁工程技术大学，主要从事救援救护 装备、 灭火装备、 监控系统及新产品开发工作。 （收稿日期 2020-05-18； 责任编辑 李力欣） 153 ChaoXing