基于ARM的矿井设备监测装置设计

摘要 根据目前煤矿井下供电系统馈电装置多、通信协议繁杂的特点，设计了一种具有RS-485接口的多协议监测装置。文中给出了该装置的总体结构，介绍了装置的软、硬件设计方案。测试证明，装置可对多种协议和波特率的RS-485总线设备进行实时准确监测，有效地提高了数字化矿井的安全监控能力。

RS-485通信技术因其物理连接方便、抗干扰能力强、传输距离远等特点在矿井供电设备中得到广泛应用。目前基于RS-485接口的通信协议没有统一的规定，在不同协议设备之间难以实现信息的正常传输。鉴此，文中采用LPC2148ARM7对特定通信规约的RS-485总线进行分析，进而设计了具有多种通信接口的监测装置，该装置能够准确监测多种设备的实时信息。

1 监测装置总体设计

该信息监测装置主要由ARM微控制器、存储器单元、键盘接口、LCD显示模块、通信模块等部分组成，如图1所示。微控制器采用NXP公司的支持实时仿真的ARM7TDMI-S芯片LPC2148，将基于ARM处理器的嵌入式系统应用于矿井监测装置中，具有集成度高、运行速度快、实时性强等特点。LPC2148内部集成了512 KBFLASH和32 KBRAM，在此外接非易失性铁磁存储器AT24C256，提高了信息安全可靠性。人机交互与液晶显示模块主要实现参数输入和显示界面的人机操作。由于受矿井环境的影响，因此对RS-485总线的硬件设计提出了新的抗干扰措施。

2 装置硬件设计

主控单元是基于一个支持嵌入式跟踪32/16位ARM7TDMI-S CPU的微控制器有高速FLASH存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟下运行。

2.1 人机交互和液晶显示模块

液晶显示模块采用SSD1289，该模块核心为240RGB×320TFT LCD控制器，显示效果好，满足矿井设备显示要求。人机交互模块采用独立按键与触摸屏兼容模式，按键达到本质安全型要求，触摸屏采用ADS7843接口芯片，ADS7843是一款具有同步串行接口的12位模数转换器，在125 kHz吞吐速率和2.7 V电压下功耗为750 μW，在低功耗设备中应用广泛。

2.2 存储单元

本文采用AT24C256铁电存储器作为监测装置的数据缓冲器，应用非易失性存储技术，存储数据断电可保存10年，传输实时性好。铁电存储器有并行接口、SPI(Serial Pheripheral Interface)和I2C(Intel ICInterface)接口3种类型。因I2C总线可扩展性强，电路简洁，故采用该接口的存储器，AT24C256与LPC2148的接口电路如图2所示。

2.3 RS-485总线通信模块

RS-485总线通信模块已在工业中得到广泛应用，为了增强通信的抗干扰能力和稳定性，文中采用了双向TVS，可在正反方向吸收瞬时大脉冲功率，保护通信信号。同时采用高速光耦合器，有效抑制了信号干扰，RS-485通信模块电路如图3所示。

3 监测终端通信规约分析

3.1 通信协议分析

矿井设备大都采用整套设备，或者将部分非成套设备进行改造。对于工业RS-485接口，改造方案多按标准MODBUS协议。文中通过改造监测装置，对不同协议的信息进行监测，有效解决了通信协议不兼容的问题。现对两种协议进行监测，协议一为馈电II通信规约2.0，如图4所示，协议二采用MODBUSRTU，如图5所示。进而监测装置将两种协议转换为标准协议。

上述协议是在实际工程中遇到的两种通信协议，当应用于同一系统中，笔者在嵌入式软件设计中采用协议转换的方式进行处理，有效解决了矿井设备不配套、通信协议不兼容的问题。

3.2 软件设计

装置软件是基于Linux操作系统的嵌入式软件开发，RS-485通信驱动程序如图7所示。

4 调试结果

软件设计完成后，采用RS-485转USB对底层驱动程序进行调试。对于报文格式一，设置参数，调试结果如图8所示。对于报文格式二，设置相应参数，调试结果如图9所示。

5 结束语

本文提出了利用ARM为控制核心监测矿井非成套设备，通过该监测装置可实现多种协议的统一转换。能对矿井馈电设备的故障信息、SOE实时信息进行存储，具有掉电保护功能，并对矿井复杂的电磁环境提出了RS-485的抗干扰设计。实验结果表明，该装置对矿井设备的安全监控具有重要意义。