基于Lon Works電力線收發(fā)器開發(fā)的遠程煤礦瓦斯檢測系統(tǒng)

1、基于lon works電力線收發(fā)器開發(fā)的遠程煤礦瓦斯檢測系統(tǒng)摘要：本文提出了用電力線做數(shù)據(jù)遠傳媒介進行煤礦坑道瓦斯在線檢測及系統(tǒng)構(gòu)成原理，介紹了lon works現(xiàn)場總線的技術(shù)特點，neuron神經(jīng)元芯片基本結(jié)構(gòu)和neuron芯片3種通信方式下引腳功能比較，以及電力線數(shù)據(jù)收發(fā)器plt-22的結(jié)構(gòu)；給出了lon works電力線數(shù)據(jù)傳輸瓦斯檢測系統(tǒng)硬件電路，并說明了信號調(diào)理及軟件實現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：瓦斯在線檢測；lon works現(xiàn)場總線；電力線收發(fā)器；數(shù)據(jù)采集和通信；abstract: this paper shows the system of gas detection on-line th

2、rough the media of power lines , introduces the feature of lon works field bus and neuron nerve chip as well as its three communication ways. through the structure of transmitter-receiver plt-22 , a hardware circuit to gas detection system , the signal regulation and software realization are put her

3、e.key words: gas-detection on-line ；lon works field bus；transmitter-receiver by power lines； data collection and communication1 引言煤礦井下瓦斯檢測一直以來靠人工用便攜儀器隨機檢測，難于管理，安全性低，至使瓦斯爆炸頻頻發(fā)生，能否在礦井內(nèi)創(chuàng)建一個實時檢測網(wǎng)絡(luò)對礦井坑道內(nèi)瓦斯進行在線多點檢測？答案是肯定的，但是用無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，因井下屏蔽及安全問題，不太可能；用計算機網(wǎng)絡(luò)，其投資很大，本文利用由美國埃施朗（echelon）公司開發(fā)的lon works電力線收發(fā)器，借助現(xiàn)有的

4、電力線進行組網(wǎng)，實現(xiàn)電力線遠程數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)通訊，以實現(xiàn)遠程在線檢測礦井坑道瓦斯?jié)舛取? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)由瓦斯檢測傳感器、信號調(diào)理電路、max186a/d轉(zhuǎn)換電路、lonworks電力線數(shù)據(jù)收發(fā)器完成參數(shù)測量并通過電力線進行數(shù)據(jù)遠程通訊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示3 lon works現(xiàn)場總線技術(shù)lon works技術(shù)是一種現(xiàn)場總線技術(shù)，它是用于開發(fā)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個完整的技術(shù)平臺，并具有現(xiàn)場總線技術(shù)的一切特點，如數(shù)字化的信號傳輸、分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、方便的系統(tǒng)互操作性、開放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、多種傳輸媒介和拓樸結(jié)構(gòu)等特點，提供neuron芯片，lontalk協(xié)議、lonmark互操作標準、lon works電力線

5、收發(fā)器、lonbuilder開發(fā)工具、lon works網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系架構(gòu)lns和neuron c編程語言等完整平臺，為設(shè)計和生產(chǎn)現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)提供了保障。lon works現(xiàn)場總線技術(shù)，提供了一個開放性的低層通信網(wǎng)絡(luò)局部操作網(wǎng)絡(luò)（lon），其通信協(xié)議稱為lontalk協(xié)議，遵循osi網(wǎng)絡(luò)參考模型的全部七層協(xié)議，是直接面向?qū)ο蟮膮f(xié)議；lontalk協(xié)議提出了網(wǎng)絡(luò)變量這一概念，通過網(wǎng)絡(luò)變量的定義及節(jié)點安裝時需要進行相互通信的網(wǎng)絡(luò)變量作一次捆綁，就可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通信；lonworks協(xié)議是公開的，被固化在神經(jīng)元芯片內(nèi)1；lonworks現(xiàn)場總線的核心是neuron芯片；neuron芯片是一種超

6、大規(guī)模集成電路；neuron神經(jīng)元芯片的第一代產(chǎn)品為pl3150和pl3120芯片，片上集成了介質(zhì)訪問處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器與應(yīng)用處理器等3個cpu、存儲器、i/o接口等部件；它有效集成了通信、控制、調(diào)度和i/o等功能，該芯片固化了lontalk協(xié)議；控制網(wǎng)絡(luò)的每個遠程裝置均可使用這種芯片，由其提供的i/o接口來實現(xiàn)與傳感器、執(zhí)行器或外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)輸入輸出，實現(xiàn)各種現(xiàn)場所需要的數(shù)據(jù)處理和控制算法，并通過嵌入的lontalk協(xié)議固件和收發(fā)器模塊在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，neuron芯片的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。neuron芯片的cp0cp4是5個通信引腳，可提供單端、差分和特殊應(yīng)用模式等3種網(wǎng)絡(luò)通信方式

7、，3種模式下通信口引腳的功能如表1所示； 表1 3種通信方式下引腳功能的比較引腳驅(qū)動電流/ma單端模式差分模式特殊模式cp01.4數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入（）數(shù)據(jù)輸入cp11.4數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸入（）數(shù)據(jù)輸出cp240發(fā)送端使能數(shù)據(jù)輸出（）位時鐘輸出cp340休眠狀態(tài)輸出數(shù)據(jù)輸出（）休眠輸出或喚醒輸入cp41.4沖突檢測輸入沖突檢測輸入幀時鐘輸出io 0io 10 是11個io引腳，通過編程可配置成34種不同的io對象等，其中的神經(jīng)元接口io對象，方便地支持了能直接與spi、qspi和micrownie器件（如max168串行ad等）相連接的四線串行接口。plt-22是該公司開發(fā)的與pl3150配合實現(xiàn)

8、電力線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男酒?，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。4 遠程數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)通信的硬件接口（1）由電力線收發(fā)器plt-22、neuron芯片pl3150和max186a/d8路a/d轉(zhuǎn)換器芯片組成的遠程數(shù)據(jù)采集應(yīng)用電路遠程數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)通信的基本硬件電路如圖4所示。（2）由于neuron神經(jīng)元芯片的i/o對象是一個全雙工的串行接口，它可在io8腳輸出的時鐘信號作用下，由io9和io10 兩個引腳同步實現(xiàn)將a/d通道地址信息移出和把對應(yīng)通道的變換數(shù)據(jù)移入的功能，而max186這種12 位，多通道，全雙工的串行a/d集成芯片正好與其兼容，它在sclk時鐘信號的作用下，可同步實現(xiàn)將通道地址信息移入芯片和將變換好的

9、數(shù)據(jù)移出芯片的功能。io9用于串行數(shù)據(jù)輸出，io10串行數(shù)據(jù)輸入，neurons神經(jīng)元芯片通過與電力線收發(fā)器plt-22相連完成遠程數(shù)據(jù)通信功能，需要發(fā)送的信號通過耦合電路送到電力線上進行發(fā)送，電力線上的信號也可以通過耦合電路被plt-22電力線收發(fā)器接收，經(jīng)過plt-22處理的信號由neurons神經(jīng)元芯片進行運算處理后，產(chǎn)生的控制信號可送至用戶的應(yīng)用電路以實現(xiàn)其控制功能。同時用io8、io9、io10腳可與pc機進行串行數(shù)據(jù)通信，因此圖4中去掉a/d轉(zhuǎn)換器，用io8、io9、io10與pc機進行232串行數(shù)據(jù)通信，就是系統(tǒng)圖中pc機與電力線之間控制器的結(jié)構(gòu)。5 數(shù)據(jù)采集與通信的軟件實采用n

10、euron c編程語言,用軟件方式控制一次數(shù)據(jù)采集（即a/d變換）的操作步驟：設(shè)置max168控制字tb1；使max168的cs變低；發(fā)送tb1，并接收一個需忽略的字節(jié)rb1；發(fā)送全零字節(jié)，同時接收rb2；發(fā)送全零字節(jié)，同時接收rb3；將max168的cs拉高。上述過程得到的字節(jié)rb2/rb3是a/d變換結(jié)果，利用lonworks技術(shù)提供的開發(fā)平臺從事數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信軟件設(shè)計很容易,這里就不在敘述。6 瓦斯檢測傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計信號調(diào)理電路主要對輸入的多路瓦斯傳感器信號進行取樣、直流偏置和抗混疊濾波處理，具體電路如圖5所示。在直流偏置之前，首先采用精密電阻網(wǎng)絡(luò)r1和r2對傳感器信號進行取

11、樣。為了盡可能提高a/d轉(zhuǎn)換精度，減小電路板的體積，系統(tǒng)使用max168片內(nèi)參考電壓vref作直流偏置。在送到運算放大器op2進行直流偏置之前，采用運算放大器op1進行隔離，以確保adc的vref端子沒有輸入、輸出電流，從而保證adc片內(nèi)精密電壓源電壓恒定和較高的a/d轉(zhuǎn)換精度。最后，經(jīng)r5和c1組成rc網(wǎng)絡(luò)，抗混迭濾波后送到max168進行a/d轉(zhuǎn)換。a/d轉(zhuǎn)換器有8路輸入，每路都增加該調(diào)理電路。7 結(jié)論 lonworks電力線收發(fā)器的出現(xiàn)使得電力線成為一種能夠可靠地傳輸數(shù)據(jù)的通信線，plt-22的傳輸速率為5kbit/s，拓樸結(jié)構(gòu)為自由結(jié)構(gòu)節(jié)點數(shù)為32385，本文介紹的應(yīng)用適用于局域電力網(wǎng)，至于大區(qū)域范圍的應(yīng)用，會碰到變壓器等設(shè)備，可以通過光纖傳輸方式進行信號轉(zhuǎn)傳。neuron神經(jīng)元芯片和max168組成的遠程數(shù)據(jù)采集裝置有效得到了lonworks技術(shù)的支持,這不僅能獨立地承擔現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和處理任務(wù)，而且還能通過收發(fā)器模塊和內(nèi)嵌的lonta