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1、煤矿配电箱在线监测系统设计研究摘要：针对目前煤矿地面配电箱缺少有效监管的现象，设计了一种基于ARM处理器的在线监测系统。结合煤矿实际情况，对系统的总体方案进行了设计，综合考虑开发成本与硬件设施要求，对系统的处理器进行了选型分析，利用电路知识与系统要求设计了ARM处理器的外围电路，串口通信电路与系统软件的主程序流程图。结果表明，系统具有实时性好，开发成本低，运行功耗低的优点。在线监测系统可有效地对配电箱的工作隐患进行报警，实时保障工人的生命安全。关键词：配电箱；在线监测；ARM随着科学技术的发展，煤矿的自动化进程逐步加快，煤矿地面基建设施的建设也越来越多，这对地面供电系统的稳定提出了更高的要求。
2、配电箱作为整个配电系统的最后一级设备，是保障供电系统稳定工作的基础环节，不仅对用电设备的配电进行控制，还要在线路出现故障时提供一定的保护功能1-2。配电箱在地面的数量比拟多，工人与其接触时机多。由于环境因素的影响，设备工作的不确定因素增加，极易导致配电箱发生故障，引起用电设备的损坏，甚至会有人身触电和发生火灾的可能性，但目前大多数煤矿都缺少对地面配电箱的在线监测与有效管理3-4。因而，设计一种主要针对煤矿地面配电箱的在线监测系统，对电气设备与配电箱的工况隐患进行分析和预警，能够有效的保障工作设备的安全运行，保护煤矿的生产效益与工人的生命安全。1总体方案设计监控系统由监控室、处理器、传感器、配电
3、箱与通信网络组成。由于煤矿地面配电箱的数量不是很多，所以在设计监测系统时采用单处理器的构造以节约成本。传感器部分主要包括温度传感器、电压传感器和电流传感器。传感器模块收集配电箱的温度信号与电气设备的电压和电流信号，经过模数转换后，处理器模块判定配电箱的运行状况，决定能否报警，最终处理器将结果通过串口通信的方式传输到监控室中的上位机，直观的显示给工作人员。系统的整体构造如图1所示。2系统的硬件设计2.1硬件的整体设计本系统的硬件主要由处理器模块、传感器模块、存储器模块、开关量输入输出模块和电源模块等。综合考虑系统功能要求和开发成本等因素，决定选择ARM处理器作为本系统核心处理器。ARM处理器相对
4、于其他处理器，其体积比拟小、运行功耗低、性价比高，在同等价位其性能表现优良；ARM芯片具有大量寄存器，其数据在寄存器中完成操作，指令的执行速度快、效率高5-6。系统的硬件构造如图2所示。2.2ARM的选型及外围电路设计经过分析比照，确定采用韩国三星公司生产的芯片S3C2440A作为本系统的核心处理器。S3C2440A芯片是三星公司推出的微型处理器，其基于ARM920T为核心开发，其提供了一种低功耗、高性能的小型处理器的解决方案。S3C2440A芯片采用AMBA总线和哈fo构造，指令集为16/32位，具有16KB的指令高速缓存和数据高速缓存。S3C2440A芯片的片内功能丰富：具有一个LCD控制
5、器，可支持触摸屏操作；具有SDRAM，即同步动态随机存取内存，运行速度快；具有三个UART通道，四个DMA通道；其内部自带时钟电路，节省了外部的扩展空间；具有三个USB接口7-8。2.2.1电源电路设计供电模块不仅为S3C2440A芯片供电，还要向存储器模块、串口通信模块和传感器模块等供电。本文采用AS1117芯片来对实现电压转换，对系统进行供电。该系列芯片固然构造简单，但是电压转换精度高，质量好，而且还自带电流过载的保护功能，因而广泛的应用于各个领域模块的供电单元。系统的电源电路图如图3所示。输入输出端所加电容的作用是滤波和减少高频干扰，保证芯片正常工作，输出电压稳定。当电路图中的LED1指
6、示灯亮时，代表着着供电模块正常工作，输出电压稳定。2.2.2复位电路设计复位电路的功能主要是系统的上电复位和发生故障时用户对系统进行按键复位。本系统设计的复位电路其核心为监控器。IMP公司开发的IMP809系列，其提出了一种基于CMOS技术的监控电路。IMP809芯片能够在电源供电不稳定的时候产生一个复位脉冲，在输入电压一定时，该芯片保证输出端的电压大于0.4V，确保复位电路的信号有效。IMP809S芯片采用3脚封装，构造轻巧，与采用传统构造的复位电路相比，其简化了整个处理器模块的复杂性，节约了扩展空间，对系统的可靠性与稳定性提供了保障。本系统选择的IMP809S芯片为该系列6种型号的一种，其
7、工作温度为-40105，电压门限为2.93V。复位电路如图4所示。2.2.3JTAG电路设计JTAG是一种国际化标准的测试协议，其作用是对芯片及其内部节点进行测试，可以以直接访问寄存器，对处理器的程序进行读写。JTAG电路即边界扫描电路，标准的电路由TMS、TCK、TDI、TDO四条线组成，其分别对运行形式、时钟信号、数据的输入和数据的输出进行测试。通过JTAG接口多个元器件能够串连在一起，JTAG对各个器件分别测试。本系统采用的JTAG为14引脚，其电路图如图5所示。2.3通信电路设计考虑煤矿地面配地箱的位置与开发成本，本系统设计的上位机与处理器ARM之间的连接通过串口通信实现，S3C244
8、0A芯片有多个UART接口可通过TLL与RS232-C实现电平转换。RS232-C是基于初始的RS232通信方式开发的，相比于后者，其有如下优点：采用双向串行通信方式，频带比前者宽，使用的信号形态为DCE-DTE。RS-232-C使用国家标准的16引脚连接器，在系统的整体功能上表现的更优良；RS-232-C传输的最大距离长度为15m，RS232-C在此基础上进行了改进，实际传输距离最高可达百米，并且在传输的信号质量更好，精度更高；RS232-C对传输的条件要求不高，可在20Kbit/s的速率下传输数据。由于RS232-C的逻辑“1代表的是-515V，而处理器芯片的逻辑“1代表23.3V，由于这
9、两者的逻辑电平不同，所以本系统设计的串口通信电路基于SP3232EEN芯片，由其进行两个电平的转换。本系统的串口通信电路图如图6所示，其中T1OUT为RS232-C的驱动器输出，R1IN为RS232-C的接收器输入；R1OUT为TTL的接收器输出，T1IN为TTL的驱动器输入。3软件设计本系统的主程序主要采用循环自检的逻辑，在系统进行上电复位后，系统初始化进程开启，包括对系统的处理器模块、时钟信号、看门狗模块、传感器模块及用户参数设置的初始化。之后对通信接口初始化。在完成系统自检后，执行主程序的扫描循环构造，此阶段主要的工作为，实时处理编号为i的配电箱的传感器模块传输回来的数据，经过模数转换，
10、处理器对其进行分析，与设定的值进行比拟，当高于界线值时，系统启动报警装置，已到达预警作用，工作人员需对其手动复位，系统将重新初始化。当系统分析判定编号为i的配电箱的数据为正常时，系统将继续扫描下一个配电箱，直到扫描结束整个煤矿地面的配电箱N后，重新从编号为0的配电箱开场扫描。系统的主流程图如图7所示。4结束语本文设计了一种针对煤矿地面配电箱的在线监测系统，主要完成了对系统整体方案的设计，硬件部分主要处理器进行了选型，设计了ARM处理器的外围电路与通信的接口电路，软件部分主要设计了系统的主程序流程图。本系统实现了对地面配电箱在线监测的功能，监控室工作人员可实时了解配电箱的工作情况，系统自带报警功能，在发生故障时，可到达预警的作用。同时，系统的应用将大大提高供电系统的稳定性，保障煤矿地面施工的稳定用电，保护公司的财产安全与工人的生命健康。