專(zhuān)利名稱(chēng)：礦用本質(zhì)安全型監(jiān)控分站的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于通信技術(shù)領(lǐng)域智能化數(shù)字采集裝置，具體涉及一種 適用于煤礦井下有瓦斯和煤塵爆炸的危險(xiǎn)場(chǎng)所，用作與地面監(jiān)控中心站通信，或 者單獨(dú)作為智能化綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)控裝置獨(dú)立運(yùn)行的礦用本質(zhì)安全型監(jiān)控分站。
背景技術(shù)：
目前，我國(guó)礦井下安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)種類(lèi)繁多，使用的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)多
是卯年代前期開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)，主流的核心控制芯片基本都是基于51單片機(jī)系 列，外圍通過(guò)大量的擴(kuò)展芯片實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制、數(shù)據(jù)采集和通信接口。對(duì)于 整個(gè)系統(tǒng)的集成化、智能化和硬件電路軟化實(shí)現(xiàn)的難度相當(dāng)大，數(shù)據(jù)采集的精度、 手動(dòng)設(shè)置的靈活度、可接終端的擴(kuò)容性都受到極大的限制。
特別是隨著通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)通信速率、通信的可靠性要求越來(lái)越高，距 離也要求越來(lái)越遠(yuǎn)。 一批新型智能設(shè)備的研制成功并投入使用，也使得監(jiān)控系統(tǒng) 需要配備更多的智能化擴(kuò)展功能。目前的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的智能擴(kuò)展端口多采用RS-232串口標(biāo)準(zhǔn)，RS-232串口標(biāo)準(zhǔn)是一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端 標(biāo)準(zhǔn)。由于RS-232串口標(biāo)準(zhǔn)采取不平衡傳輸方式，即單端通訊，其收發(fā)端的數(shù)據(jù) 信號(hào)都是相對(duì)于地信號(hào)的，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線(xiàn)的分布電容， 其傳輸距離最大約為15m，最高速率為20Kbps，且其只能支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，無(wú)法 滿(mǎn)足通信發(fā)展的要求。
實(shí)用新型內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理周期長(zhǎng)、功耗大，采樣精度小，手動(dòng) 設(shè)置的靈活性低以及智能終端的擴(kuò)容性的不足，本實(shí)用新型提供一種能提高整個(gè) 礦用監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的集成化、智能化和硬件電路軟化的水平，實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采 集和多種通信單一芯片化、手動(dòng)設(shè)置無(wú)線(xiàn)遙控化、終端擴(kuò)容智能化的礦用本質(zhì)安 全監(jiān)控分站。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是 一種礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站，包括CPU模塊電路
3和電源管理模塊，以CPU模塊電路為核心，單向接收傳感器信號(hào)采集電路和紅外 遙控電路的信號(hào)，同時(shí)單向傳輸信號(hào)給數(shù)碼管顯示電路和斷電控制輸出，CPU模 塊電路還分別與鐵電存儲(chǔ)電路、智能擴(kuò)展端口、中心站通信電路、以太網(wǎng)接口電
路實(shí)現(xiàn)雙向信號(hào)傳輸；所述CPU模塊電路由低功耗單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路 和下載和調(diào)試端口組成。
進(jìn)一步的技術(shù)特征，所述CPU模塊電路1的單片機(jī)系統(tǒng)由基于MSP430F149單 片機(jī)電路構(gòu)成，所述紅外遙控電路3包括紅外接收和解碼電路。
所述監(jiān)控分站能夠?qū)崟r(shí)高精度采集多達(dá)16路傳感器信號(hào)，兼容開(kāi)關(guān)量和模擬 量傳感器，傳感器類(lèi)型可以通過(guò)中心機(jī)設(shè)置或者用遙控按鍵手動(dòng)設(shè)置；智能擴(kuò)展 端口8采用RS-485總線(xiàn)方式，直接擴(kuò)展智能終端設(shè)備多達(dá)64個(gè)。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 系統(tǒng)控制芯片使用MSP430F149單片機(jī)，其功耗低、數(shù)據(jù)處理周期短，能 實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的頻率信號(hào)和電流信號(hào)高精度采樣，具有多個(gè)通信串口可以方便的 實(shí)現(xiàn)和中心機(jī)、智能口的通信，較豐富的IO 口資源可以控制更多的外圍設(shè)備，提 高整機(jī)的集成度；
2、 采用RS-485總線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)智能擴(kuò)展端口，極大限度的擴(kuò)展了整個(gè)分站的 終端連接數(shù)量。由于傳輸線(xiàn)通常使用雙絞線(xiàn)，又是差分傳輸，所以有極強(qiáng)的抗共 模干擾的能力，最大的通信距離可以達(dá)到20km(在傳輸速率為1200bps時(shí))，最大 傳輸速率為10Mbps (近距離傳輸時(shí))；
3、 本實(shí)用新型的手動(dòng)設(shè)置一改傳統(tǒng)的鍵盤(pán)輸入，采用了紅外遙控技術(shù)，整個(gè) 分站沒(méi)有直接的按鍵裸露部分，增加了分站在井下瓦斯和煤塵環(huán)境下的安全性、 可靠性和使用壽命。


圖1為本實(shí)用新型礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站的模塊結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站的俯視圖； 圖3為圖2的側(cè)視圖4為礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站CPU模塊電路圖； 圖5為礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站智能擴(kuò)展端口電路圖；圖6為礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站紅外遙控輸入電路圖。
圖1中，1一CPU模塊電路，2—傳感器信號(hào)采集電路，3—紅外遙控電路，4 一數(shù)碼管顯示電路，5—以太網(wǎng)接口電路，6—鐵電存儲(chǔ)電路，7—中心站通信電路， 8—智能擴(kuò)展端口， 9一斷電控制輸出，10—電源管理模塊。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。 本實(shí)用新型的礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站是煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)井下設(shè)備的關(guān) 鍵組成部分，與防爆兼本質(zhì)安全型電源箱配套使用，可以為傳感器提供電源，并 實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，按照設(shè)定參數(shù)執(zhí)行控制操作，不僅能將數(shù)據(jù)傳送給中心站， 而且也可以執(zhí)行中心站下傳的操作命令。本實(shí)用新型的監(jiān)控分站，包括作為核心 芯片的CPU模塊電路l和系統(tǒng)提供電能的電源管理模塊lO，其特征在于CPU模塊 電路1單向接收若干傳感器信號(hào)采集電路2和紅外遙控電路3的信號(hào)，同時(shí)單向傳輸 信號(hào)給數(shù)碼管顯示電路4和斷電控制輸出9， CPU模塊電路1還分別與鐵電存儲(chǔ)電路 6、智能擴(kuò)展端口8、中心站通信電路7、以太網(wǎng)接口電路5和電源管理模塊10實(shí)現(xiàn) 雙向信號(hào)傳輸；所述CPU模塊電路1由低功耗單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路和下載 和調(diào)試端口組成。低功耗單片機(jī)是可編程芯片，能按照其內(nèi)編制的程序進(jìn)行數(shù)據(jù) 接收、分析、處理、發(fā)送輸出等，電源管理模塊10監(jiān)測(cè)本裝置電源狀態(tài)，保障其 正常運(yùn)行。
所述CPU模塊電路1的單片機(jī)系統(tǒng)由基于MSP430F149單片機(jī)電路構(gòu)成，所述 紅外遙控電路3包括紅外接收和解碼電路。監(jiān)控分站能夠?qū)崟r(shí)高精度采集多達(dá)16路 傳感器信號(hào)，兼容開(kāi)關(guān)量和模擬量傳感器，傳感器類(lèi)型可以通過(guò)中心機(jī)設(shè)置或者 用遙控按鍵手動(dòng)設(shè)置；智能擴(kuò)展端口8采用RS-485總線(xiàn)方式，直接擴(kuò)展智能終端設(shè) 備多達(dá)64個(gè)。
本實(shí)用新型的礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站各模塊功能說(shuō)明如下 CPU模塊電路1:用以傳感器信號(hào)采集、紅外遙控輸入、數(shù)碼管顯示、時(shí)鐘 信號(hào)讀取、鐵電存儲(chǔ)、中心站通信、遠(yuǎn)程控制和電源電路監(jiān)測(cè)； 其中CPU模塊電路1中包括
1、低功耗單片機(jī)(MSP430F149): CPU模塊電路核心器件，用以提供軟件運(yùn)行的硬件支撐；
2、 復(fù)位電路進(jìn)行電源監(jiān)控，當(dāng)工作電壓較低時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位；
3、 晶振電路分高速和低速晶振，實(shí)現(xiàn)不同的功能；
4、 下載和調(diào)試端口用以在線(xiàn)調(diào)試和程序下載。
傳感器信號(hào)采集電路2:實(shí)時(shí)釆集多路傳感器信號(hào)，兼容開(kāi)關(guān)量和模擬量傳感
器；
紅外遙控電路3:全功能遙控設(shè)置， 一鍵查詢(xún)分站號(hào)； 數(shù)碼管顯示電路4:利用專(zhuān)用芯片驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示減輕CPU負(fù)擔(dān)； 以太網(wǎng)接口電路5:主控制器通過(guò)串口與以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換模塊，用以太網(wǎng)方式
實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與中心站的通信；
鐵電存儲(chǔ)電路6:用以存儲(chǔ)操作設(shè)置和傳感器采樣數(shù)據(jù)； 中心站通信電路7:實(shí)現(xiàn)分站和中心站之間的半雙工485通信； 智能擴(kuò)展端口 8:實(shí)現(xiàn)智能終端設(shè)備多達(dá)64個(gè)的擴(kuò)展接口； 斷電控制輸出9:實(shí)現(xiàn)2路近程電平斷電信號(hào)和6路遠(yuǎn)程觸點(diǎn)型斷電信號(hào)； 電源管理模塊10:電源采用隔爆兼本質(zhì)安全型電源箱供電，分站只實(shí)行電壓 變換和供電方式監(jiān)控。
CPU模塊電路1使用MSP430F149單片機(jī)，MSP430F149單片機(jī)具有低功耗、 單指令周期、16位數(shù)據(jù)處理功能，內(nèi)置12位AD轉(zhuǎn)換器、多個(gè)通信串口和含有較 豐富的IO口資源。單指令周期在測(cè)量外部頻率信號(hào)時(shí)，相同晶振情況下精度可以 達(dá)到傳統(tǒng)51系列單片機(jī)的12倍，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的頻率信號(hào)高精度采樣；內(nèi)置12 位AD轉(zhuǎn)換器作用是將AD轉(zhuǎn)換和CPU集成化，在AD轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)為1.2V時(shí)，還可 以實(shí)現(xiàn)0.3mV的高分辨率轉(zhuǎn)換；多個(gè)通信串口可以方便的實(shí)現(xiàn)和中心機(jī)、智能口 的通信；較豐富的IO口資源可以控制更多的外圍設(shè)備，提高整機(jī)的集成度。
智能擴(kuò)展端口8采用RS-485總線(xiàn)，RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通 信發(fā)送端將串行口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)A、 B兩路輸出，經(jīng)過(guò)線(xiàn)纜傳 輸之后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)。由于傳輸線(xiàn)通常使用雙絞線(xiàn)，又 是差分傳輸，所以有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，總線(xiàn)收發(fā)器靈敏度很高，可以檢 測(cè)到低至200mV電壓，故傳輸信號(hào)在千米之外都是可以恢復(fù)。RS-485最大的通信 距離可以達(dá)到20km (在傳輸速率為1200bps時(shí))，最大傳輸速率為10Mbps (應(yīng)用于
6近距離通信場(chǎng)所i傳輸速率與傳輸距離成反比，如果需高速率長(zhǎng)距離傳輸，需要
加485中繼器。RS-485采用半雙工工作方式，支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。RS-485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線(xiàn)型結(jié)構(gòu)。即采用一條總線(xiàn)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)，不 支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。RS-485總線(xiàn)一般最大支持32或者64個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果使用特制 的485芯片，可以達(dá)到128個(gè)或者256個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大的可以支持到400個(gè)節(jié)點(diǎn)。正是 由于RS-485具有諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)大量適用，本實(shí)用新型采用RS-485總線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)智 能擴(kuò)展端口，極大限度的擴(kuò)展了整個(gè)分站的終端連接數(shù)量。
實(shí)際使用時(shí)，完全可以將多個(gè)本實(shí)用新型的礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站獨(dú)立設(shè)置 在地面以下的礦井內(nèi)，將每個(gè)監(jiān)控分站與地面上的監(jiān)控中心連接，通過(guò)電纜等將 相關(guān)數(shù)據(jù)、信息等輸送到監(jiān)控中心，使監(jiān)控中心能夠及時(shí)了解和掌握整個(gè)礦井內(nèi) 的相關(guān)情況，為礦井內(nèi)操作工人提供安全保護(hù)屏障。
本實(shí)用新型的礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站具體工作過(guò)程說(shuō)明如下
1、 通電
通電前，首先應(yīng)打開(kāi)分站箱蓋，對(duì)照檢查連接線(xiàn)是否有松動(dòng)。配套隔爆兼本質(zhì) 安全型電源箱接好電源后，連接分站電源電纜，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)(在接線(xiàn)板上)，此 時(shí)傳感器電源指示燈亮，分站首先顯示分站號(hào)后進(jìn)入循環(huán)顯示狀態(tài)。各通道顯示
值為"nnn"，表示通道未定義。
2、 設(shè)置分站號(hào)
用遙控器設(shè)置分站號(hào)。連接好與數(shù)據(jù)通訊接口之間的主通訊線(xiàn)，在中心站設(shè) 置好掃描分站后應(yīng)能看到該分站通訊正常，分站主通訊燈閃亮。如不能正常通訊
可檢查a.通訊線(xiàn)是否接反；b.中心站定義的掃描分站號(hào)和分站實(shí)際定義的分站號(hào) 是否一致。
3、 連接傳感器
在中心站按通道定義好傳感器類(lèi)型等參數(shù)，完成后在分站上應(yīng)能看到已定義
的通道顯示由原來(lái)的"n n n "變?yōu)?__—"，表示該通道傳感器斷線(xiàn)。
按分站接線(xiàn)口上蓋的接線(xiàn)圖連接好傳感器后，在顯示窗對(duì)應(yīng)的通道顯示值應(yīng)由 "——一"變?yōu)榕c傳感器一致的顯示值，如果數(shù)值不同請(qǐng)檢查中心站量程定義。
4、 斷電控制
礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站輸出的斷電控制輸出分為本地控制和遠(yuǎn)程控制兩種。本地控制通過(guò)分站與電源箱之間的內(nèi)部連線(xiàn)接到電源箱中，遠(yuǎn)程控制由分站的航 空插座控制口輸出。
連接遠(yuǎn)程控制時(shí)，將被控設(shè)備的控制線(xiàn)接到控制口上，根據(jù)控制邏輯設(shè)置分 站控制輸出的初始"常開(kāi)"或"常閉"狀態(tài),以適合被控設(shè)備的邏輯狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)斷 電控制。
5、初始化定義
一般情況下分站的初始化定義在中心站上設(shè)置完成。當(dāng)獨(dú)立使用時(shí)，初始化 定義可通過(guò)紅外遙控手動(dòng)進(jìn)行。初始化設(shè)置完畢后，礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站正常 工作。
權(quán)利要求1、一種礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站，包括CPU模塊電路(1)和電源管理模塊(10)，其特征在于所述CPU模塊電路(1)單向接收若干傳感器信號(hào)采集電路(2)和紅外遙控電路(3)的信號(hào)，CPU模塊電路(1)單向傳輸信號(hào)給數(shù)碼管顯示電路(4)和斷電控制輸出(9)，CPU模塊電路(1)分別與鐵電存儲(chǔ)電路(6)、智能擴(kuò)展端口(8)、中心站通信電路(7)、以太網(wǎng)接口電路(5)實(shí)現(xiàn)雙向信號(hào)傳輸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站，其特征在于所述CPU模 塊電路(1)的單片機(jī)系統(tǒng)由基于MSP430F149單片機(jī)電路構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站，其特征在于所述紅外遙 控電路(3)包括紅外接收和解碼電路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站，其特征在于能夠 實(shí)時(shí)高精度采集多達(dá)16路傳感器信號(hào)，兼容開(kāi)關(guān)量和模擬量傳感器，傳感器類(lèi)型 可以通過(guò)中心機(jī)設(shè)置或者用遙控按鍵手動(dòng)設(shè)置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站，其特征在于所述智能擴(kuò) 展端口 (8)采用RS-485總線(xiàn)方式，直接擴(kuò)展智能終端設(shè)備多達(dá)64個(gè)。
專(zhuān)利摘要一種礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站，以CPU模塊電路為核心，單向接收傳感器信號(hào)采集電路和紅外遙控電路和電源管理模塊監(jiān)測(cè)的電源狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)單向傳輸信號(hào)給數(shù)碼管顯示電路和斷電控制輸出，CPU模塊電路分別與鐵電存儲(chǔ)電路、智能擴(kuò)展端口、中心站通信電路、以太網(wǎng)接口電路實(shí)現(xiàn)雙向信號(hào)傳輸。本實(shí)用新型的礦用本質(zhì)安全監(jiān)控分站系統(tǒng)控制芯片使用MSP430F149單片機(jī)，其功耗低、數(shù)據(jù)處理周期短，能實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的頻率信號(hào)高精度采樣，采用的RS-485總線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)智能擴(kuò)展端口，極大限度的擴(kuò)展了整個(gè)分站的終端連接數(shù)量，同時(shí)采用了紅外遙控技術(shù)，增加了分站在井下瓦斯和煤塵環(huán)境下的安全性、可靠性和使用壽命。
文檔編號(hào)G05B19/04GK201331694SQ200920126168
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月19日
發(fā)明者葉立勝, 柏思忠, 鄧志才 申請(qǐng)人:重慶梅安森科技發(fā)展有限責(zé)任公司