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.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）

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-M3+FPGA 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。

图1 分站总线结构框图Fig.1 Block diagram of substation bus structure

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 6201—2019 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。

图2 低功耗液晶电路原理图Fig.2 Low power liquid crystal circuit

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。