基于分布式多总线的矿灯智能充电管理系统设计与测试*

李 敏

(西山煤电(集团)有限责任公司斜沟矿,山西 吕梁 033602)

0 引 言

作为“矿工的眼睛”的矿灯是煤矿安全生产的重要井下作业工具，保证矿灯最低连续正常工作11h，实现矿灯智能化管理，是煤矿管理智能化、信息化的基本需要。矿灯智能充电管理系统是实现矿灯智能化管理的关键环节，能够实现实时监测矿灯状态，科学分配管理矿灯，实现矿工信息管理和考勤功能[1]。国内外有诸多学者对矿灯充电管理系统展开一系列研究，如有学者以STC89C51、BQ2057为主芯片，设计矿灯充电管理系统，以RS485为通信模式，实现充电模块、数据采集模块、中继器模块之间的数据传输，实际应用时发现，该方案数据传输稳定性差，丢包现象严重[2]；有学者以STM32 DSP芯片为核心设计了矿灯充电版和监控主机，实现矿灯充电和充电状态监测功能，以无线通信模式进行数据交互，实际应用时发现，该方案易受外部环境电磁干扰，数据传输实时性差[3]。针对当前矿灯充电管理系统存在的问题，设计一种基于分布式总线的矿灯智能充电管理系统，实现矿灯充电管理的智能化、信息化，实现矿灯智能充电与矿工信息、矿工考勤相结合，优化矿灯充电管理模式，目的是提高矿灯的安全性能，科学智能地管理矿灯和矿工信息，促进煤矿安全生产和信息化建设进程。

1 存在问题及设计重点

矿灯充电管理系统存在的主要问题有：①智能化程度低，利用数据采集卡采集矿灯充电状态的方法复杂，不适合数量较大时的矿灯充电管理；②通信可靠性差，采用单一的通信模式常常导致系统通信中断，数据传输的可靠性差；③可视可监控性能较差，矿灯电池状态、充电状态无法实现全过程监测，人机交互能力较弱[4]。因此，设计重点为采用模块化、分层设计思想，实现可支持较大数量矿灯充电管理；增强模块间、层与层间数据通信的可靠性、稳定性和实时性；实现矿灯充电状态的全过程监控，提升矿灯充电管理的人机交互能力。

2 系统结构设计及原理

矿灯智能充电管理系统设计采样分层结构设计，由下到上分别为充电柜、CAN转以太网设备、服务器、监控软件，其中可管理的充电柜为1-N#，N最大值可取255；每个充电柜内包含一个控制单元、1～100个充电单元(分为四组)，如图1所示。充电柜内的控制单元与充电单元以RS485模式通信；充电柜与CAN转以太网设备以CAN模式通信；CAN转以太网设备与服务器以TCP/IP模式通信；服务器与监控软件以HTTP模式通信。充电柜内控制单元控制器周期性采集1～100路矿灯信息，并经CAN转以太网设备发送至服务器；服务器对矿灯数据进行解析、逻辑判断后存入数据库，同时将正确数据传送至监控软件进行实时展示。通过监控软件可查看、监视矿灯信息，如“正在使用”“正在充电”“充满”“故障”等状态；矿灯使用次数、充电次数以及使用该矿灯的矿工考勤信息等。数据库存储的矿灯充电、矿工考勤等信息支持历史故障信息查询、历史充电信息查询、历史考勤信息查询等。

图1 基于分布式多总线的矿灯智能充电管理系统设计框图

3 硬件设计

3.1 充电单元硬件设计

(1) 总体设计

智能矿灯充电管理系统中充电单元硬件总体设计框图如图2所示。

图2 矿灯智能充电管理系统充电单元硬件总体设计

核心CPU为STM32F103VET6微控制器。电源电路用于将外接的AC220V交流电源转换为DC12V以及DC5V、DC3.3V，每25个充电单元使用一个SE-600-12开关电源[5-6]，一个充电单元布置4个。硬件设计时，采用独立供电、分路管理模式，保证各供电回路不相互影响。为保证矿灯充电过程安全、稳定，设计在位检测、开关门检测以及电压、电流检测电路，当发生过流故障时可发出声光报警。同时为显示、报警需求，设计字库芯片驱动电路、液晶显示电路、语音驱动电路等。

(2) RS485通信电路设计

智能矿灯充电管理系统中充电单元RS485通信电路如图3所示。

图3 RS485通信硬件电路原理

选用SN665HVD3082芯片，该芯片通信速率可达1 Mbps，最小功耗为0.3 mA，最多支持256个通信节点[7-8]。该芯片与STM32F103VET6微控制器的UART4串口相连。SN665HVD3082芯片引脚6、7之间并联的120 Ω电阻是为了抑制通信干扰，减少数据丢包率。

(3) 充电电路设计

设计矿灯充电电路时，需支持锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、镍氢电池充电需求。矿灯充电电路支持恒压、恒流两种充电模式，选用XL400-1恒流、恒压开关电源，采用PWM控制模式。XL400-1开关电源输入电压为4.5～40 V，通过调节0～100%占空比可控制输出不同的电压、电流值，实现智能充电。

3.2 控制单元硬件设计

(1) 总体设计

智能矿灯充电管理系统中控制单元硬件总体设计框图如图4所示，核心CPU为STM32F103VET6微控制器，负责矿灯充电信息、矿工信息、矿工考勤信息的接收以及发送。通过USART2以及USART4两个串口与RS485通信电路连接，实现对1～100路充电单元的控制；通过USART6实现控制单元地址信息配置，通过USART5实现LED显示屏控制。

图4 矿灯智能充电管理系统控制单元硬件总体设计

(2) CAN通信电路设计

智能矿灯充电管理系统中控制单元CAN通信硬件电路如图5所示，选用Philips公司的TJA1050作为CAN总线通信芯片[9-10]，支持CAN2.0 A、CAN2.0 B通信协议，最高传输速率可达1Mbps。CAN总线通信连接建立好并发送或者接收数据时，状态指示灯LED1、LED2会周期性地闪烁为绿色；当通信故障时，指示灯为红色常亮。

图5 CAN总线通信硬件电路

4 软件设计

4.1 软件总体设计

矿灯智能充电管理系统软件总体设计框图如图6所示，包括控制单元、充电单元、监控软件、服务器单元四部分，综合应用CAN总线通信、RS485通信、TCP/IP通信以及HTTP协议完成各部分间的数据交互。根据数据传输要求，分别定义控制单元与CAN转以太网设备间的CAN总线通信协议、控制单元与充电单元间的RS485通信协议。

图6 矿灯智能充电管理系统软件总体设计框图

4.2 充电单元软件设计

充电单元软件系统上电后，首先完成初始化串口、定时器等相关外设，然后执行初始化流程、正常工作流程。初始化流程即获取充电单元的地址码，确认与控制单元内部Flash存储的卡号是否匹配。匹配成功后控制单元发送地址码至充电单元并触发充电单元进入正常工作流程。地址码存入定义的整型数组iAddressCode[i]中，i的取值为1～100，对应1#-100#充电单元，充电单元周期性轮询该数组，匹配成功后置位标志位xSuccess为1，否则置位为0。充电单元成功匹配地址码后进入正常工作流程，即可完成正常充电并接收监控软件信息。监控软件将设计好的矿工信息、矿工考勤发送至该充电柜并完成信息绑定，建立矿工信息、矿工考勤、矿灯充电管理数据连接关系并在液晶显示屏进行显示，同时存入Flash。充电单元还需完成矿灯状态的辨识、警示信息判断与显示以及读取、保存、判断充电柜号、充电位号、矿灯电池类型、矿工姓名、矿工部门等信息。

4.3 控制单元软件设计

控制单元软件系统上电后，分别启动CAN总线数据处理线程、RS485总线数据处理线程，完成与CAN转以太网设备、充电单元间的数据交互。控制单元的程序模块主要有通信初始化程序、CAN总线数据处理程序、RS485总线数据处理程序、RS485总线数据轮询程序、CAN与TCP/IP帧转换程序、看门狗复位程序以及定时器维护程序等。

5 系统测试

5.1 RS485通信测试

搭建1个主机加4个充电单元的RS485总线通信测试方案，供电电源为DC12V，利用总线转接板将主机和充电单元相连并下载程序，设置RS485通信波特率为115 200 bit/s。采用示波器查看RS485总线上传输的数据的准确性，数据起始位为1位低电平+8位数据位+1位高电平停止位。RS485_A与RS485_B间电压差为+(2～6)V时为“1”，为-(2～6)V为“0”。经示波器查看，传送1个字节时需要的时间为87us，波特率为114 913 bit/s，验证了RS485通信的稳定性。

5.2 CAN通信测试

搭建由6个控制单元组成的CAN总线通信网络，设置CAN通信波特率为500 Kbps，供电电源为DC12V。模拟发送100万帧不间断报文，监测是否存在丢包现象，进而验证设计的CAN总线通信的实时性。在1#控制单元发送扩展帧0x99 0x00 0x00 0x00 0x01 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08，帧ID由0x0000 0001递增至0x000F 4240，递增步长为1，共100万帧。通过CAN分析仪查看，模拟CAN转以太网设备的PC端接收帧ID 0x0000 0001的时间与接收帧ID0x000F 4240的时间差为277 s，接收的字节数为1 300万字节，平均发送一帧数据需0.277 ms，满足矿灯充电管理系统需求且未出现丢帧现象。

5.3 TCP/IP通信测试

由监控软件至充电单元，测试TCP/IP数据帧下发与上传的速度与稳定性。通过监控平台将矿灯充电柜号由1#改为2#，并点击“修改”按钮后经服务器、CAN转以太网设备、控制单元，传送至充电单元，时间差约为29 ms，充电单元响应迅速。

5.4 矿灯充电功能测试

将1#锰酸锂电池矿灯挂入01～001号充电位进行充电功能测试，最大充电电流为900 mA，现场测试如图7所示，所属部门为采煤队、柜号为01～001的矿灯状态为“充电”，电压为2.62 V，电流为0.150 A。经过7 h 50 min 15 s，该矿灯状态变为“充满”，即充电完成，电压为4.20 V，电流为0.023 A。

图7 矿灯充电功能测试

为验证基于分布式多总线的矿灯智能充电管理系统的有效性和适用性，在晋煤古书院矿进行工业试验。该矿配置有矿灯充电架60台，满足6 000个矿灯充电需求。在试验期间，矿灯智能充电管理系统运行稳定，矿灯充电、矿工取灯/挂灯等过程实现了智能监测与管理，在保证充电安全的前提下提升了矿灯充电管理工作效率。

6 结 语

以矿灯智能充电管理系统为研究对象，重点研究了矿灯充电管理系统结构设计以及原理、硬件和软件设计方案，基于STM32F103VET6芯片实现矿灯充电管理系统的智能化，以RS485通信、CAN总线通信、TCP/IP通信实现矿灯充电管理系统的数据交互并得出结果：①以RS485通信、CAN总线通信、TCP/IP通信为核心的矿灯智能充电管理系统运行稳定、可靠；②测试结果及工业试验结果表明，该矿灯智能充电管理系统运行稳定、安全、高效，提高了矿灯充电管理效率。