矿山动态轻轨衡数据采集器的设计

郑传行 陈建

摘 要：为满足野外矿山环境下矿山动态轻轨衡高速数据采集目的，本文设计一种动态轻轨衡数据采集器。本设计以ARM 7处理器为核心，处理器的激励电压由220V交流市电经转换后提供。处理器利用自身模数转换功能对模拟称重传感器采集到的模拟信号数字化并预处理后，通过RS485接口与上位机进行通讯，针对处理器供电电源以及信号输入端设计了防雷电路以保护核心器件免受雷击破坏。

关键词：动态轻轨衡 数据采集器 称重传感器 RS485

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（c）-0022-03

Abstract： A data acquisition unit for dynamic weighing bridge is designed for the purpose of high-speed data collection in the wild environment. This unit is designed based on ARM7 processor， whose excitation voltage is provided after conversion of 220V alternating current. The simulate signal collected by simulate weighing sensor is converted to digital form and processed in ARM7 processor. The processor communicates with the next higher level equipment by RS485 interface. In order to protect the core devices from lightning damage， lightning protection circuit is designed at the ports of CPU power supply and signal input.

Key Words： Dynamic weighing bridge； Data acquisition unit； Weight sensor； RS485

礦山动态轻轨衡系统工作原理是：通过在矿井口安装高精度称重传感器，配置前端数据采集器对称重数据进行采集与预处理后，通过数字网络链路将现场测量数据实时传送到控制室的上位机，在上位机中对测量数据进行分析计算后，最终结果输送到各级远程监控中心服务器上，服务器上搭建了综合监控信息管理软件，煤矿各管理部门根据各自分配的权限，查询或打印煤矿产量的实时监控数据，从而实现矿山资源控制与生产监控的科学化。

1 矿山动态轻轨衡数据采集器的设计要求

矿山动态轻轨衡系统的数据采集器安装于矿洞出口，对矿洞出来的矿车在不停车状态下进行快速动态数据采集与预处理。因为设备安装于野外矿山，其工作环境比传统铁路轨道衡和公路汽车衡恶劣很多，所以前端设备数据的采集与处理也困难得多[1]。由于矿洞口通常有一定坡度，为避免矿车在洞口发生倒流危险，所以动态测量过程中矿车不能停车甚至不能减速，这对计量数据的快速采集与预处理提出了很高要求，传统微控制器X86架构单片机已无法胜任。数据采集与传输过程若采用模拟称重传感器“模拟采集+模拟传输”模式，则信号易受干扰而且传输距离短。而采用数字称重传感器的“数字采集+数字传输”模式虽能较好解决这些问题，但数字称重传感器一旦出现故障无法修理只能整体更换，维护成本大大增加。在数据通讯上，传统RS-232模式传送距离短且只能实现单点传输，无法满足野外测量的远距离“多站”[2]传输需求。另外，数据采集器的核心元件微处理器若采用电池供电，会面临电池电量减弱或耗尽而随时更换的问题，后期维护的难度与成本增加。最后，对于野外环境而言设备能否承受雷击电涌的冲击破坏也是设备正常运行的重要前提。

2 数据采集器结构设计

为解决上述问题，本文设计一种动态轻轨衡数据采集器。该采集器选用性能远胜传统单片机的ARM 7微处理器完成数据的快速采集与预处理，ARM 7自带的AD转换功能对模拟传感器采集到的模拟重量信号数字化并预处理后，以RS485通讯接口与上位机进行数字信号通讯。本采集器采用的“模拟采集+数字传输”模式既解决了“模拟采集+模拟传输”模式信号传输干扰大的弊端，又避免了“数字采集+数字传输”模式数字称重传感器故障后必须整体更换昂贵的数字传感器。RS485通讯很好地满足了远距离“多站”传输需求，另外针对野外工作必须面对的雷击问题增加了保护电路。该数据采集器的结构原理见图1，采集器的核心元件是ARM 7芯片，220V交流电源经变压器变压、整流电路整流、稳压电路稳压后，为ARM 7提供激励电压。系统采集与传输模式为“模拟采集+数字传输”，即模拟称重传感器采集到的模拟数据由接线端子接入ARM 7芯片的ADC管脚，经过模数转换和信号预处理后，最后以数字形式由RS485接口与上位机进行通讯，在ARM 7芯片的电源及信号端都设计了有防雷击保护电路。

3 数据采集器的具体实现

数据采集器的详细电路设计如图2所示，对其工作原理详细阐述如下。

本数据采集器的任务首先是对模拟称重传感器采集到的模拟信号进行数字化，然后就是对信号进行预处理[3]，包括信号的32位均值滤波、矿车上下衡判别、行进方向判别等功能。因为系统必须在不停车状态下高速完成数据数字化及预处理过程，所以对数据采集器核心元件微处理器的计算速度要求很高。传统单片机能实现各种逻辑和非逻辑控制，但不具备强大的计算能力，无法满足要求。ARM处理器集高性能、低功耗、低价格等优点于一身，完全能满足本数据采集器的设计需求，本设计在满足需求前提下结合价比因素选择ARM 7系列的S3C44B0X。该芯片内部集成了ARM7TDMI内核，并在内核基本功能基础上集成了丰富的外围功能模块，非常适合低成本嵌入式系统开发。S3C44B0X自带8路10位ADC，最大转换速率100KSPS/10位，经论证完全达到本系统中对模拟信号进行高速实时数字化的要求，将模拟称重传感器的信号输出端直接与S3C44B0X的ADC管脚相连实现信号的模数转换。

S3C44B0X芯片正常工作需要+3.3V直流电压进行供电，如果采用电池对供电的话会面临使用中电池电量减弱或耗尽随时需要更换的问题，将增加维护的难度与成本。本设计中放弃电池供电方案，如图2所示，将220V交流市电经变压器T变压后减小、整流桥整流、稳压电路稳压后，产生+3.3V直流电接到S3C44B0X的驱动电源管脚为其供电。电路中整流桥和稳压芯片分别选用MB10S和ASM1117-33，电容C1、C2为滤波电容。

经ARM 7预处理后的数据要传送到上位机，数据采集器作为前端设备安装在出矿口，而上位机作为控制设备放置于几百米外，而且一个上位机同时对应不同出矿口的多个数据采集器，二者之间属于“多站”连接模式。因为传统RS232属于单线传输（无法实现“多站”连接）而且传输距离短（最大通信距离仅15m），无法满足本系统需求。RS485传输距離远（最大通信距离约1219m）、传输速度快（最高传输速率为10Mbps），而且具有“多站”能力（最多可支持总线上连接400个收发器），所以本设计采用RS485通讯接口与上位机实现通讯。

因为本数据采集器要安装在野外矿山环境，所以电路的防雷击设计是设备正常运行的重要保证，尤其针对核心器件ARM 7芯片的保护至关重要。本设计中在ARM 7芯片的供电电源及输入信号端都设计了防雷击保护电路。防雷击电路由陶瓷气体放电管GDT1、GDT2和瞬态抑制二极管TVS1、TVS2并联组成，分别接到ARM 7芯片的电源和信号输入端，根据不同连接位置选择不同参数元件。陶瓷气体放电管GDT的优点是通流量大、缺点是响应慢；瞬态抑制二极管TVS刚好相反，优点是响应快但通流量小。所以将二者并联使用，在雷击浪涌冲击到来时，TVS管先快速响应并泄掉少部分浪涌能量，并实现电压的钳位保护，剩余的大部分浪涌能量由GDT随后泄放以达到电路的完全保护。虽然单独采用GDT或TVS也可以达到一定的防雷目的，但将二者并联使用能实现两种器件抗雷击性能的互补，更好地保护线路中的器件免受雷击浪涌脉冲的损坏。另外，两种器件在没有过压时都呈高阻值状态，所以正常运行时对线路影响都非常小。

4 结语

本数据采集器以模拟称重传感器的模拟信号为输入，内部对信号数字化采样及预处理后，以数字形式输出。这种传输方式既克服了纯模拟传输受干扰大、传输短的弊端，又能避免了纯数字传输中数字传感器维护成本高的问题。实际应用表面，该采集器性能稳定而且维护方便。

参考文献

[1] 丁跃清，王东，许涛，等.动态矿用轻轨衡动态称量结果的测量不确定度评定[J].计量与测试技术，2012，39（1）：38-39.

[2] 郑传行.煤矿动态轨道衡系统嵌入式硬件平台设计[J]. 工矿自动化，2014，40（223）：4-7.

[3] 郑传行，陈建.矿用动态轻轨衡关键技术研究[J].矿山机械，2011，39（7）：39-42.