煤第４９卷第４期 ｄｏｉ：１０．１ １７９９／ｃｅ２０１７０４００５ 炭工程 Ｖｏｌ，４９．Ｎｏ．４ ＣＯＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ 基于嵌入式系统及现场总线的 液压支架压力监测平台设计 初琦 ，丁 钺 ，李伟 １０００４２； （１．北京工业职业技术学院机电工程学院，北京２．煤炭工业合肥设计研究院，安徽合肥３．安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南２３００４１； ２３２００１） 摘 要：针对现有液压支架工作压力数据采集工作量大、实时性差及监测仪器结构复杂等问 题，设计了一套基于嵌入式系统及ＣＡＮ现场总线的支架压力监测平台。该平台以 ＳＴＭ３２Ｆ１０７ＶＣＴ６微处理器为硬件核心，以ＩｘＣ／ＯＳ—ＩＩ为嵌入式操作系统，通过ＣＡＮ总线模块和 以太网模块，可实时高速地接收工作面液压支架的压力数据并传输至地面监测中心，具有精度 高、结构紧凑、成本低等优点。实验调试结果表明，压力监测平台达到设计要求，现场应用可行 性强。 关键词：液压支架；压力监测平台；嵌入式系统；ＣＡＮ总线 中图分类号：ＴＤ３２６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—０９５９（２０１７）０４—００１３—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｍｂｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｆｉｅｌｄｂｕｓ ＣＨＵ Ｑｉ ，ＤＩＮＧ Ｃｈｅｎｇ ，ＬＩ Ｗｅｉ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｅａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｅｆｅｉ Ｄｅｓｉｇｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｈｅｉｆｅｉ ２３００４１，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｃｏｌｌａｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ ２３２００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ，ｓｕｃｈ ａｓ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｕｇｅ ｄａｔａ，ｐｏｏｒ ｒｅａｌ— ｔｉｍｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ａ ｓｅｔ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ＣＡＮ ｂｕｓ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｗｉｔｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ＳＴＭ３２，ＣＡＮ ｂｕｓ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ Ｅｔｈｅｍｅｔ ｍｏｄｕｌｅ，ａｎｄ ｗｉｔｈ ＩｒＣ／ＯＳ —ＩＩ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍｐｌａｎｔｅｄ，ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｃａｎ ｒｅｃｅｉｖｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄａｔａ ｑｕｉｃｋｌｙ ｆｒｏｍ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ ａｎｄ ｓｅｎｄ ｉｔ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｃｏｍｐａｃｔ ｓｔｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｌｒｏｗ ｃｏｓｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ｃａｎ ｂｅ印ｐｌｉｅｄ ｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ；ＣＡＮ ｂｕｓ 作为煤矿井下综采工作面的主要支护设备，液压支架 的工作压力监测．一直是采煤工作面监控系统以及矿山压 力监测和预报系统的重要内容 。传统的支架工作压力检 测方式以人工采样为主。即由矿井工作人员前往综采工作 面，逐一对各个支架上所安装的压力检测仪进行数据采集 后，再送至地面监控中心进行分析。显然．这种方式存在 数据滞后和安全隐患等问题，已不再适应当前矿井信息化 收稿日期：２０１６—１０—１３ 的要求。因此．国内的大中型煤矿目前均采取不同的方法， 实现液压支架压力的自动监测。其中．部分矿井采用较为 高端的电液控液压支架．可以直接采集并传输支架工作压 力至调度中心＿２］。而大部分矿井所使用的液压支架，需要 根据工作面的实际工况，增设一套压力监测平台，采集和 处理支架监测分站的压力数据并传输至地面＿３ｊ。 从现场使用情况来看，以工控机或平板电脑为控制器， 作者简介：初引用格式：初琦（１９７９一），女，吉林吉林人，博士，副教授，研究方向为矿山机电装备监测，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｕｑｉｍａｉｌ＠ 琦，丁铖，李伟．基于嵌入式系统及现场总线的液压支架压力监测平台设计［Ｊ］．煤炭工程， １６３．ｃｏｍ。 ２０１７，４９（４）：１３—１５，１９． １３ 煤炭工程 ２０１７年第４期 ＲＳ一４８５为通信方式的液压支架压力监测平台，存在硬件结 构复杂、体积大、成本高以及数据处理能力有限等问题． 路、双ＣＡＮ接口电路，ＩＯＭ／ＩＯＯＭ以太网接口电路、ＴＦＴ 触摸液晶等模块。受篇幅所限，以下仅介绍ＣＡＮ总线模块 设计、以太网模块分析和电磁兼容及抗干扰设计。 越来越不适应煤矿监测系统智能化以及降低成本的要求＿４］。 为此，本文开发了一套以嵌入式系统ＡＲＭ为核心控制器， 采取ＣＡＮ总线通信方式的液压支架工作压力监测平台，在 满足煤矿监测系统要求的同时．具有结构简洁、数据传输 快以及成本较低等优点。 ！ 坚垄墅卜 鬲 丽 ｌ 微处理器兰 一 ＴＭ微３２处Ｆ１理０７器ＶｃＴ ｒ一－１ 皇ｌ艨皇塑 ｌ１支架压力监测平台的现场布置 １ｒＦＴ驱动器 云 Ｉ卜＿［＝ 堂 监测平台与配置在各个液压支架的压力监测分站以及 位于地面调度室的ＷＥＢ服务器一同构成了液压支架工作压 力监测系统，其现场布置如图１所示。 ｊ矿井调度室 ＴＣＰ， 厂迹画豳 —压豳 习 ｌ ｔ：＝：：： 。＝。＝ｌ Ｌ — －＝＝二—二一 ／一．矿井工业、 ＼ 查 璺一， ．．．．．． ． ． ．．．．．：ｌ ．．一 光纤交换机 液压支架压力监测平台 二二］＝ 巷道 其他监测系统 图１液压支架压力监测系统布置图 １）压力监测分站属于整个监测系统的最底层架构，实 现对支架的工作压力数据采集，并发送至压力监测平台。 分站安装在工作面支架的顶梁（掩护梁）下面．通过矿用电 缆将分站的压力传感器与支架立柱的高压油腔连接。四柱 式支架接前后立柱，两柱式支架接左右立柱。分站的左右 两侧有插头与相邻分站通过４芯电缆线串联，实现各个分 站的供电和通信连接。 ２）监测平台属于中间层架构．在整个监测系统中有着 承上启下的重要作用。平台一方面通过ＣＡＮ总线与监测分 站通信。接收并处理分站所采集的压力数据；另一方面将 压力数据打包后通过工业以太环网传输至地面的ＷＥＢ服务 器。 ３）ＷＥＢ服务器布置在地面调度室．接收监测平台传 输的各个数据，可采取组态软件对数据进行显示、存储等， 实现对工作面位置、支架编号及工作压力及异常状况的监 测及管理 ２支架压力监测平台的硬件设计 监测平台是整个液压支架压力监测系统的核心部分， 作为地面调度中心与井下工作面的信息纽带．对工作面支 架压力情况的实时、在线监测起着重要的作用．对其硬件 设计应在满足功能要求的前提下尽可能简洁。 压力监测平台通过ＣＡＮ总线接收支架压力数据．并将 处理后的数据发送至井下工业以太环网。按此功能要求， 采取的硬件结构如图２所示。平台硬件包括 ＳＴＭ３２ＦｌＯ７ＶＣＴ６微处理器的核心电路。通过电源电路、时 钟源电路和复位电路构成的最小系统，以及ＪＴＡＧ调试电 】４ 图２液压支架压力监测平台的硬件结构 ２．１ ＣＡＮ总线模块设计 由于ｓＴＭ３２Ｆ１ｏ７ＶｃＴ６内置集成了ＣＡＮ总线接口．支 持ＣＡＮ２．０Ａ和ＣＡＮ２．０Ｂ两种协议标准，故采取 ＳＮ６５ＨＶＤ２３０ ＣＡＮ收发 片与ＣＡＮ控制器组成总线接口． 其电路如图３所示。 图３ ＣＡＮ总线接口电路 ＣＡＮ控制器的输出引脚Ｔｘ接到ＳＮ６５ＨＶＤ２３０的数据输 入端ＴＸＤ，可将此ＣＡＮ节点发送的数据传送到ＣＡＮ网络 中；而接收引脚Ｒｘ和ＳＮ６５ＨＶＤ２３０的数据输出端ＲＸＤ相 连，用于接收数据。利用跳线和接地的斜率电阻器连接 ＳＮ６５ＨＶＤ２３０的方式选择端口Ｒｓ，通过硬件方式可实现 ＣＡＮ总线３种工作模式的切换，其中斜率电阻器为０～ １００ｋ￣的电位器。 ２．２以太网通信模块 ＳＴＭ３２Ｆ１０７ＶＣＴ６微处理器内部高度集成了以太网通信 模块，符合ＩＥＥＥ．８０２．３标准的ＭＡＣ以太网协议、ＩＥＥＥ １５５８网路精确时钟同步标准、ＡＭＢＡ２．０标准和ＲＭＩＩ标准。 该以太网通信模块支持ＭＡＣ控制器功能、ＤＭＡ功能、ＰＴＰ 功能和介质接口功能等，可灵活调节，适应不同场合应用 需求 ２．３ 电磁兼容及抗干扰性设计 由于监测平台使用在井下复杂的电磁环境中。如井下 ２０１７年第４期 煤炭工程 供电电网的电压波动幅度剧烈（７５％～１１０％）、煤矿巷道对 电磁干扰的耦合影响、采煤机及刮板机等大型综采机电设 备的频繁启停所产生的电磁干扰，以及悬挂在井下巷道的 电力电缆产生的辐射干扰等等 ］，为了保证设备的安全可 靠。需要在设计过程中充分考虑电磁干扰问题，为此在结 构设计和ＰＣＢ电路设计等方面采取相应的抗干扰措施。 １）屏蔽。监测平台外部壳体采用电连续的闭合金属箱 体进行电磁场屏蔽。为了提高壳体的屏蔽效果，在结构的 结合面上加入橡胶衬垫，缝隙处涂上衬垫。 ２）连接。监测平台与分站之间的连接电缆和连接器实 煮⑧ 现协调统一，对于电源系统、信号线、壳体都有单独的接 地系统，并且按照多点接地的原则形成共同的一个参考点 ３）ＰＣＢ设计。在硬件平台进行ＰＣＢ电路设计过程中， 采用四层板结构，自上而下，第一层和第四层是信号层， 第二层是接地层，第三层是电源层。四层板的布线设计好 处包括以下几点：扩大了布线面积，方便布线；隔离并减 小了顶层与底层信号线之间的串扰；减小了信号层与电源 返回路径的特征阻抗：减小了电源与信号的环路面积，抑 制了ＲＦ能量辐射：电源层与地层形成的电容效应，也有一一 定去耦作用；拥有较好的磁通对消作用＂］。 ３压力监测平台的软件设计 目前嵌入式系统常用的操作系统有￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ、 ＶｘＷｏｒｋｓ、Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ和Ｌｉｎｕｘ等，根据已选的硬件平台及 多种考虑因素，选用￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ作为嵌入式开发的操作系 统。ｔｘＣ／ＯＳ－ＩＩ在代码规模很小的前提下，同样能满足平台 设计的预期功能．具有开源和移植方便、可固化和可裁剪 性、多任务调度和系统服务功能、实时性强等优点 ］。 ３．１软件系统结构设计 按照平台功能要求及硬件结构，设计了基于￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ 的四层软件架构，由底至上依次为设备驱动层、￣Ｃ／０Ｓ—ＩＩ 内核层、应用程序接口层、应用软件层，如图４所示。 任务１ ＩＩ任务２ Ｉ…Ｉ任务 ｌ 应用软件层 启动 应用程序接ＵＡＰＩ 代码 匝 面团匡 亘固 ￣ｔＣ／ＯＳ 内核 匡 圈匝囹臣亟圆医囹 Ｉ 堇塑ｌ ： 囊 ｌＩ画 硒豳 匦圊 软件 ：１：： ：：：：： ：：：：：：：：：：：：：： ：： ｌ匝重重垂亟回＋ — 图４压力监测平台的ｉｔＣ／ＯＳ－ＩＩ系统软件架构 由于ｐ，Ｃ／ＯＳ－ＩＩ系统内核本身并没有对芯片外围设备现 成的支持，例如文件系统、堆栈协议、图形界面等，因此 丽 ＣＡ： Ｌｗｌ 界 触 数 以 总 Ｐ 面 摸 据 线 协 太 网 通 议 切 按 显 栈 换 键 不 数 信 任 据 任 处 任 处 理 务 理 务 发 务 任 任 送 务 务 任 务 启动多任务 图５系统的多任务划分 起始任务为系统创建的第一个任务．是执行其它任务 的前提，同时还定时处理看门狗，其优先级最高。在其余６ 个任务中。优先级别从高到低依次为：ＣＡＮ总线通信、 ＬｗｌＰ协议栈处理、界面切换、触摸按键处理、数据显示和 以太网数据发送。 ３．３主函数程序设计 在启动Ｉ￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ操作系统的服务之前，需要调用 ＯＳＩｎｉｔ（）函数，对￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ运行环境的初始化，随后创建 一个任务再进行多任务管理。通常情况下在ＯＳＳｔａｒｔ（）函数 被调用前创建一个具有最高优先级的任务作为起始任务， 其余任务都可以放在起始任务中工作。监测平台的主函数 程序设计是先调用ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔ（）函数创建优先级为０的 ＴａｓｋＳｔａｒｔ起始任务。其流程如图６所示。 图６主函数流程图 （下转第１９页） １５ ２０１７年第４期 煤炭工程 境界３７．５ｍ，满足经济、安全要求。 ２）乌兰图嘎锗煤露天矿西帮到界边坡受三系岩体力学 性质差的影响，排土场自身的稳定性较好，三系底板上部 岩土体在重力作用下发生剪切破坏而沿三系底弱层挤出。 形成切层一顺层滑动：边坡岩体的变形破坏形式属张拉一剪 切复合型破坏。 ３）由于岩土体自重、断层、弱层及自身强度特性的影 响，是造成乌兰图嘎锗煤露天矿西帮到界边坡发生切层一顺 界 层滑动的主要因素。 参考文献： ［１］ 王家臣，常来山，夏成华，等．露天矿节理岩体边坡稳定性 ７Ｕｕ／－／＝２０～５０ 研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５（１８）：３３５０—３３５４． （ａ）采场距离排土场２０ｍ时 图５排土场稳定性计算过程图（ｍ） ［２］ 常治国，陈亚军，段鲲鹏，等．并行露天煤矿压帮内排回采 三角煤留沟深度研究［Ｊ］．煤炭工程，２０１６，４８（３）：１５一 ＋１０８２ｍ以下台阶并段，１０８２平盘宽１ｌｍ，１０９２平盘宽 ｌ７． １３ｍ，１１０２平盘宽２０ｍ；清帮后排土场坡脚距离采场上部 ［３］ 王东，楮景倍，曹兰柱，等．软岩边坡稳定性的地表位移 境界３７．５ｍ，排土场及采场、排土场构成的复合边坡稳定 监测［Ｊ］．露天采矿技术，２０１２（１）：３３—３５，３７． 性较好，可满足安全要求。 ［４］ 王兰明．内蒙古锡林郭勒盟乌兰图嘎锗矿地质特征及勘查工 作简介［Ｊ］．内蒙古地质，１９９９（３）：１６—２０． ３结论 ［５］ 张琦，戚华文，胡瑞忠，等．乌兰图嘎超大型锗矿床含锗 １）乌兰图嘎锗煤露天矿西帮到界边坡形态为： 煤的矿物学［Ｊ］．矿物学报，２００８（４）：４２６—４３８． ＋１０８２ｍ以下台阶并段，１０８２平盘宽１ｌｍ，１０９２平盘宽 ［６］ 曹兰柱，祁利民，王东，等．露天矿含断层复合边坡稳定 性［Ｊ］．辽宁工程技术大学学报（自然科学版），２０１６，３５ １ ３ｍ，１ １０２平盘宽２０ｍ；清帮后排土场坡脚距离采场上部 （８）：８０４—８０９． （责任编辑张宝优） （上接第ｌ５页） ４压力监测平台的实验调试 结构简洁、成本低等优点，可在煤矿井下工作面安全生产 监测中发挥积极的作用。 在实验室对液压支架工作压力监测平台进行了调试分 参考文献： 析，以判断该平台功能是否达到设计要求。 监测平台接收到的支架压力数据是由信号采集层的监 ［１］ 孙继平．安全高效矿井监控关键技术研究［Ｊ］．工矿自动 测分站通过ＣＡＮ总线传输的．因此ＣＡＮ总线通信是平台调 化，２０１２（１２）：卜５． ［２］ 李磊，宋建成，田慕琴，等．基于ＤＳＰ和ＲＳ４８５总线的 试的重要内容之一。本文采取计算机通过ＵＳＢ—ＣＡＮ收发器 液压支架电液控制通信系统的设计［Ｊ］．煤炭学报，２０１０ 连接ＣＡＮ总线的方式进行数据通信测试。当参数设置正确 （４）：７０１－７０４． 后，向平台发送正确格式的ＣＡＮ总线协议帧后，监测平台 ［３］ 刘日成，李金海，徐春超，等．矿用液压支架压力监测系统 能够正确接收到发送的数据，并在液晶屏上显示，表示 在综采工作面的应用［Ｊ］．煤矿安全，２０１２（６）：６７－６８． ＣＡＮ总线通信模块测试正常。 ［４］ 丁铖，孟国营，崔国梁，等．基于ＡＲＭ和ＣＡＮ总线的液 在完成ＴＣＰ＆ＵＤＰ测试以太网通信之后，将监测平台、 压支架压力监测平台的设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１２ 监测分站及上位机进行联合调试。监测分站与监测平台采 （１１）：１６９—１７１． 用双绞屏蔽线连接，平台通过网线接入局域网，上位机安 ［５］ 汪佳彪，王忠宾，张霖，等．基于以太网和ＣＡＮ总线的 装了Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ＳＱＬ ｓｅｎｒｅｒｓ数据库及组态软件。对监测分站 液压支架电液控制系统研究［Ｊ］．煤炭学报，２０１６（６）： 输出的压力数据进行调节．相应地可以在上位机监测界面 １５７５－１５８１． ［６］ 孙继平．煤矿用电工电子产品电磁兼容性要求及试验方法 上实时地显示数据的变化情况。 ［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１３（６）：６８—７２． ５结语 ［７］ 游勇强．探讨ＰＣＢ设计中的ＥＭＣ［Ｊ］．微波学报，２０１２ （Ｓ３）：２７４—２７６． 基于嵌入式系统ＡＲＭ和ＣＡＮ总线通信的压力监测平 ［８］ 朱凯迪，万健中，方 静．￣Ｃ／ＯＳ－Ⅱ内核的改进与应用 台，与上位机结合可实现对液压支架工作压力数据的动态 ［Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），２０１５（１２）：１６３５— 监测、历史查询和信息智能管理，具有精度高、实时性强、 １６３８． （责任编辑赵巧芝） １９
