一种井下抗电磁干扰安全监控分站制造技术

本发明专利技术公开了一种井下抗电磁干扰安全监控分站，涉及煤矿井下安全监测抗电磁干扰领域，其中，抗电磁干扰安全监控分站装置包括：硬件系统与软件平台。所述硬件系统包括：I/O口抗电磁干扰电路、电源系统模块、单片机最小系统模块、信号调理模块、以太网/RS485通信模块、开关量输入输出模块以及其他功能模块；所述软件平台包括：通道复用控制功能、电流/频率信号检测功能、其他功能任务程序以及系统通信协议。本发明专利技术可以使安全监控分站拥有更强的抗电磁干扰能力，具有测试精度高、动态性能好的优点，有效提高煤矿井下安全监控系统的可靠性与稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种井下抗电磁干扰安全监控分站
本专利技术涉及煤矿井下抗电磁干扰领域，尤其涉及一种井下抗电磁干扰安全监控分站。
技术介绍
煤矿安全监控系统是保障矿工生命安全的有效手段，煤矿安全监控分站是煤矿安全监控系统主要组成部分，主要有两大功能：首先，监控分站通过各类型传感器监测并收集煤矿井下诸如瓦斯、一氧化碳、温度、风速等的环境参数以及各种设备的开停状态；其次，监控分站还必须执行中心站下达的各种指令，完成与监控主站之间的通讯。在安全监控系统存在的诸多问题中，抗电磁干扰能力薄弱是其中一个极其重要的问题。煤矿井下各种大功率电气设备与各类电子设备的广泛使用加剧了电磁环境的复杂与恶劣，电磁污染问题越发凸显出来。煤矿安全监控系统在遭受电磁干扰侵袭后，可能出现诸如误报警、冒大数、通信中断、产生伪数据等情况，大大降低了煤矿安全监控系统的稳定性与可靠性，造成对井下安全生产状况的误判。当前，煤矿井下监控分站设计，大都围绕续航能力、智能化、功能化等进行设计，而忽略了基本的抗电磁干扰能力，导致监控分站部分功能在电磁环境复杂的环境下无法使用。因此，如何提升井下安全监控分站抗电磁干扰能力以提高整个安全监控系统可靠性与稳定性是一个急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服煤矿井下复杂的电磁环境对安全监控的影响，设计一种井下抗电磁干扰安全监控分站，以提高整个安全监控系统可靠性与稳定性。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种井下抗电磁干扰安全监控分站，包括硬件系统与软件平台。所述硬件系统包括：I/O口抗电磁干扰电路、电源系统模块、单片机最小系统模块、信号调理模块、以太网/RS485通信模块、开关量输入输出模块以及其他功能模块，各模块间为并行关系，I/O口抗电磁干扰电路贯穿于各个模块。所述I/O口抗电磁干扰电路，用于分站硬件接口间抗电磁干扰；所述电源系统模块，用于监控分站系统的电能供应；所述单片机最小系统模块，用于分站接收大量信号的处理与数据记录；所述信号调理模块，用于防止外部电磁干扰对系统核心电路造成破坏与电路自身在被施加浪涌冲击群干扰后遭到破坏；所述以太网/RS485通信模块，用于上位机、下位机、分站间的的通信；所述开关量输入输出模块，用于控制现场设备的启停或者改变设备工作状态；所述其他功能模块，用于实现红外遥控输入与串口显示屏显示设置。所述软件平台包括：通道复用控制程序模块、电流/频率信号检测程序模块以及系统通信协议。所述通道复用控制程序模块，用于解决分站接入端电流/频率/开关量的复用输入；所述电流/频率信号检测程序模块，用于构建电流/频率信号从输入至经过初步软件继而传送到系统内部的完整流程；所述系统通信协议，用于确保上下位机之间能通信数据帧的完整性和通信的可靠性。所述单片机最小系统模块包括时钟电路、复位电路、程序下载和调试电路、SD存储卡电路、辅助调试的串口电路。所述信号调理模块包括各接口的防浪涌冲击/脉冲群干扰的防护电路、内部核心电路与各采样接口的电磁隔离电路、电流类信号的变换电路、频率类信号变换电路、开关量信号输入输出驱动电路。所述以太网/RS485通信模块包括上下位机以太网通信的接口电路以及分站用来挂载RS485设备的RS485接口电路。所述其他功能模块包括红外遥控电路以及串口屏显示电路。作为本专利技术一种井下抗电磁干扰安全监控分站的进一步优选方案，所述I/O口抗电磁干扰电路包含：第一电感、第二电感、第三电感、第二电容、第三电阻与第1至第六TVS管。信号从第一电感的一端进入，另一端信号输出后经过第四、第三、第一，三个并联的TVS管；第二电感的一端与输出信号相连，另一端与第二电容并联，第三电感串联；第二电容另一端接地，第三电感的另一端与第二、第五、第六三个TVS并联的TVS管相连；第三电阻与第二、第五、第六三个并联的TVS管并联。其有益效果在于所述I/O口抗电磁干扰电路可以有效的衰减浪涌冲击与脉冲群干扰，提升硬件对抗外部电磁冲击的干扰的能力，且不会对正常的输入信号产生影响，同时具有电路拓扑结构设计简单，制作成本低的优点。作为本专利技术一种井下抗电磁干扰安全监控分站的进一步优选方案，所述电源系统模块包括：AC127V交流电变直流电压电路、电磁兼容保护电路、系统信号处理电路电源DC5V电压的生成、单片机最小系统电源DC3.3V的生成、系统隔离电路电源DC5VE电压的生成、系统电池充电电路的设计、系统外部供电与电池供电的切换电路。其有益效果在于满足I类本安设备标准的同时，电源系统具有良好的电磁兼容性能，兼顾防过压、过流、以及静电损坏。作为本专利技术一种井下抗电磁干扰安全监控分站的进一步优选方案，所述信号调理模块包含一种输入信号复用方案，实现复用具体步骤如下：。步骤1:8路处理信号经过脉冲浪涌防护电路进入16通道模拟开关CD4067；步骤2：步骤1输出信号经过电流、频率调理电路，最终输出为频率信号，可直接输入给单片机的外部捕获中断进行频率测量；步骤3：步骤1输出信号经过8路开关量检测电路，再经过8输入或门接入单片机外部中断引脚上，检测是否有开关事件发生；步骤4：判断是否有开关事件发生，如有，则程序调用扫描各开关量检测电路的输出电平，具体确定发生开关事件的通道编号，并结合当前检测的是何种信号，最终得出检测结果。如没有，则信号正常传输。其有益效果在于支持电流类、频率类和开关量三种传感器输入的完全复用，保证每个通道能够准确、实时采集输入信号。作为本专利技术一种井下抗电磁干扰安全监控分站的进一步优选方案，所述通道复用控制功能实现复用控制具体步骤如下：步骤1：根据配置文件，将输入信号分为两类：模拟类和开关量，并设置二者的数量分别为m、n。步骤2：设置某一变量Index(0,1...m)记录即将接入到转换电路的序号，设置一个数组CH[m]记录模拟量接入的通道号和该通道接入的信号类型，设置两个变量C1、C2分别保存外部输入捕获计数器的值。设置一个变量IO-Status记录开关量输入单片机I/O的状态值。步骤3：当发生外部捕获中断时，在中断服务程序中记录计数器的值并唤醒通道复用控制任务。在通道控制任务中记录这是第几次中断，如果是第二次中断则将两次计数器的值拷贝到C1、C2变量中，然后控制开关矩阵切换到下一模拟通道采集，并根据输入信号的类型唤醒电流或者频率类信号检测任务来做进一步的算法处理。步骤4：当发生引脚外部中断时，在中断服务程序中读取各开关量接入I/O口的电平值并赋值给IO-Status变量，然后唤醒通道复用控制任务。在通道控制任务中唤醒开关量检测任务做进一步的算法处理。作为本专利技术一种井下抗电磁干扰安全监控分站的进一步优选方案，所述电流/频率信号检测功能实现信号检测具体步骤如下：步骤1：初始化寄存器，从通道读取配置文件，配置外部捕获中断及计算滤波器参数；步骤2：通过输入捕获中断计算频率信号的周期值，读取外部捕获时刻队列，在输入捕获中断中唤醒通道复用控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种井下抗电磁干扰安全监控分站，其特征在于：包括硬件系统与软件平台；/n所述硬件系统包括：I/O口抗电磁干扰电路、电源系统模块、单片机最小系统模块、信号调理模块、以太网/RS485通信模块、开关量输入输出模块，各模块间为并行关系；/n所述I/O口抗电磁干扰电路，用于分站硬件对外接口间抗电磁干扰；所述电源系统模块，用于监控分站系统的电能供应；所述单片机最小系统模块，用于分站接收大量信号的处理与数据记录；所述信号调理模块，用于防止外部电磁干扰对系统核心电路造成破坏与电路自身在被施加浪涌冲击群干扰后遭到破坏；所述以太网/RS485通信模块，用于上位机、下位机、分站间的的通信；所述开关量输入输出模块，用于控制现场设备的启停或者改变设备工作状态；/n所述软件平台包括：通道复用控制程序模块、电流/频率信号检测程序模块以及系统通信协议；/n所述通道复用控制程序模块，用于解决分站接入端电流/频率/开关量的复用输入；所述电流/频率信号检测程序模块，用于构建电流/频率信号从输入至经过初步软件继而传送到系统内部的完整流程；所述系统通信协议，用于确保上下位机之间能通信数据帧的完整性和通信的可靠性。/n

【技术特征摘要】
1.一种井下抗电磁干扰安全监控分站，其特征在于：包括硬件系统与软件平台；
所述硬件系统包括：I/O口抗电磁干扰电路、电源系统模块、单片机最小系统模块、信号调理模块、以太网/RS485通信模块、开关量输入输出模块，各模块间为并行关系；
所述I/O口抗电磁干扰电路，用于分站硬件对外接口间抗电磁干扰；所述电源系统模块，用于监控分站系统的电能供应；所述单片机最小系统模块，用于分站接收大量信号的处理与数据记录；所述信号调理模块，用于防止外部电磁干扰对系统核心电路造成破坏与电路自身在被施加浪涌冲击群干扰后遭到破坏；所述以太网/RS485通信模块，用于上位机、下位机、分站间的的通信；所述开关量输入输出模块，用于控制现场设备的启停或者改变设备工作状态；
所述软件平台包括：通道复用控制程序模块、电流/频率信号检测程序模块以及系统通信协议；
所述通道复用控制程序模块，用于解决分站接入端电流/频率/开关量的复用输入；所述电流/频率信号检测程序模块，用于构建电流/频率信号从输入至经过初步软件继而传送到系统内部的完整流程；所述系统通信协议，用于确保上下位机之间能通信数据帧的完整性和通信的可靠性。


2.根据权利要求1所述的一种井下抗电磁干扰安全监控分站，其特征在于：所述I/O口抗电磁干扰电路包含：第一电感、第二电感、第三电感、第二电容、第三电阻与第1至第六TVS管；信号从第一电感的一端进入，另一端信号输出后经过第四、第三、第一，三个并联的TVS管；第二电感的一端与三个并联的TVS管输出信号相连，另一端与第二电容并联，第三电感串联；第二电容另一端接地，第三电感的另一端与第二、第五、第六三个TVS并联的TVS管相连；第三电阻与第二、第五、第六三个并联的TVS管并联。


3.根据权利要求1所述的一种井下抗电磁干扰安全监控分站，其特征在于：所述电源系统模块包括AC127V交流电变直流电压电路、电磁兼容保护电路、系统信号处理电路电源DC5V电压的生成、单片机最小系统电源DC3.3V的生成、系统隔离电路电源DC5VE电压的生成、系统电池充电电路、系统外部供电与电池供电切换电路。


4.根据权利要求1所述的一种井下抗电磁干扰安全监控分站，其特征在于：所述单片机最小系统模块包括时钟电路、复位电路、程序下载和调试电路、SD存储卡电路、辅助调试的串口电路。


5.根据权利要求1所述的一种井下抗电磁干扰安全监控分站，其特征在于：所述信号调理模块包括各接口的防浪涌冲击/脉冲群干扰的防护电路、内部核心电路与各采样接口的电磁隔离电路、电流类信号的变换电路、频率类信号变换电路、开关量信号输入输出驱动电路。


6.根据权利要求1或5所述的一种井下抗电磁干扰安全监控分站，其特征在于：所述信号调理模块包含一种信号输入复用方案，用于支持电流类、频率类和开关量三种传感器输入的完全复用，保证每个通道能够准确、实时采集输入信号。


7.根据权利要求6所述一种井下抗电磁干扰安全监控分站，其特征在于：所述信号输入复用方案实现复用具体步骤如下：
步骤1:8路处理信号经过脉冲浪涌防护电路进入16通道模拟开关CD4067；
步骤2：步骤1输出信号经过电流、频率调理电路，最终输出为频率信号，可直接输入给单片机的外部捕获中断...

【专利技术属性】
技术研发人员：武中文，程燕青，刘红玲，李乔，梁良，杜雨馨，
申请(专利权)人：徐州工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32