矿用电子胶带秤信号采集系统设计.pdf

第 4 1卷 第 8期 2 0 1 5年 8月 工矿 自 动 化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n V0 L 4 1 NO ． 8 Au g．2 0 1 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 0 2 5 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 0 7 樊利 军 ， 田柏林 ． 矿 用 电子胶 带秤信 号采 集 系统设 计 E J - 1 ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 8 2 5 2 8 ． 矿用电子胶带秤信号采集系统设计 樊利 军 ， 田柏 林 1 ． 北京工业职业技术学院 电气与信息工程学院，北京 1 0 0 0 4 2 ； 2 ． 北 京市 煤炭 矿用 机 电设 备 技术 开发 有 限公 司 ， 北 京 1 0 0 0 4 2 摘 要 针 对现 有矿 用 电子胶 带秤 的称 重信 号 、 速 度信 号采 集和 数据 处理 速度 慢 、 采样数 据精 度低 等 问题 ， 提 出 了一种 基 于 F P GA 的矿 用 电子胶 带秤信 号 采集 系统设 计 方案 。该 系统 以 F P GA 为控 制核 心 ， 对 称重 信 号进 行 A／ D转换 和数 字 滤波 处理 ， 同时对 速度 脉 冲信号 进行 采 集处理 ， 处理 后 的数 据 通过 R 4 8 5总线传 输 到 电子胶 带秤称 重仪表 。测试 结果表 明 ， 该 系统信 号采 样和 数据 处理 速度 快 ， 精 度 高 ， 抗 干扰 能力 强 。 关键词 矿 用 电子胶 带秤 ； 信 号采 集 ；称 重信 号 ；速度信 号 ； F P GA； A／ D转换 ； 数 字滤波 中 图分 类号 T D6 7 2 文献 标志 码 A 网络 出版时 间 2 0 1 5 0 7 3 1 1 5 2 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 2 5 ． 0 0 7 ． h t m1 De s i gn o f s i g na l a c q u i s i t i o n s y s t e m o f mi n e u s e d e l e c t r o n i c be l t s c a l e FAN Li j u n ， TI AN B a i l i n ， 1 ． S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g， Be i j i n g Po l y t e c h n i c C o l l e g e ，Be i j i n g 1 0 0 0 4 2 ，Ch i n a 2 ． B e i j i n g Co a l Mi n i n g El e c t r i c Eq u i p me n t Te c h n i c a l De v e l o p me n t Co ． ，Lt d ． ，Be i j i n g 1 0 0 0 4 2，Ch i n a Abs t r a c t I n vi e w of p r ob l e ms t ha t we i gh t i ng s i g na l a nd s pe e d s i gn a l o f mi ne u s e d e l e c t r o ni c b e l t s c a l e h a s s l o we r s p e e d o f s i g na l a c q ui s i t i on a nd da t a pr o c e s s i ng a nd l o we r a c c ur a c y o f da t a s a mpl i n g，a de s i g n s c he me o f s i gn a l a c q ui s i t i on s ys t e m o f mi ne us e d e l e c t r o ni c b e l t s c a l e b a s e d o n FPGA wa s pr o po s e d．The s y s t e m i s b u i l t wi t h FP GA a s c o n t r o l c o r e ．I n t h e s y s t e m，t h e we i g h i n g s i g n a l i s p r o c e s s e d b y A／ D c on ve r s i o n a n d d i g i t a l f i l t e r i ng a nd t he p ul s e s i gn a l of s pe e d i s c o l l e c t e d a nd pr o c e s s e d．The pr o c e s s e d da t a i s t r a ns f e r r e d t o e l e c t r o ni c be l t s c a l e t h r ou gh RS4 85 bu s．The t e s t i ng r e s ul t s h o ws t ha t t h e s y s t e m h a s h i g h s p e e d o f s i g n a l a c q u i s i t i o n a n d d a t a p r o c e s s i n g，h i g h p r e c i s i o n a n d s t r o n g a n t i j a mmi n g c a p a b i l i t y． Ke y wo r ds mi ne u s e d e l e c t r on i c be l t s c a l e；s i g na l a c qu i s i t i o n；we i ght i ng s i g na l ；s p e e d s i g na l ；FPGA ； 7 D c o n v e r t e r d i g i t a l f i l t e r 0 引言 随 着 国家 对煤 炭产 量 和安全 生产 管理 力度 的加 大 ， 作为矿井煤炭运输安全计量设备 ， 矿用电子胶带 秤成为煤矿产量监测 系统 中不可或缺 的组成部分 ， 成 为矿用 计 量产 品领 域 关 注 的 焦 点_ 】 ] 。矿 用 电子 胶带秤一般安装在煤矿井下带式输送机上 ，其运行 环境 较 差 ， 振 动 、 煤 尘 、 噪声 、 环境 湿 度 、 大 容 量 电动 机启／ 停产 生 的 电场 和磁 场 干 扰 等都 对 电子 胶 带秤 的计 量精度 产 生 影 响_ 3 ] 。在 实 际 应用 中 ， 称 重传 感 器和速度传感器安装在带式输送机上，而称重仪表 通常安放在监控室里 ，二者之间相距几十到几百米 距离 ， 而称重传感器输 出的毫伏级微弱信号极易受 到干扰。研究抗干扰能力强、 信号采集精度高、 处理 速度快、 适合远距离传输 的电子胶带秤信号采集系 统 ， 对 保证 电子 胶带 秤 的计量 精度 具有 重要 意义[ 4 ] 。 收稿 日期 2 0 1 5 0 4 0 3 ； 修回 日期 2 0 1 5 0 6 0 9 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 北京市 教育 委员会科 研基 地一科 技创新 平 台项 目 P XM2 0 1 4 0 1 4 2 2 5 0 0 0 0 2 0 ； 北 京市 属高等 学校创新 团 队建设提 升计划 项 目 I DH T2 01 3 0 51 1 。 作者简介 樊利军 1 9 7 2 一 ， 男 ， 陕西韩城人 ， 副教授， 硕士 ， 主要从事检测技术与嵌入式技术方面的教学与研究工作， E ma i l f l j b g y ． o r g ． C r l 。 2 6 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 传统矿用电子胶带秤的称重和速度信号采集及 处理主要由胶带秤显示仪表 中的单片机完成 ， 同时 单片机还要完成仪表的人机交互、 远程通信以及胶 带机电动机控制等功能， 影 响了信号采样 速率和数 据处理能力 。本 文提 出一种基于 F P G A 的矿用 电 子胶带秤信号采集系统方案 ， 即将传感器输 出的称 重和速度信 号经过保 护、 滤波 、 A／ D转换 、 隔离 变 换、 F P GA采集和数字滤波处理后 ， 通过 R S 4 8 5总 线实时上传到电子胶带秤称重仪表 ， 再 由称重仪表 实现计量运算 、 数据显示 、 统计和保存等 ， 取得 了良 好 的效果 。 1 系统 组成 矿用电子胶带秤信号采 集系统 由 F P G A、 称重 信号调理 和 A／ D 转换 电路 、 速 度信 号调 理 电路、 R 4 8 5通信电路等组成 ， 如 图 1所示 。F P GA芯 片 选 用 C y c l o n e I I I E P 3 C I 6 Q2 4 0 C 8 ， 其 具有 1 5 4 0 8 个 逻 辑单 元 和 5 1 6 0 9 6个 存 储 位 ， 完 全 满 足 系统 设 计 要求 。考虑 到胶 带秤 在 矿 井 中使用 ， 需 满 足 防爆 要 求 ， 因此 系统 由本 质安 全 型电源供 电 ] 。 R S 4 8 5 矿用 电 子胶带 F P G A 秤称重 仪表 图 1 矿用电子胶带秤信号采集系统组成 2系统硬 件设 计 2 ． 1 称 重信 号调理 和 A／ D转换 电路 称重信号调理电路主要包括保护和信号滤波电 路 、 A／ D 转换 电路 。 由于称 重传 感 器 输 出 的 电压信 号为 O ～2 0 mV微弱信号 ， 且矿用电子胶带秤运行 环境比较恶劣， 所 以在称重信号 A／ D转换电路前增 加了保护和信号滤波 电路， 如图 2所示 。称重传感 器输出的差分信号经过 自恢复保险电阻 R 。 ， R。 。 对 前后 级 电 路 进 行 隔 离 和 过 流 保 护 ， 低 压 T VS管 T 一 T。 对后 级 电路进 行 过压保 护 。L ， R 。 ， R C 组成 低 通 差分 滤 波器 ， C ， C 。 构 成共 模 滤 波器 。为 了进一步提高电路的共模抑制 比， 增加 了全差分运 算放 大 调理 电路 ， 运算 放大 器选 用精度 高 、 低温 度漂 移 、 输 出噪声 小 的 A D 8 4 7 6 。 A／ D转换 电路如 图 3所示。采用 2 4位 ∑一△ 型 A／ D转 换 芯 片 AD7 1 9 3 ， 其 具 有 转 换 精 度 高 、 内 部具有可编程增益放大器 、 低噪声增益可直接输入 S M D 0 1 4 j T 2 一T l j ； I N卜 R ．3 o j } T 3 图 2保 护 和 信 号 滤 波 电路 小信号等特点l_ 6 ] 。为了保证 A／ D转换 的精度 ， 采用 外 部低 噪 声 基 准 电压 。选 用 A DR 4 2 5基 准 电压 芯 片 ， 其具有低噪声 、 高精度和 出色的长期稳定性 ， 输 出 电压 为 5 V。由于 F P GA 的 I ／ O接 口为 3 ． 3 V 逻 辑 电平 ， A／ D转 换 电路 提供 5 V 逻 辑 电平 ， 因此 采 用 AD UM1 4 1 1 对 S P I总 线 接 口进 行 隔 离 和 电 平 转换 。 P 3 M C L K 1 订 P 2 _‘ 1 P l，P E FIN 2 融 P 0，PF FIN 2- Ad AI N C OM MCL K2 C S 会 A IN l S C K L AI N2 DI N 挎 _ _ A 1 N 3 D o C T ／ R D Y A IN 4 ／ S 、订 C 一 D 5 V Al N5 DVDD ． ． T 食 一 A 1N 6 上 C 【o 上 C l 1 A lN 7 。 AI N8 ． 一 T A5 、 A、 ， DD 上C l 2上C 1 3 1 J y l N V I C l R E F REF I NI 。 REF I Nl 上 n r 『 T J L 一 两 函 j i JC T T r 上 B P O S W D G N D N C A G N D 上 L 一’ ’ Ao ND G ⋯ ND ．2 G N D 0 [ k ∞ VO A B Ⅵ VI A B} j V O C V I C i ； ； r c VI D VOD 3 3 R ， g 2 ． 2速度 信 号调理 电路 速度信 号 调理 电路 如 图 4所示 。速 度传 感器 输 出 的脉 冲信 号 先经 过 R 和 T 组成 的保护 电路 ， 再 通过 6 N1 3 7进 行 信 号 隔 离 和 电平 转 换 。为 了 更 精 确地测量速度信号 ， 隔离后的信号经由 C D 4 0 9 8组 成的 整形变 换 电路 转换 为 宽度 、 幅度 都 相 等 的 矩 形 脉冲信号 ， 再由 F P GA对信号进行采样处理 。 2 ． 3 R 4 8 5通 信 电 路 称重信号和速度信号经过 F P GA采集处理后 ， ～ 矗 N 2 0 1 5年 第 8期 樊利 军等 矿 用电子胶 带秤 信 号采 集 系统设计 2 7 c4 2 A1 5V V c c 3 3 I X l ； 2 C D4 0 9 8 GND3 ．3 图 4 速度信号调理 电路 通过 R S 4 8 5总 线 上 传 到 电子 胶 带秤 称 重 仪 表 。 R S 4 8 5通 信 电路 如 图 5所 示 。选 用 AD M2 4 8 3为 R S 4 8 5总 线驱 动 、 隔离和 电平 转换 芯片 ， 其 内部集 成 了 3路数 字隔 离通 道和 1 个 低 功 耗 RS 4 8 5收 发 器 ， 隔离电压为 2 ． 5 k V。为 了提 高传输抗 干扰性 ， 在 R S 4 8 5总线 上 增 加 了 过 流 、 过 压 和 共 模 差 模 保 护 电路 。 r3 ， 3 j 。 。 j IT Bs_oo8oM 游s嘲 虬 I T - 。 X A S MD0 1 4 图 5 R S 4 8 5通信电路 3系统软件 设计 系统软件在 Qu a r t u s I I 编译环境 ， 采用 Ve r i l o g HD L硬件 语 言 描 述 设 计L 7 ] 。F P GA 内部 逻 辑 主要 包 括锁 相环 、 分 频 器 、 A／ D 转 换 控 制 、 数 字 滤 波 器 、 频率测量和速度计算、 F I F O寄存器、 串口控制 7个 程 序模 块 ， 如 图 6中虚 线框 内所示 。 3 ． 1信号 采集 流程 信号采集流程如图 7 所示。首先对 AD 7 1 9 3进 行 初 始 化 ， 通 过 R S 4 8 5 总 线 接 收 命 令 控 制 AD7 1 9 3 S P I 总线 ．1 A ，D 转 换 控 制 l ， 垫 主 L I L 一 同 串口 控制． ． r]厂 频 率 输 入 0 _ L J I 二 I I ． I 图 6 FP GA 内部 逻 辑 启动信号采样 ， 同时使能频率测量和速度计算程序 模块 ； 称 重信号经 A／ D转换 后， 经 过 F I R数字 滤 波 ， 进入 串口控 制程序模块 ， 串口控制程序模 块从 F I F O寄存器读取 速度信 息， 2组 数据通 过 R S 4 8 5 总线上传至胶带秤称重仪表进行处理 。 图 7 信 号 采 集 流 程 3 ． 2 AD转换 控制 程序 模块 AD转换控制程序模块完成 A／ D 转换初始化 及 A／ D数据读控制 。A／ D初始化对 A／ D 内部 的 模式寄存器和配置寄存器进行操作 ， 配置寄存器设 置 AD 7 1 9 3为单极性差分输入模式 、 可编程增益为 1 2 8并选 择 外部基 准 电压 ； 模 式 寄存器 设 置 AD 7 1 9 3 为连续转换模式、 利用外部 4 ． 9 2 MHz 时钟源、 内部 滤波 器类 型 为 S I NC 4并 设 定 A／ D 转 换 输 出速 率 。 A／ D数 据读 控制 主 要 设 置 内部 通 信 寄 存 器 为 A／ D 转换结果连续读模式 ， 设定 S P I总线时序 ， 完成对 A／ D转换结果数据 的读取。 3 ． 3 频率测量和速度计算程序模块 速度传感器输 出的脉冲信号经过隔离整形变为 矩形脉冲信号 ， 通过 F P GA对该信号进行频率测量 计算 并转 换为 胶带 速度 。设计 中速度传 感器 输 出脉 冲频率范围为 0 ～2 k Hz ， 为了精准测量低频速度脉 冲信号 ， 采用等精度测频原理对信号进行数据采集 ， 以保证在速度脉冲信号范围内具有较高的精度 ] 。 2 8 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 4系统 测试 基 于某公 司研 发 的循环胶 带 机对该 系统 进行 性 能测 试 。循 环胶 带 机周 长为 2 1 ． 8 m， 在 胶 带机 上 安 装 I C S 一 1 4 A型 秤架 ， 秤 架 的 托辊 间距 为 1 ． 2 m， 有 效称量段长度为 4 ． 8 m， 配置 4只 2 5 0 k g称重传感 器 。使用变频器控制胶带 机带速 为 2 m／ s ， 分别施 加 0 ， 2 0 ， 4 0 ， 6 0 ， 8 0 ％ ， 1 0 0 的额 定 负 荷 ， 进行 3 mi n累计量动态计量测试 ， 结果见 表 l 。可 看 出 系统计 量精 度达 - - 0 ． 2 5 ％。 表 1 系统实测结果 负荷 比／ 指标 o 2 0 4 0 6 0 8 o 1 o o 理论值 ／ t o ． 0 0 0 1 4 ． 9 9 9 2 9 ． 9 9 9 4 4 ． 9 9 9 5 9 ． 9 9 8 7 4 ． 9 9 9 测量值 ／ t 0 ． 0 0 0 1 5 ． 0 3 5 3 O ． 0 6 5 4 4 ． 9 0 9 6 0 ． 1 1 1 7 5 ． 1 5 7 误差／ ％0 0 ． 2 4 0 ． 2 2 0 ． 2 0 0 ． 1 8 0 ． 2 1 5 结语 基 于 F P GA 的 矿 用 电 子胶 带 秤信 号 采 集 系 统 可实现称重信号 的 A／ D转换 、 隔离变换和数 字滤 波， 速度 脉冲信号 的测 量计算 、 隔离 保护 ， 并通 过 RS 4 8 5总线实时上传数据至胶带秤称重仪表 。该系 统 以 F P GA作为控制核心， 硬件结构简单 ， 信 号采 集 和数 据处 理 速度快 ， 采 集精 度高 ， 可实 现复 杂数 字 滤 波算 法 ， 在 井 下 复 杂 工 作 环 境 中抗 干扰 能 力 强 。 测试结果表明 ， 该系统具有较高的计量精度， 满足煤 矿 生产 计量 要求 。 参 考 文 献 E l i 王 晶， 刘尹霞 ， 马恒 ， 等． 本安 型矿用 防爆 电子 皮带秤仪 表设 计 E J 3 ． 辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报 自然 科 学 版 ， 2 0 1 3 ， 3 2 1 2 1 6 1 3 1 6 1 7 ． E 2 ] 郝伟栋 ， 李丽宏 ， 禹琳 琳． 矿 用电子皮 带秤 井下 计量仪 表 的设计 [ J ] ． 电子设计工程 ， 2 0 1 1 ， 1 9 1 1 5 7 5 9 ． I- 3 ] 王 文 清． 提 高煤 矿 井 下智 能 仪表 电磁 抗 扰 度 的探 讨 E J 3 ． 选煤技术 ， 2 0 0 7 6 5 5 5 7 ． E 4 ] 刘巍 ， 宫赤 坤 ， 王宏峰 ， 等． 基 于 AD VF C 3 2的信 号变送 模块在 电子皮带秤 中的应用 I- J ] ． 计算 机测量 与控 制 ， 2 0 1 0， 1 8 6 1 4 1 1 1 4 1 3 ． E 5 ] 陈治 国， 李剑勇 ， 乔 凤杰 ， 等． 基 于 C 8 o 5 1 F单片 机的矿 用电子皮带秤设计I- J ] ． 仪表技术 与传感 器 ，2 0 1 2 8 2 4 2 5． [ 6 ] AD公 司． A D7 1 9 3 Da t a s h e e t[ E B ／ 0L ] ．[ 2 0 1 5 一 O 1 0 9 ] ． h t t p ／ ／ ww w．a n a l o g ．c o rn／ me d i a ／ c n ／ t e c h n i c a l - d o c u me n t a t i o n d a t a s h e e t s ／ AD7 1 9 3一c n． pd f ． E 7 ]刘谆 ， 崔建 明 ， 黄宇 峰 ， 等． 基 于 F P G A 的煤矿 突水 监 测系统数据采集系统的设计[ J ] ． 工矿 自动化，2 0 1 2 ， 3 7 2 8 4 - 8 7 ． [ 8 ] 唐亚平． 基于 F P G A 与 D S P的等精 度数字频率计设计 E J ] ． 微计 算机信息 ， 2 0 0 7 ， 2 3 2 2 4 9 2 5 0 ． KJ 3 6 A型煤矿 电力监控 系统 KJ 3 6 A型煤矿电力监 控系统 由天地 常州 自 动 化股 份有 限公 司 研 制 推 出 ， 致 力 于解 决 煤 矿 井 下 供 电难题。该系统具 有“ 五遥 四联 动” 、 故障定位等 功 能 ， 实现 了井 下变 电所无 人值 守 和防越 级跳 闸 ， 减 少 供 电事故 发生 和缩 短故 障排 除时 间 。 KJ 3 6 A 型 煤 矿 电力监 控 系统 通 过环 网设 备 ， 接 人其他生产控制系统 ， 可形成生产综合 自动化平台， 具有综合型系统配置 、 环网接入型系统配置和独立 型 系统 配置 等多 种组 网模式 ， 能 满足不 同用 户 的高 、 中、 低端需求 。 系统功 能特 点 “ 五遥 ” 功 能 ， 具备 遥信 、 遥控 、 遥 测 、 遥调 、 遥 视功 能 ， 实 现井 下变 电所 远 程监 控 ； “ 四 联 动” 功 能 选 配 ， 具备 门禁 联 动 、 视 频联 动 、 语 音联 动 、 环境 联动 功能 ， 实 现井 下 变 电 所 少 人值 守 、 无 人 值 守和综 合 调度 ； 防越 级跳 闸 选 配 ， 闭 锁控制 器 与 专用 综合 保护 器相 互 配 合 ， 解 决 煤 矿 供 电 网络 短路 引起 的越 级跳 闸故 障 ； 能效 管理 ， 对 区队用 电分 班考 核 ， 强化用电管理 ， 实现节能降耗 ； 故障录波 ， 自动准 确记录电力系统故障前、 后过程 电压 、 电流、 开关状 态等各 种 电气量 的变化情 况 ， 为事 故分 析提 供依 据 ； 图形 报表 ， 界 面友 好 ， 为 用 户 提供 丰 富 的 图形 报 表 ； 数据 共享 ， 具备 We b ， OP C， C DT等多 种远 程联 网接 口 ， 具 有 丰富 的扩展 、 接 人和 数据 共享 功能 。 本 刊 编 辑 部