李　英

[摘要]在分析煤矿中锚杆检测的重要作用，明确锚杆检测仪的发展研究现状的基础上，结合嵌入式系统的特点，提出任务设计具有本质安全性的便携式智能无损锚杆检测仪的硬件电路。从锚杆检测仪所要实现的功能入手，先规划硬件总体结构图，然后根据实际需要，选择ARM处理器S3C2410作为本系统的核心器件。完成硬件电路设计。

[关键词]锚杆检测 3C2410 硬件设计

中图分类号：TN4文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0310009－01

一、引言

在我国以煤为主的能源发展战略占有很重要的地位，目前煤矿安全形势依然严峻，事故总量仍然很大，解决煤矿事故隐患势在必行。事故发生的原因很多，要解决问题，加强技术管理、提高安全管理水平、做好预防检测[1]的工作必不可少，锚杆检测是其中很重要的一项。

目前的锚杆检测仪大多都是只能用于地面，有部分的锚杆检测仪能用于井下，但是还不具有普遍性。针对煤矿井下锚杆检测的需要，本文设计具有本质安全性的便携式智能无损锚杆检测仪的硬件电路。

二、硬件总体结构设计

锚杆检测仪的主要用途就是对锚固质量检测，包括测量锚杆长度、锚固状态（或砂浆饱满度）的检测，其中锚固状态含检测锚杆的自由段长度、锚固段长度、施工缺陷和整体评价锚固施工质量。根据需要，本系统除了核心处理器之外，要包含很多模块，主要分为两部分：一部分为核心支持模块，主要包含电源模块，存储器模块，时钟和复位模块；另一部分为通信模块，包括串口模块、以太网模块、USB模块和LCD模块。硬件总体结构如图-1所示。

1．电源模块：电源模块是整个系统正常工作的基础，它为处理器和各个部件提供工作电压。系统对电源模块的要求一般有两个：第一，能够提供系统所需要的功率；第二，能够稳定的输出工作电压。

2．存储器模块：用来存储程序和数据。

3．时钟和复位模块：时钟模块主要是给处理器提供稳定的时钟频率。复位模块是当上电复位和硬件复位时，给处理器提供一个一定宽度的复位脉冲。

4．串口模块：主要是为PC机或控制台提供访问和控制锚杆检测仪的接口，同时作为系统调试接口。

5．USB模块：该模块的设计主要功能有两个，一个是作为设备用来与PC机之间的检测数据的传输；另一个是作为主机来外接存储设备（如U盘）。

6．以太网模块：通过该模块实现对设备的远程管理、传输检测数据和在线升级的功能。如果CPU不具备以太网控制器，因此本系统要采用外扩的以太网控制器。

7．LCD显示模块：由于本系统需要实时显示检测的数据和设备的状态，因此采用了大屏幕LCD显示模块。

三、主要电路介绍

（一）电源电路

本系统包含了很多集成芯片，这就需要电源模块能够提供较大功率的电源。由于各个器件对电平的要求是不一样的，系统需要三种模式的电平：5V、3.3V和1.8V。我们采用的设计方案是由外部提供5V和3.3V的电源，而1.8V的电源是通过MAX8860由3.3V的输入电源转换而得。

（二）以太网接口电路

S3C2410内嵌一个以太网控制器，支持媒体独立接口和带缓冲DMA接口；可在半双工或全双工模式下提供10M/100Mbps的以太网接入，即S3C2410内部实际上已包含了以太网MAC控制，但未提供物理层接口，因此需要外接一片物理层芯片以提供以太网的接入通道。

RTL8019AS以其成熟可靠的性能和低廉的价格占领了全球10M网卡使用的网络芯片的大部分份额，有着极大的应用。所以在我们的设计中选用了这款芯片作为网络接入的以太网控制器。

（三）串行接口电路

要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要RXD、TXD和GND即可，但由于RS-232-C标准所定义的高、低电平信号与S3C2410系统中USB直流电源逻辑定义的高、低电平信号完全不同。S3C2410中定义高电平对应2.5V～3.3V，低电平为0V～0.8V；而RS-232-C标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1”对应-5V～-15V，“0”对应+5V～+15V。要两者进行通信必须经过信号电平的转换，这里采用的电平转换电路为Sipex公司的SP3232E[3]。

S3C2410的UART提供3个独立的异步串行输入输出口，每一个都可工作在中断模式和DMA模式下。如果用系统时钟，UART可支持达230.4Kbps的位速率；如果用外部装置通过UCLK提供的时钟，那么UART可工作在更高的速率。S3C2410可以很方便地用UART实现RS232串口功能，但S3C2410的供电电压为1.8V/3.3V，所以I/O口的最大逻辑电平也是3.3V。

S3C2410自带USB主从接口，不需要专门的USB芯片支持，只要对其安装驱动程序即可进行USB传输数据。本系统中，采用两个USB主机接口、一个USB设备接口。

（四）A／D转换模块

敲击锚杆时产生的振动信号为模拟信号，需要经过滤波电路，然后经过A/D转换器转换成数字信号，而经A/D转换出来的数字信号是串行的，因此要通过FPGA芯片转为并行信号导入CPU。S3C2410集成了一个8路10位A/D转换器，其分辨率为10比特，可通过软件设置为Sleep摸式，可节电减少功率损失，最大转换率为500K，非线性度为正负1位。

锚杆检测仪的传感器工作在8KHz左右，为了计算其受力状况，需要在每次敲击锚杆时采集到足够多的数据，而且这些数据要有相当高的精度。用S3C2410内部集成的A/D转换器不够精确，因此本系统中另外设计的A/D转换模块。这里选用的模数转换器是ADI公司的产品AD7653[4]，具有16位高分辨率、采样转换速度可达1Msps、单极性ADC、带有基准电压源、最大非线性±0.003%、14位无误码、快速转换（转换时间15us）和功耗850mW的特点。

四、结语

本文根据实际需要提出并设计了具有本质安全性的便携式智能无损锚杆检测仪的硬件电路。由于煤矿环境的特点以及时间的原因，本系统还需要软件方面进一步的应用层的开发，从而能真正应用到煤矿井下。

参考文献：

[1]唐照成、徐书谦，煤矿顶板事故成因及预防，煤炭技术，2004,9．

[2]Samsung S3C2410 32-Bit RISC Microprocessor Revision 1.2 Datasheet．

[3]Sipex'SP3222E/3232E True+3.0V to+5.5V RS-232 Transceivers data sheet．

[4]16-Bit 1 MSPS PulSARTM Unipolar ADC with Reference AD7653 data sheet．

作者简介：

李英，女，2007年7月毕业于中国矿业大学，硕士学位，江苏苏州建设交通高等职业技术学校电子系教师，主要从事单片机、电工电子课程的教学工作和科研工作。