张 珂， 赵雪悦， 骆 洲

(上海应用技术大学 机械工程学院，上海 201418)

矿井监控是矿下安全作业和高效产能的重要保障之一。世界各主要产煤国对此都十分重视[1]。环境安全、轨道运输、提升运输、供电、排水、矿山压力、水灾、火灾、煤矿瓦斯、大型机电设备健康状况等监控设备组成的矿井监控系统，提高了生产率和设备利用率，保障了矿山安全[2-4]。矿井下的信息显示设备在整个系统中的作用更是十分重要，该设备要有本质安全的特性，同时还要将纷杂的信息及时直观地传递给各个区域的工作人员，安全稳定的矿下信息显示设备是井下安全作业必不可少的工具之一。

目前的矿下信息显示设备，为了配合RS-485的通信模式，多采用简单稳定的可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)触摸屏来实现和上位机PLC的通信交流[5]。然而PLC触摸屏不属于本质安全型(本安型)设备，在设计使用时要用隔爆玻璃将PLC触摸屏封装起来，以达到隔爆安全要求。这类装置的缺点在于，显示装置受PLC触摸屏的大小限制，屏幕上很难直接显示所有信息，只能选择性的将重要的信息进行传递显示；其本身不属于本安型设备，在矿下只能将其用隔爆玻璃封装，这将会大大降低显示功能和增加成本。本文提出的矿用信息显示板由LED灯和数码管构成，利用复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device，CPLD)的多引脚和74hc573配合实现多输出显示的功能，满足矿下大量信息的显示要求。同时针对通信模块进行滤波稳压设计满足对脉冲群干扰、静电放电干扰、辐射电磁场干扰、快速瞬变干扰和浪涌等情况的抗干扰要求[6]。由于该设备的设计本身需要具有本安型的设备特性，要求上电瞬间产生的火花和热效应不能点燃周围的爆炸性混合物[7]，设计电路供电模块中也需要考虑瞬态变化对显示装置的影响。

1 本安型矿用信息显示板方案设计

1.1 显示板面板

矿井下的信息纷杂，需要实时交流的信息很多，所以面板要尽量显示充足的信息，其面积可以做的大一点，大量的位置信息使用LED灯来表示。本文设计的本安型矿用信息显示面板方案见图1，内容包括要罐位置、去往目的地、工作方式和信号种类等，其中要罐速度、中段位置运行状态、故障种类以及故障发生的位置等细节都可以显示。市场上现有的显示屏只能选择性显示部分重要的信息(见图2)，本文提出的设计方案解决了现有商品显示内容单一、资源展示不丰富的问题。本安型矿用信息显示屏面板整个电路设计是以MSP430f149为核心搭建，MSP430f149具有低功耗、低电压的优点，可以大大降低矿下产生电火花的潜在危险[8]。

图1 矿用信息显示板面板设计图

图2 目前市场上的显示面板

1.2 显示板面板电子系统控制方案设计

通信协议遵循Modbus-RTU的通信协议，使用RS-485的线路长距离传输。上位机将信号传入网络，经由地址对接后由通信模块对传输的信息进行滤波，再将滤波后的信息处理成单片机可以接受的信号，单片机收到滤波处理后的信号后，对送来的数据进行识别和处理并进行分类，将收到的数据区分为传输地址和传输数据。再将区分后的传输数据，依据其相应的地址传输给需要显示的地段。单片机将其中由动态显示模块显示的数据，传输给数码管动态显示模块，再将其他信息后整理好后打包传输给CPLD，CPLD对数据进行识别，再将每组数据转化成数字信号传输给相应的74hc573驱动芯片，再控制选择打开正确地址的74hc573芯片，74hc573输出电平控制相应的LED灯的亮灭。

显示面板中接收数据的报码频率可以由调码模块进行调整。而收到的数据，会及时传输给存储单元中的存储元件K24C02由其存储，以保证显示板受到干扰后可以及时恢复。预留了JTAG接口方便调试。因为单片机是集成到电路板上，所以设计了包含CH340芯片的下载电路，由计算机将程序烧录到单片机里面，方便批量生产。设计方案如图3所示。

图3 矿用显示面板电子系统控制方案

1.3 主控芯片选型分析

MSP430是美国德州仪器公司生产的超低功耗高性能的16位微处理器，它的工艺涉及了人机交互界面、嵌入式软件工程、超低功耗单片机系统、超低功耗外围电路等技术。

MSP430的16 位定时器中断可用于时间计数、时序发生等。MSP430的应用范围不断扩大，主要因为其具备以下的特点：

(1)功耗低。典型功耗例如电压2.2 V、时钟频率1 mHz条件下,活动模式为0.2 mA,关闭模式仅为0.1 μA，且具有5种节能方式。

(2)高效的16位RISC-CPU。例如27条指令，时钟频率8 mHz条件下,指令周期时间为125 ns,绝大多数指令在一个时钟周期内完成。时钟频率为32 kHz时，16位MSP430的执行速度甚至能高于典型的8位单片机时钟频率20 mHz时的执行速度。

(3)低电压供电、宽工作电压范围: 1.8～3.6 V。

(4)灵活的时钟系统(2个外部和1个内部时钟)。

(5)低时钟频率可实现高速通信。

(6)具有串行在线编程能力。

(7)强大的中断能力。

(8)唤醒时间短,从低功耗模式下唤醒仅需 6 μs。

(9)ESD 保护,抗干扰能力强。

1.4 CPLD芯片选型分析

CPLD是从PAL和GAL器件发展出来的器件，规模相对较大，结构复杂，是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路，属于大规模集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆(“在系统”编程)将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。

EPM570是Altera公司推出的一款CPLD芯片，属于该公司的MAX II系列芯片产品。MAX II系列是目前成本最低的CPLD，其设计基于突破性的新型CPLD架构，提供目前业界所有CPLD中单个I/O管脚最低成本和最小功耗。和前一代MAX相比，通过采用低功耗处理技术，MAX II成本减半，功耗只有前一代器件的1/10，具有2倍于前者的性能，并且上电即用、非易失性，能用于通用的低密度逻辑应用环境。

MAX II系列还将其成本和功耗优势引入了高密度领域，使设计者可以采用MAX II系列替代高成本或高功耗的ASSP和标准逻辑器件。EPM570由于本身共有570个LEDs而得名。根据上文的产品功能分析及要求，本研究选用了MAX II系列中的EPM570芯片。

2 本安型矿用信息显示板的硬件设计

新型本安型矿用信息显示板要满足安全防爆规范，需要限制其能量，使其在正常运行或在标准试验条件下，所产生的火花或热效应均不能点燃周围爆炸性混合物，所以显示板的外接电路部分是非常重要的[9]。该设备的外接电路主要有2个模块：电源电路和通信电路。

2.1 电源电路设计

电源电路是整个显示面板设计中最重要的部分。如图4所示，整个显示面板的电源供电来源于系统的24 V电压，电源电路中主要使用元器件K7803，将外部的24 V电压转化输出为3.3 V的工作电压。

锁存器的供电电压也采用3.3 V电压，降低输出功耗。将电感与电容搭载构成稳压模块，确保输出的电压恒定，由于在矿下作业存在脉冲干扰和静电放电干扰，电源的电路设计需要具有抗干扰的安全特性。

2.2 通信电路设计

通信电路的设计如图5所示，以带有光耦隔离功能的的元器件TD301D485H为核心，TD301D485H可以将显示面板与现场的其他设备隔离开。考虑到外部存在浪涌干扰和静电干扰，电路中增加了瞬态抑制二极管和气体放电管。通信信号由TD301D485H元器件处理后传输给单片机，该器件是整个设备的信号传输核心，对信号的滤波抗干扰处理需要慎重。

图4 电源电路图

图5 隔离滤波通信电路原理图

2.3 多输出控制电路设计

如图6所示，将MSP430的10个引脚与采用EPM570T144C05N型号芯片的CPLD的10个引脚相连。其中的8个引脚作为通信通道(DD)：[P0.0，P0.1，P0.2，…，P0.7]，其他2个引脚分别作为地址数据辨别端口(WR)和时钟输入端口(SLK)。数据依照时钟节奏输入过去，WR给低电平时表示通信通道DD在传输数据，WR给高电平时表示通信通道DD在传输地址。SLK给高电平时EPM570读取通信通道DD，SLK低电平时EPM570不读取。时序图如图7所示。

由于需要控制的LED灯过多，144个引脚的EPM570元器件不能直接连接所有LED灯；而且即使引脚足够，如果每一个引脚都直接连接LED或数码管，也会存在供电不足的情况。故需要利用74hc573的锁存特性与CPLD配合，来实现对几百个LED以及数码管的显示控制。将每个74hc573锁存器的8个引脚数据输入端分别与EPM570的8个引脚连接，即每个锁存器共用一个数据输入口。再将每个74hc573的锁存控制引脚分别连上EPM570的其他引脚，如图8所示，在控制时将数据传输给所有锁存器共用的8个数据输入端口，根据地址选择将哪个锁存器打开。此种设计不仅实现了上百个LED的输出控制，同时还利用74hc573的供电解决了LED供电不足的问题。

图6 MSP430与CPLD的引脚连接示意图

图7 MSP430与CPLD的通信连接时序图

图8 EPM570与74hc573电路连接示意图

3 软件设计

3.1 MSP430与CPLD的通信编程设计

在对MSP430芯片的编程过程中，考虑到程序开发效率及可维护性，采用C语言进行程序设计。如图9(a)所示，MSP430在启动后会对通信程序以及数据传输模块进行初始化，芯片进入等待接收数据的状态，接收到数据之后单片机会把程序进行打包和分类，将地址位符合动态显示要求的数据输送给动态显示模块，再将其他数据打包传输给CPLD之后再接收数据，如此循环。

CPLD在接受到需要接受数据的信号之后开始读取WR和DD管脚，根据WR的电平高低区分管教的数据是表示地址还是数据。再将每一组数据根据其地址分配给电路板上相应的锁存器。其主程序框图如图9(b)所示。

图9 控制程序流程图

3.2 数码管软件设计

数码管的软件设计相对比较简单，成句的程序主要是依托于之前的硬件设计，主要是使用74hc573的锁存器将2种输出电平轮换交替分别输出给数码管的段选和位选，然后保证10 ms的闪烁，就可以利用动态扫描方式完成多位数码管的显示。

3.3 存储模块软件设计

存储的元器件使用24C02，该款元器件目前使用较多，在市场上成本较低。编写的方式是将IIC协议作为编写的基础，利用IIC协议的两线传输，分别利用SCL的时钟信号和SDA的数据信号将要传送的数据送到存储元器件的各个页地址，读取的时候直接将所有地址读出来，24C02有2 Kb的数据存储空间，足够存下通信的数据。

3.4 PLC的软件控制设计

井口/井下的功能相近，该部分系统的功能主要包括井口收到各水平的指令申请，将收到的申请进行确认发送到给绞车房的操作台；罐笼移动到要罐位置后再由该中段发出对罐信号。其程序结构图10所示。

图10 井口/井下的PLC程序流程图

4 调试与实验

该矿用信息显示面板首先对上位机传输来的大量信息排除干扰，再进行整理，最后将整理好的信号分类，进行完整的显示，能够在保证电路环境稳定的前提下对信号进行及时的传递,确保井下信息传递安全。该设备经过长时间的实验，可以实现信息的稳定传递和显示。如图11所示，其电路上的灯光全部显示且稳定无遗漏，数字信息传递无误。

图11 新本安型矿用信息显示板

5 结 语

本研究设计的新型本安型矿用信息显示板设计合理、技术先进、通信便捷、信息显示完全，能够在井下安全稳定工作，同时还可以保障信息传递的完整性。该设备已进入矿下实际应用环节，某地“防爆提升信号系统项目”已经使用该设备正常运行一年，效果良好，整个系统运行稳定，使用状况良好，信号输出稳定，无意外情况，满足项目预设要求。在矿下这种复杂环境下，该设备本安型特点尤为突出，能够很好地满足复杂的煤矿建设综合自动化的信息传递显示需求。