基于Lon Works电力线收发器开发的远程煤矿瓦斯检测系统

1、基于lon works电力线收发器开发的远程煤矿瓦斯检测系统摘要：本文提出了用电力线做数据远传媒介进行煤矿坑道瓦斯在线检测及系统构成原理，介绍了lon works现场总线的技术特点，neuron神经元芯片基本结构和neuron芯片3种通信方式下引脚功能比较，以及电力线数据收发器plt-22的结构；给出了lon works电力线数据传输瓦斯检测系统硬件电路，并说明了信号调理及软件实现方法。关键词：瓦斯在线检测；lon works现场总线；电力线收发器；数据采集和通信；abstract: this paper shows the system of gas detection on-line th

2、rough the media of power lines , introduces the feature of lon works field bus and neuron nerve chip as well as its three communication ways. through the structure of transmitter-receiver plt-22 , a hardware circuit to gas detection system , the signal regulation and software realization are put her

3、e.key words: gas-detection on-line ；lon works field bus；transmitter-receiver by power lines； data collection and communication1 引言煤矿井下瓦斯检测一直以来靠人工用便携仪器随机检测，难于管理，安全性低，至使瓦斯爆炸频频发生，能否在矿井内创建一个实时检测网络对矿井坑道内瓦斯进行在线多点检测？答案是肯定的，但是用无线网络实现，因井下屏蔽及安全问题，不太可能；用计算机网络，其投资很大，本文利用由美国埃施朗（echelon）公司开发的lon works电力线收发器，借助现有的

4、电力线进行组网，实现电力线远程数据采集及数据通讯，以实现远程在线检测矿井坑道瓦斯浓度。2 系统结构图系统由瓦斯检测传感器、信号调理电路、max186a/d转换电路、lonworks电力线数据收发器完成参数测量并通过电力线进行数据远程通讯，其结构如图1所示3 lon works现场总线技术lon works技术是一种现场总线技术，它是用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台，并具有现场总线技术的一切特点，如数字化的信号传输、分散的系统结构、方便的系统互操作性、开放的互联网络、多种传输媒介和拓朴结构等特点，提供neuron芯片，lontalk协议、lonmark互操作标准、lon works电力线

5、收发器、lonbuilder开发工具、lon works网络服务体系架构lns和neuron c编程语言等完整平台，为设计和生产现场总线控制网络提供了保障。lon works现场总线技术，提供了一个开放性的低层通信网络局部操作网络（lon），其通信协议称为lontalk协议，遵循osi网络参考模型的全部七层协议，是直接面向对象的协议；lontalk协议提出了网络变量这一概念，通过网络变量的定义及节点安装时需要进行相互通信的网络变量作一次捆绑，就可实现网络上的数据通信；lonworks协议是公开的，被固化在神经元芯片内1；lonworks现场总线的核心是neuron芯片；neuron芯片是一种超

6、大规模集成电路；neuron神经元芯片的第一代产品为pl3150和pl3120芯片，片上集成了介质访问处理器、网络处理器与应用处理器等3个cpu、存储器、i/o接口等部件；它有效集成了通信、控制、调度和i/o等功能，该芯片固化了lontalk协议；控制网络的每个远程装置均可使用这种芯片，由其提供的i/o接口来实现与传感器、执行器或外部设备之间的数据输入输出，实现各种现场所需要的数据处理和控制算法，并通过嵌入的lontalk协议固件和收发器模块在网络上实现数据通信，neuron芯片的基本结构如图2所示。neuron芯片的cp0cp4是5个通信引脚，可提供单端、差分和特殊应用模式等3种网络通信方式

7、，3种模式下通信口引脚的功能如表1所示； 表1 3种通信方式下引脚功能的比较引脚驱动电流/ma单端模式差分模式特殊模式cp0待添加的隐藏文字内容21.4数据输入数据输入（）数据输入cp11.4数据输出数据输入（）数据输出cp240发送端使能数据输出（）位时钟输出cp340休眠状态输出数据输出（）休眠输出或唤醒输入cp41.4冲突检测输入冲突检测输入帧时钟输出io 0io 10 是11个io引脚，通过编程可配置成34种不同的io对象等，其中的神经元接口io对象，方便地支持了能直接与spi、qspi和micrownie器件（如max168串行ad等）相连接的四线串行接口。plt-22是该公司开发的

8、与pl3150配合实现电力线数据传输的芯片，其结构如图3所示。4 远程数据采集与数据通信的硬件接口（1）由电力线收发器plt-22、neuron芯片pl3150和max186a/d8路a/d转换器芯片组成的远程数据采集应用电路远程数据采集与数据通信的基本硬件电路如图4所示。（2）由于neuron神经元芯片的i/o对象是一个全双工的串行接口，它可在io8脚输出的时钟信号作用下，由io9和io10 两个引脚同步实现将a/d通道地址信息移出和把对应通道的变换数据移入的功能，而max186这种12 位，多通道，全双工的串行a/d集成芯片正好与其兼容，它在sclk时钟信号的作用下，可同步实现将通道地址信

9、息移入芯片和将变换好的数据移出芯片的功能。io9用于串行数据输出，io10串行数据输入，neurons神经元芯片通过与电力线收发器plt-22相连完成远程数据通信功能，需要发送的信号通过耦合电路送到电力线上进行发送，电力线上的信号也可以通过耦合电路被plt-22电力线收发器接收，经过plt-22处理的信号由neurons神经元芯片进行运算处理后，产生的控制信号可送至用户的应用电路以实现其控制功能。同时用io8、io9、io10脚可与pc机进行串行数据通信，因此图4中去掉a/d转换器，用io8、io9、io10与pc机进行232串行数据通信，就是系统图中pc机与电力线之间控制器的结构。5 数据采

10、集与通信的软件实采用neuron c编程语言,用软件方式控制一次数据采集（即a/d变换）的操作步骤：设置max168控制字tb1；使max168的cs变低；发送tb1，并接收一个需忽略的字节rb1；发送全零字节，同时接收rb2；发送全零字节，同时接收rb3；将max168的cs拉高。上述过程得到的字节rb2/rb3是a/d变换结果，利用lonworks技术提供的开发平台从事数据采集和网络通信软件设计很容易,这里就不在叙述。6 瓦斯检测传感器信号调理电路设计信号调理电路主要对输入的多路瓦斯传感器信号进行取样、直流偏置和抗混叠滤波处理，具体电路如图5所示。在直流偏置之前，首先采用精密电阻网络r1和

11、r2对传感器信号进行取样。为了尽可能提高a/d转换精度，减小电路板的体积，系统使用max168片内参考电压vref作直流偏置。在送到运算放大器op2进行直流偏置之前，采用运算放大器op1进行隔离，以确保adc的vref端子没有输入、输出电流，从而保证adc片内精密电压源电压恒定和较高的a/d转换精度。最后，经r5和c1组成rc网络，抗混迭滤波后送到max168进行a/d转换。a/d转换器有8路输入，每路都增加该调理电路。7 结论 lonworks电力线收发器的出现使得电力线成为一种能够可靠地传输数据的通信线，plt-22的传输速率为5kbit/s，拓朴结构为自由结构节点数为32385，本文介绍的应用适用于局域电力网，至于大区域范围的应用，会碰到变压器等设备，可以通过光纤传输方式进行信号转传。neuron神经元芯片和max168组成的远程数据采集装置有效得到了lonworks技术的支持,这不仅能独立地承担现场数据的采集和处理任务，而且还能通过收发器模块和内嵌的lont