1、一種基于RS485總線(xiàn)的液壓支架端頭控制器通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)李文華 許春雨 宋建成 田慕琴（太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024）摘要： 本文分析了液壓支架端頭控制器通訊系統(tǒng)硬件電路的構(gòu)成和通信方法；構(gòu)建了基于RS-485通訊總線(xiàn)的通訊系統(tǒng)；設(shè)計(jì)了硬件電路和相應(yīng)的抗干擾措施，編寫(xiě)了通訊軟件。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)通信距離遠(yuǎn)，傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，可以滿(mǎn)足液壓支架端頭控制器和間架控制器及防爆工控計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)傳輸要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：端頭控制器，液壓支架，串行通信，RS-485總線(xiàn)，通訊 中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：Design of

2、the Communication System of the Electro-Hydraulic Terminal Controller Based on RS-485 BusLI Wen-hua, XU Chun-yu , SONG Jian-cheng, TIAN Mu-qin（College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024）Abstract：The hardware circuit composition and communication met

3、hod of the communication system for the electro-hydraulic terminal controller are analyzed and the communication system based on RS-485 bus has been structured in this paper. In addition, the hardware circuits and the communication software has been programmed, have been designed with the correspond

4、ing. Performance tests have been carried out in the laboratory and the results show that this system is of performances with the long distance, high accuracy and good reliability in data transmission. As a result, this system has met the requirements of accuracy and real time in the data transmissio

5、n between the electro-hydraulic terminal controller and the hydraulic support controller, also between the electro-hydraulic terminal controller and the explosion-proof computer. It is of some practical value.Key word：Terminal Controller，Hydraulic Supports，RS-485 Bus，Communication，MCU1引言 煤礦綜采工作面環(huán)境惡劣

6、，液壓支架數(shù)量多且控制復(fù)雜，目前普遍采用的綜合機(jī)械化采煤工作面與無(wú)人值守采煤工作面相比，其存在自動(dòng)化程度較低，工作強(qiáng)度大，安全性差等問(wèn)題。在綜合機(jī)械化自動(dòng)采煤工作面內(nèi)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)及液壓支架的降柱、移架、升柱支護(hù)頂板、推移輸送機(jī)等工序均需要人工干預(yù)，而無(wú)人值守采煤工作面上述操作將全部由端頭控制器集中控制自動(dòng)完成。無(wú)人值守采煤工作面開(kāi)采技術(shù)必須以強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸通道為依托，完成間架控制器與端頭控制器之間大量狀態(tài)參數(shù)和命令信息傳遞，并保證端頭控制器可以實(shí)時(shí)地把這些數(shù)據(jù)上傳到位于順槽中控室的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)后由工控計(jì)算機(jī)統(tǒng)一指揮工作。針對(duì)無(wú)人值守采煤工作面液壓支架控制要求，本文提出一種基于RS-48

7、5總線(xiàn)的綜采工作面液壓支架端頭控制器通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，效果良好。 2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)液壓支架端頭控制器通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。端頭控制器集中控制所有的間架控制器，通信方式采用主從方式，樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)，所有的間架控制器都掛在端頭控制器的通訊總線(xiàn)上，端頭控制器的通信方式默認(rèn)為發(fā)送狀態(tài)，所有間架控制器通信方式默認(rèn)為接收狀態(tài)。間架控制器在收到端頭控制器發(fā)送的控制信號(hào)后，才能執(zhí)行具體動(dòng)作。端頭控制器與防爆工控計(jì)算機(jī)通訊采用主從方式，端頭控制器通信方式默認(rèn)為接收狀態(tài)，防爆工控計(jì)算機(jī)圖1 液壓支架端頭控制器通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structural drawing of the c

8、ommunication system for the electro-hydraulic terminal controller通信方式默認(rèn)為發(fā)送狀態(tài)。端頭控制器接收到防爆工控計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)后，執(zhí)行防爆工控計(jì)算機(jī)發(fā)送的動(dòng)作命令。建立一套可實(shí)現(xiàn)液壓支架端頭控制器與上位防爆工控計(jì)算機(jī)及多臺(tái)下位間架控制器之間的網(wǎng)絡(luò)通訊。系統(tǒng)基于RS485通信協(xié)議，通過(guò)端頭控制器集中控制液壓支架，同時(shí)端頭控制器還具備與上位防爆工控計(jì)算機(jī)通訊功能，支持防爆工控計(jì)算機(jī)對(duì)液壓支架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。3 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)工作中，液壓支架端頭控制器要通過(guò)間架控制器對(duì)液壓支架的狀態(tài)和動(dòng)作，進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)監(jiān)控。為了提高數(shù)據(jù)處理和

9、數(shù)據(jù)傳輸速度，本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F001作為CPU。單片機(jī)C8051F001的時(shí)鐘頻率可達(dá)25MHz，采用流水線(xiàn)指令結(jié)構(gòu)，70%指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。RS-232通訊協(xié)議支持的通信方式信號(hào)傳輸距離較近，一般不超過(guò)50m，并且抗干擾能力差。與RS-232通信協(xié)議相比，RS-485通信協(xié)議支持的通訊方式，信號(hào)傳輸距離能夠達(dá)到1200m，傳輸距離遠(yuǎn)，而且抗干擾能力強(qiáng)。端頭控制器通訊系統(tǒng)采用MAXIM公司的MAX485芯片作為RS-485通信協(xié)議的收發(fā)器。MAX485是芯片具有強(qiáng)抗干擾能力的低功耗收發(fā)器，支持RS-485通信協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2.5

10、Mbps。MAX485芯片內(nèi)部設(shè)有輸入接收器和輸出驅(qū)動(dòng)器，控制輸入接收器和輸出驅(qū)動(dòng)器的使能管腳是DE和。在使能信號(hào)為禁止?fàn)顟B(tài)情況下，輸入接收器和輸出驅(qū)動(dòng)器處于高阻態(tài)，MAX485芯片的輸入接收器和輸出驅(qū)動(dòng)器可抗kV的靜電沖擊。CPU引腳為T(mén)TL電平，擴(kuò)展一片MAX485芯片作為RS-485通信協(xié)議的電平轉(zhuǎn)換單元；防爆工控計(jì)算機(jī)的串行異步通信基于RS-232標(biāo)準(zhǔn)。兩者通信協(xié)議的邏輯電平不一致，必須進(jìn)行通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換。端頭控制器與防爆工控計(jì)算機(jī)的通訊采用RS-485通信協(xié)議，HXSP-2108B轉(zhuǎn)換器作為RS-485和RS232的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)端頭控制器和防爆工控計(jì)算機(jī)之間的遠(yuǎn)距離傳輸。3.1

11、 RS-485通訊通道設(shè)計(jì)液壓支架端頭控制器通信原理框圖如圖2所示。由于CPU芯片單一的串行通信接口不能滿(mǎn)足上述通訊系統(tǒng)要求，必須通過(guò)VK3212芯片擴(kuò)展成兩個(gè)通訊接口，分別與間架控制器和防爆工控計(jì)算機(jī)通信。CPU的通訊信號(hào)通過(guò)VK3212芯片連接光電耦合模塊和MAX485轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換變成RS485通信協(xié)議信號(hào)，經(jīng)過(guò)防高壓保護(hù)電路后與對(duì)應(yīng)的接口連接。與間架控制器連接的通訊通道用于端頭控制器向間架控制器發(fā)送命令，修改其控制參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)液壓支架動(dòng)作控制及接收間架控制器采集的液壓支架狀態(tài)信息；與防爆工控計(jì)算機(jī)連接的通訊通道用于端頭控制器向防爆工控計(jì)算機(jī)返回液壓支架的狀態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)將由防爆工控計(jì)

12、算機(jī)傳遞到地面監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一處理。無(wú)人值守采煤工作面開(kāi)采過(guò)程中，端頭控制器實(shí)時(shí)向間架控制器發(fā)送控制指令，并根據(jù)間架控制器返回的狀態(tài)，下達(dá)后續(xù)動(dòng)作指令，實(shí)現(xiàn)端頭控制器對(duì)液壓支架的集中控制；另一方面端頭控制器作為防爆工控計(jì)算機(jī)與間架控制器之間的通訊中轉(zhuǎn)站，支持防爆工控計(jì)算機(jī)對(duì)液壓支架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。圖2 液壓支架端頭控制器通信系統(tǒng)原理框圖 The functional block diagram of the communication system for the electro-hydraulic terminal controller3.2 抗干擾電路設(shè)計(jì)針對(duì)RS-485串行通信過(guò)程中共模干擾和

13、總線(xiàn)阻抗匹配所引起的信號(hào)干擾問(wèn)題，系統(tǒng)制定了如下措施：共模干擾RS-485 通訊協(xié)議采用差分方式傳輸信號(hào)，不需要相對(duì)于參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)，接收器只需檢測(cè)兩線(xiàn)之間的電位差。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定傳輸信號(hào)共模電壓應(yīng)小于3V，當(dāng)系統(tǒng)A向系統(tǒng)B 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)A 的輸出存在共模電壓，當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)時(shí)，兩系統(tǒng)的地之間可能存在十幾伏甚至數(shù)十伏電位差。此時(shí)系統(tǒng)B的接收器輸入端共模電壓將會(huì)是兩者之和，并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)，導(dǎo)致系統(tǒng)B共模輸入超出正常工作范圍，并在信號(hào)線(xiàn)上產(chǎn)生干擾電流。但收發(fā)器只能在共模電壓不超出一定范圍(-7V12V)的條件下才能正常工作，否則就會(huì)影響通信的可靠性，甚至損壞接

14、口。針對(duì)這一問(wèn)題，本系統(tǒng)作如圖3處理，將系統(tǒng)A和系統(tǒng)B的信號(hào)地連接，以消除高阻型共模干擾；為了消除低阻型共模干擾，采用浮地技術(shù)，隔斷接地環(huán)路，將干擾源浮置起來(lái)，即將系統(tǒng)的信號(hào)地與大地隔離，隔斷了接地環(huán)路，避免形成很大的環(huán)路電流?？偩€(xiàn)阻抗匹配RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接收器的門(mén)限為200mV，具有良好的噪聲抑制能力。但當(dāng)接收器接收到的總線(xiàn)電壓信號(hào)在200mV中間時(shí)，接收器會(huì)導(dǎo)致不確定的輸出狀態(tài)，而UART串行通訊時(shí)序以一個(gè)前導(dǎo)“0”觸發(fā)接收動(dòng)作，所以接收器的不定態(tài)可能會(huì)使UART串行通訊錯(cuò)誤地接收一些數(shù)據(jù)，導(dǎo)致誤操作。系統(tǒng)器件連接方式如圖3 所示，在引腳A上接上拉電阻（典型值20k），在引腳B上接下拉

15、電阻（典型值20k），在引腳A和引腳B之間接匹配電阻（典型值120），既吸收總線(xiàn)上的反射信號(hào)，消除毛刺信號(hào)，保證信號(hào)正常傳輸，沒(méi)有信號(hào)傳輸時(shí)增大引腳A和引腳B之間的壓差，使干擾信號(hào)很難產(chǎn)生串行通信的起始信號(hào)“0”，增加了總線(xiàn)抗干擾能力。圖3 RS-485通信電路框圖Fig.3 The communication circuit diagram of RS-4853.3 接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)為滿(mǎn)足系統(tǒng)串口擴(kuò)展和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，系統(tǒng)采用VK3212芯片作為擴(kuò)展芯片，其主接口為標(biāo)準(zhǔn)的三線(xiàn)UART接口（RX，TX，GND），無(wú)需其它地址和控制信號(hào)線(xiàn)。具有可編程波特率設(shè)置功能，最高數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)1M b

16、it/s。VK3212芯片母串口和子串口的工作波特率可以由軟件調(diào)節(jié)，不需要修改外部電路和晶振的頻率。通過(guò)芯片內(nèi)置的協(xié)議處理器實(shí)現(xiàn)多串口擴(kuò)展,不需地址線(xiàn)控制。兩個(gè)子串口均為全雙工，每個(gè)子串口可以通過(guò)軟件開(kāi)啟和關(guān)閉，波特率可以獨(dú)立設(shè)置，子串口最高可達(dá)920K bps。VK3212芯片內(nèi)部設(shè)有兩級(jí)中斷：子串口中斷和全局中斷。當(dāng)IRQ引腳指示有中斷時(shí)，通過(guò)讀取全局中斷寄存器GIR以判斷當(dāng)前中斷類(lèi)型，去讀取相應(yīng)的中斷狀態(tài)寄存器，以確定當(dāng)前中斷源。VK3212芯片的每個(gè)子串口都有獨(dú)立的中斷系統(tǒng)，當(dāng)任意一個(gè)中斷使能后，滿(mǎn)足中斷條件就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷，執(zhí)行讀/寫(xiě)操作，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。通訊接口擴(kuò)展具體連

17、接方式如圖4所示。將引腳IR設(shè)為低電平選擇普通UART通訊模式；中斷指示引腳IRQ與CPU的INT1引腳連接，用于傳遞中斷信號(hào)，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸能力；VK3212芯片與CPU之間做共地處理。寫(xiě)操作時(shí)，先向VK3212的RX寫(xiě)入一個(gè)命令字節(jié)（Command Byte）,隨后寫(xiě)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)字節(jié)；讀操作時(shí)，先向VK3212的RX寫(xiě)入命令字節(jié)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)字節(jié)從TX讀取?？筛鶕?jù)寫(xiě)入命令字選擇不同的子串口通道號(hào)、子串口寄存器地址、寫(xiě)入/讀取FIFO的數(shù)據(jù)字節(jié)個(gè)數(shù)。圖4 通訊接口擴(kuò)展示意圖 The expansion diagram of communication interface4通訊軟件設(shè)計(jì)為

18、驗(yàn)證系統(tǒng)通訊電路設(shè)計(jì)的可靠性，編寫(xiě)系統(tǒng)調(diào)試通信軟件。通訊過(guò)程以本系統(tǒng)為主通訊裝置向下位機(jī)間架控制器發(fā)送十六個(gè)數(shù)據(jù)，并由間架控制器將所接收數(shù)據(jù)依據(jù)接收順序返回，主通訊裝置所發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的0X20-0X2F單元，接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的0X30-0X3F單元。端頭控制器與間架控制器通信采用主從方式，端頭控制器的通信方式默認(rèn)為發(fā)送狀態(tài)，所有間架控制器通信方式默認(rèn)為接收狀態(tài)，間架控制器接收到端頭控制器發(fā)送的控制信號(hào)后，執(zhí)行發(fā)送動(dòng)作。軟件共包括四部分：主程序，中斷處理程序，數(shù)據(jù)發(fā)送程序，數(shù)據(jù)接收程序。軟件主程序流程圖如圖5a所示：系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化設(shè)置和系統(tǒng)資源的分配；隨后向間架控制器發(fā)送

19、一個(gè)數(shù)據(jù)，同時(shí)，傳送數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器減1，判斷此時(shí)數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，如果沒(méi)有發(fā)送完畢再次向間架控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，如果發(fā)送完畢則向間架控制器發(fā)送返回?cái)?shù)據(jù)命令，判斷此時(shí)數(shù)據(jù)是否接收完畢，如果沒(méi)有接收完畢則返回上一級(jí)再次判斷數(shù)據(jù)是否接收完畢，如果此時(shí)數(shù)據(jù)接收完畢則結(jié)束。系統(tǒng)中斷處理程序流程圖如圖5b所示：系統(tǒng)在接收到中斷信號(hào)后，關(guān)閉所有中斷并保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，讀取中斷標(biāo)志寄存器，判斷中斷是否為數(shù)據(jù)接收中斷，如果中斷為數(shù)據(jù)接收中斷，接收數(shù)據(jù)，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，開(kāi)所有中斷，最后跳出中斷，如果中斷不是數(shù)據(jù)接收中斷，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，開(kāi)所有中斷，最后跳出中斷。a b 圖5主程序和中斷處理程序流程圖 The program flow dia

20、gram of main program and Interrupt Process數(shù)據(jù)接收程序流程圖如圖6a所示。數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖6b所示。 a b 圖6數(shù)據(jù)接收與發(fā)送程序流程圖 The program flow diagram of data reception and transmission process5實(shí)驗(yàn)結(jié)果為檢測(cè)本設(shè)計(jì)的合理性，依據(jù)第4節(jié)所設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：由本系統(tǒng)為主通訊方式向下位機(jī)間架控制器發(fā)送十六位數(shù)據(jù)，并由間架控制器將數(shù)據(jù)依據(jù)接受順序返回，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的0X30-0X3F中，所發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的0X20-0X2F中。實(shí)驗(yàn)得到的傳輸與返回?cái)?shù)據(jù)截圖如圖7所示：左側(cè)為地址編碼，右側(cè)為通訊過(guò)程中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳遞準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸，而且還能通過(guò)主干網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備