【摘要】针对传统掘进机状态监测数据采集器多为隔爆兼本安型产品，产品笨重，数据采集通道少、采样速率和精度低、数据存储和提取困难等问题，设计了一款本安型的高性能掘进机状态监测数据采集器，介绍了数据采集器的总体结构、硬件设计和软件设计。实际应用表明，该数据采集器满足了掘进机状态监测数据采集的使用需求，具有广泛地推广价值。
【关键词】掘进机；状态监测；数据采集器
1.引言
掘进机是煤矿生产的重要设备之一，也是采煤作业实施的前提与基础，掘进机能否正常运行直接关系到整个煤矿的安全生产[1]。掘进机重要部分的液压系统、电气系统以及截割机构的状态直接影响到煤矿的生产效率，为了保证掘进机的正常运行，及时消除和避免故障，提高设备的安全性，减少维护成本，同时为掘进机制造厂商提供可靠的维修和改进依据，必须对掘进机的关键部位进行实时的监测与故障诊断。针对掘进机的工艺流程和结构特点，本文设计了一款矿用本安型掘进机状态监测数据采集器（以下简称采集器），产品外接传感器种类多样，数据传输接口丰富，可以很好的满足掘进机状态监测和故障诊断的实时性和准确性的要求。
2.采集器总体结构
采集器总体结构如图1所示。其中，本安电源模块为外接本质安全型传感器提供电源，数据采集模块负责5路缓变标准模拟量4～20mA信号、3路振动信号的调理和AD转换。数据存储模块将采集到的数据按设定的存储间隔进行打包存储，数据通信模块用于将存储的数据通过有线或者无线的方式导出，人机界面用于采集器的参数设置和实时数据查看等操作。
3.采集器硬件设计
（1）处理器模块
处理器模块是采集的核心部件，承担数据采集、运算、存储、显示和通信等工作，处理器模块采用LPC1788作为核心，LPC1788是恩智浦公司于2011年底推出的业界首款采用ARM CortexTM-M3技术的微控制器。目前已批量上市120MHz的LPC178x系列拥有512kB闪存96kB SRAM和4kB EEPROM 32位外部存储控制器支持SDRAM NOR和SRAM器件提供4种芯片选择[2]，片上集成LCD控制器支持24bpp真彩模式接口，高达1024×768分辨率；同时LPC1788还配备串口、以太网、CAN、USB等常用通信接口，为采集器的设计提供了良好的设计平台。
（2）数据采集模块
数据采集模块用于5路标准4～20mA模拟量信号和3路振动信号的调理和采集。4～20mA标准模拟量信号主要是温度、压力、流量等变送器发出的信息，属于低速信号；振动加速度传感器产生的信号，属于高速信号，加速度传感器用于测量掘进机截割机构3个轴向的振动信号，需要同步高速采样。
采集模块采用AD7606作为核心芯片，AD7606为16位8通道的同步采样A/D转换器，片上集成模拟输入钳位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型ADC内核、数字滤波器、2.5V基准电压源及缓冲、高速串行和并行接口[3]，可以很好地满足采集器数据采集的要求。
4～20mA标准模拟量信号属于低速信号，信号调理电路由取样电阻、缓冲器、1阶RC低通滤波器组成，滤波器截止频率为400Hz。（4～20mA）标准模拟量信号调理电路如图2所示。
振动信号采集接口用于采集KGS18矿用本安型加速度传感器信号，加速度传感器输出信号由12mA的直流偏置信号和0～16mA电流峰峰值的交流信号组成，频率范围为0～3000Hz。振动信号调理电路如图3所示，R1和R2将4～20mA振动信号转换成偏置为1.5V的峰峰值为0～2V的电压信号，电压信号经过LM321缓冲后进入有源低通滤波器。滤波器选用幅频特性良好的巴特沃斯低通滤波器MAX7414。MAX7414是MAXIM公司生产的五阶电容开关低通有源滤波器。转角频率（-3dB对应的频率）范围内即通带内幅度非常平坦，其优良的特性非常适合用于抗混叠滤波的应用领域。MAX7414输出遵循以下公式：
设计中，管脚①COM通过C2接地后：
管脚⑥OS与管脚①COM短接后，，因此滤波器输出为，滤除了1.5V的直流偏置。管脚⑧CLK管脚通过C1电容接地后，滤波器的转角频率：
调理后的电流信号接入AD7606，AD7606外围电路以及与LPC1788的接口电路如图4所示。
AD7606接受到LPC1788的P0.2引脚的启动信号后，开始转换，转换完毕后，通过BUSY引脚向LPC1788的中断引脚发送信号，LPC1788接收到信号后，通过外部总线读取AD7606转换后的数据。
（3）人机界面
人机界面由7寸TFT液晶显示器和4*4行列键盘组成，用于采集器参数设置、历史数据查看等操作。
（4）数据存储模块
数据存储模块由NOR FASH Am29LV160D（16M）、NAND FLASH K9F2G08U0A（256M）组成，NOR FASH用于存储采集器显示的图片以及配置参数、NAND FLASH用于存储采集器采集的传感器数据。
（5）数据通信模块
数据通信模块包括1路以太网通信接口和1路USB2.0通信接口。以太网通信接口用于采集器与主机数据传输，USB2.0通信用于采集器数据导出。
4.采集器软件设计
采集器的软件设计需要用到文件存储系统、TCP/IP网络通信协议、USB2.0通信协议和图形界面显示库。μC/OS-II是一种可移植、可裁剪、抢占式实时多任务操作系统内核，在该内核之上提供了信号量、邮箱等系统服务，可用于管理多达63个应用任务。μC/OS-II还提供μC/FS文件系统模块、μC/GUI图形软件模块、μC/TCP-IP协议栈模块、μC/USB协议栈模块[4]。因此采用μC/OS-II操作系统非常适用于采集器设计。
（1）数据采集任务：该任务定时的启动AD7606进行数据转换，转换结束后，将数据存储到数据缓存区，并向数据存储任务发送信号量，数据采集任务流程图如图6所示。
（2）主机命令响应任务：采集器接收到主机的命令后，根据命令码，执行相应的操作，主机命令响应任务流程图。
（3）键盘响应任务：键盘响应任务扫描键盘，当有按键按下时，键盘响应任务将键值通过邮箱传递给界面显示任务。
（4）界面显示任务：键盘显示任务接收到键盘响应任务发来的键值之后，根据键值调用存储在NOR FLASH图片显示。
（5）U盘监听复制任务：U盘监听复制任务检测到有U盘插入时，自动将NAND FLASH中存储的数据复制到U盘中。
5.结语
本文介绍了一种掘进机状态监测数据采集器的总体结构、硬件电路设计和软件设计，并在EBZ260型掘进机上进行了应用。应用结果表明，采集器数据采集精度高、实时性好、人机界面美观、数据提取方便可靠，可以满足矿用采掘设备状态监测的要求，具有很好的推广价值。
参考文献
[1]于月森，吕威，伍小杰.掘进机远程监控与故障诊断系统设计[J].煤矿机械，2013，34（8）：229-301.
[2]NXP LPC178x/7x preliminary user manual[EB.OL].2011.http：//.
[3]AD7606 datasheet.8-Channel DAS with 16-bit，Bipolar Input，Simultaneous Sampling ADC[D].Analog Device Inc，2010.
[4]郭华，于胜文.基于Cortex M3的矿井压力采集网关设计[J].工矿自动化，2014，40（1）：89-92.
基金项目：国家高技术发展计划（863计划）资助项目“煤炭智能化掘采技术与装备”子课题五“智能化超重型岩巷掘进机研制”（项目编号：2012AA06A405）。
作者简介：郝建生（1977—），男，山西太谷人，硕士，高级工程师，主要从事煤矿悬臂式掘进机研究工作，已发表文章10余篇。