专利名称：一种液压支架电液控制器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电液控制器及其控制方法，尤其是一种用于煤矿井下的液压支架
电液控制器及其控制方法。
背景技术：
煤矿井下液压支架电液控制系统是国内外煤炭开采机械化领域中，实现综采工作 面无人值守工作的关键技术，是提高生产效率的重要途径。 现有煤矿井下工作面电液控制器是由主控制装置和接口装置两部分构成，每个电 液控制器是通过三路通信连接，即电液控制器分别与设在左边的电液控制器连接通信、与 设在右边的电液控制器连接通信、与端头控制器的连接通信。这三路通信是通过一个多总 线UART串口扩展芯片把主控制装置的一路UART扩展为三路UART，分别按照上述三路连接 通信，但这个多总线UART串口扩展芯片将原有波特率亦分成三份于每路，降低了通信数据 传输的速度，影响了操作支架的实时性。 RS-485标准规定接收器门限为士200mV，这样能够提供较高的噪声抑制能力，当
总线电压在士200mV之间时，接收器输出状态不确定，会错误的接收一些数据。另外，煤矿
井下干扰信号大，高压容易侵入RS-485总线，这样会损坏电液控制装置。 其次，现有电液控制器的键盘功能键不建全，没有电液控制器的参数设置功能。按
键电路简单，无按键判断功能，按键操作可靠性低，容易引起误操作，造成人员伤亡或其它
事故的发生。 最后，现有电液控制器的显示界面信息量小，其显示界面不仅显示当前被操作的 液压支架号、液压支架的动作状态，但未能实时显示当前被操作液压支架的立柱压力、推镏 的位移距离和采煤机的位置。这样液压支架电液控制器的操作不直观，无法让操作工人实 时监控综采工作面的液压支架。 上述现有液压支架电液控制器的构成使各电液控制器之间通信抗干扰能力差，降 低了液压支架操作的安全性和液压支架之间数据传输的可靠性，影响了对综采工作面液压 支架的实时监控，从而严重制约了矿井生产安全性、可靠性和生产效率的提高。
发明内容
对上述液压支架电液控制器的通信波特率低，抗干扰能力差，按键功能不健全，操 作可靠性低，显示界面信息量小的问题，并提供一种液压支架电液控制器及其控制方法。
实现本发明所称的一种液压支架电液控制器是由主控制装置通过SPI接口单元 连接接口装置构成；第一电液控制器中的接口装置UART1与第二电液控制器中的接口装置 UARTO连接，第二电液控制器中的接口装置UART1与第三电液控制器中的接口装置UARTO连 接，依次相互连接至电液控制器N，其中 所述的接口装置是电源供给单元分别与微控制器单元、LCD显示单元、键盘接口单 元和两个RS-485通信单元的电源和地连接；键盘接口单元和LCD显示单元分别通过并行总线与微控制器单元连接；SPI通信单元直接与微控制器单元对应管脚连接；两个RS-485通 信单元通过串行总线分别与微控制器单元的UARTO和UART1相连接； 其中，所述的电源供给单元是通过插座引入12V电源，通过三端稳压器将12V电源 转换成3. 3V和5V ;3. 3V输出电路和5V输出电路之间用单点接地连接；
所述的微控制器单元是晶振电路、复位电路以及用于调试的JTAG接口电路分别 连接到MCU的相应管脚； 所述的LCD显示单元是LCD显示器的八位数据线通过电平转换电路与MCU的低八 位数据线相连接，LCD显示器的控制总线与MCU的I/O 口相连接； 所述的键盘接口单元是MCU通过电平转换电路与矩阵式键盘电路的扫描端相连 接，矩阵式键盘电路的驱动端经按键判断电路和电平转换电路与MCU相连接，其中，按键判 断电路由非门通过或门和与非门相连接； 所述的两个RS-485通信单元是RS-485总线驱动器通过逻辑隔离单元与MCU的串 行接口相连接，RS-485总线驱动器输出端通过失效保护电路与防高压侵入电路相连接，其 中， 一个RS-485通信单元的失效保护电路由三个电阻构成， 一个电阻接于RS-485总线驱动 器的A、 B两端，A端接一个上拉电阻，B端接一个下拉电阻；防高压侵入电路是TVS 二极管 通过热敏电阻与玻璃放电管相连接构成；另一个RS-485通信单元的失效保护电路由三个 电阻构成， 一个电阻接于RS-485总线驱动器的A、B两端，A端接一个上拉电阻，B端接一个 下拉电阻，防高压侵入电路是TVS 二极管通过热敏电阻与玻璃放电管相连接构成。
—种实施权利要求1所述的液压支架电液控制器的控制方法，该方法首先将主控 制装置和接口装置之间通过SPI通信，接口装置向主控制电路发送控制命令，主控制装置 向接口装置实时发送当前受控液压支架的推移行程参数、立柱压力参数、执行动作参数以 及采煤机位置参数，对受控液压支架状态进行实时监控； 其次，各接口装置之间采用RS-485协议通信，主主通信方式通信，每个接口装置 都可以作为主机，通过操作键盘直接向相邻的接口装置发送数据或命令；也都可以作为从 机，接收相邻主机发送的数据或命令实现对液压支架的控制。
其中，一个接口装置不能同时既为主机，又为从机。 —种液压支架电液控制器的优点和积极效果在于其接口装置的键盘接口单元设 有30个按键，不仅操作液压支架的功能键齐全，而且有电液控制器的参数设置功能。在键 盘驱动端和MCU之间的按键判断电路将驱动信号分成两路，经按键判断电路的逻辑校验， 两路驱动信号一致为按键有效，这样有效的防止了按键的误操作，提高了操作电液控制器 的可靠性，使电液控制器更好的适用于煤矿开采环境。 其接口装置的显示界面不仅显示当前被操作的液压支架号、液压支架的动作状 态，还实时显示当前被操作液压支架的推移行程、立柱压力和采煤机的位置。电平转换电路 将3. 3V电平转换成5V电平，加强了传输数据的抗干扰能力。LCD显示界面直观便捷，有利 于对综采工作面液压支架的实时监控。 RS-485标准规定接收器门限为士200mV，这样能够提供较高的噪声抑制能力，当 总线电压在士200mV之间时，接收器输出状态不确定，会错误的接收一些数据。其RS-485 接口单元中的失效保护电路是在RS-485总线驱动器的A、B两端接一个电阻，A端接一个上 拉电阻，B端接一个下拉电阻，这样保证RS-485总线电压大于士200mV，从而解决了错误接受数据的现象。 另外，井下干扰信号大，高于接口装置的电压容易侵入RS-485总线，损坏接口装 置，为此设计了 RS-485接口单元中的防高压侵入电路。当RS-485总线侵入高于接口装置 的电压时，此电压经由共模防护D3、 D5、 D8、 Dll和差模防护D6、 D10被大大削弱，再经过热 敏电阻R23、R33、R36、R25限流和TVS 二极管D4、D9、D12、D7 二次限压后，到RS-485总线驱 动器U18、 U20的电压被钳制在6. 8V左右，实现对接口装置的保护。 —种用于液压支架电液控制器的控制方法的优点和积极效果在于电液控制器在 通信控制上连接方式为接口装置控制上有两个UART，分别与左右相邻电液控制器的接口装 置连接通信，主控制器的UART与端头控制器连接通信，其三路通信的波特率都可以设置为 最高，避免了总线UART串口扩展芯片将原有波特率分成三份，提高了通信数据传输速度， 并且接口装置之间采用主主通信方式，实现了任一架液压支架对其相邻液压支架直接、快 捷的控制以及对液压支架成组程控。接口装置和主控制装置之间通过SPI通信，SPI通信 采用的是MCU内部的4线全双工串行总线，具有冲突检测功能，最大数据传输率是系统时钟 频率的二分之一，接口装置向主控制电路发送控制命令，主控制装置再向接口装置实时发 送当前受控液压支架的推移行程参数、立柱压力参数、执行动作参数以及采煤机位置参数， 实现了对综采工作面液压支架的实时监控。
图1是本发明电液控制装置的结构示意图； 图2是本发明电液控制器接口装置的结构示意框图； 图3是本发明电源供给单元的结构原理示意图； 图4是本发明微控制器单元及SPI接口单元的结构原理示意图； 图5是本发明LCD显示接口单元的结构原理示意图； 图6是本发明键盘接口单元的结构原理示意图； 图7是本发明两个RS-485通信单元的结构原理示意图。
具体实施例方式
本发明结合附图用实施例来进一步详细描述，本领域的技术人员在阅读了本具体
实施例后，能够再现本发明的技术方案是显而易见的，其效果也能够同时得到体现。
实施例1 本发明一种液压支架电液控制器是由主控制装置通过SPI接口单元连接接口装 置构成，电液控制器中的接口装置UART1与第二个电液控制器中的接口装置UART0连接，第 二个电液控制器中的接口装置UART1与第三个电液控制器中的接口装置UART0连接，依次 相互连接至电液控制器N，其中 电液控制器接口装置如图2所示，包括电源供给单元、微控制器单元、SPI通信单 元、LCD显示单元、键盘接口单元以及两个RS-485通信单元。电源供给单元分别与微控制 器单元、LCD显示单元、键盘接口单元和两个RS-485通信单元的电源和地连接；键盘接口单 元和LCD显示单元通过并行总线与微控制器单元连接；SPI通信单元由微控制器单元引出， 与主控制装置连接；两个RS-485通信单元通过串行总线分别与微控制器的UART0和UART1相连接。其中所述电源供给单元用于给其他各单元供电，包括3. 3V输出电路和5V输出电 路；所述微控制器单元用于控制其他各单元相互协调工作，包括MCU、晶振电路、复位电路 以及用于调试的JTAG接口电路；所述的LCD显示单元用于显示液压支架的当前参数(包 括位移、压力、执行动作、采煤机位置等)，包括电平转换电路、LCD显示器；所述的键盘接口 单元用于人对液压支架状态操作与数据输入，包括电平转换电路、矩阵式键盘电路、按键判 断电路；所述的RS-485通信单元用于各接口装置之间数据和命令的传输，包括逻辑隔离电 路、RS-485总线驱动器、失效保护电路和防高压侵入电路。 电源供给单元如图3所示，包括3.3V输出电路和5V输出电路。12V外部电压通 过插座Hl引入电路中，5V输出电路是经保险丝Fl、电容C2、电阻Rll、二极管Dl和电容C4 接入三端稳压器U5的输入端，三端稳压器U5的输出端接电容C3和电容C5，保险丝F1起 过流保护作用，二极管D1为防止反向电压输入，损坏三端稳压器U5，三端稳压器U5把12V 电压转换成5V电压，电容C3和电容C5起稳定输出电压VCC的作用。3. 3V输出电路是经 保险丝Fl、电容C2、电阻R13、二极管D2和电容Cll接入三端稳压器U6的输入端，三端稳 压器U6的输出端接电容C9、电容C12，然后经电阻R12和电阻R14接电容C10和电容C13。 保险丝F1起过流保护作用，二极管D2为防止反向电压输入，损坏三端稳压器U6，三端稳压 器U6把12V电压转换成3. 3V电压，电容C9和电容C12起稳定输出电压VDD的作用，后接 的电阻R12和电阻R14把数字电压VDD和模拟电压AV+隔离，电容C10和电容C13起稳定 模拟电压AV+的作用。电阻Rll和电阻R13使12V、3. 3V、5V电压的单点接地。三端稳压器 BA033T U6和BA05T U5的输出电流可达1A，满足装置的供电要求。 微控制器单元及SPI通信单元如图4所示，包括MCU U11、晶振电路Y1、C55、C56、 复位电路U12、 S31、 R16、 R17、 SPI通信单元H2以及用于调试的JTAG接口电路H3、 R15，其 中所述MCU Ull采用了美国Cygnal公司的混合信号S0C型单片机C8051F020，该芯片集成 了两个多通道ADC子系统、两个电压输出DAC、两个电压比较器、两个UART、SPI总线接口、5 个通用的16位定时器、8个8位通用数字I/O端口和64KB FLASH程序存储器以及与8051 兼容的高速微控制器内核，MCU Ull的4个低端1/0端口的每个引脚既可以被定义为通用 的端口 1/0引脚，也可以被分配给一个数字外设或功能，在本装置中MCU Ull的全部O 口引 脚和两个1 口引脚分配给了 UARTO、 UART1、 SPI、 INTO和INT1等功能来满足接口装置的要 求；所述复位电路采用MAXM公司的MAX708U12芯片，既可手动复位，还能在掉电及降压情 况下提供复位信号；所述SPI通信单元H2直接与MCU Ull中经交叉开关配置成MISO、MOSI、 CLOCK和NSS功能的I/O 口相连接。 LCD显示单元如图5所示，包括电平转换电路U13和LCD显示器P6，其中所述的 LCD显示接口单元LCD显示器P6的八位数据线通过电平转换电路U13与MCU Ull的P3 口 (低八位数据线)相连接，LCD显示器P6的控制总线与MCU Ull的P2. 3、 P2. 4、 P2. 5 口相 连，LCD显示器P6主要显示当前被操作的液压支架号、液压支架的动作状态，还实时显示当 前被操作液压支架的推移行程、立柱压力和采煤机的位置，电平转换电路U13把3. 3V电平 转换成5V电平，加强传输数据的抗干扰能力。 键盘接口单元如图6所示，包括电平转换电路U7、U8、矩阵式键盘电路P11、 Sl S30和按键判断电路U1、U2、U3，所述键盘接口单元，MCU Ull通过电平转换电路U7与矩阵 式键盘电路Pll、 Sl S30扫描端相连接，矩阵式键盘电路Pll、 Sl S30驱动端经按键判断电路U1、U2、U3通过电平转换电路U8与MCU Ull相连接，其中按键判断电路由非门U2 经或门Ul和与非门U3构成，在矩阵式键盘电路P11、S1 S30驱动端和MCU Ull之间的按 键判断电路Ul、 U2、 U3把驱动信号分成两路，经按键判断电路的逻辑校验，两路驱动信号一 致为按键有效，这样有效的防止了按键的误操作，提高了操作电液控制器的可靠性，使电液 控制器更好的适用于我国煤矿开采环境；电平转换电路U7、U8实现3. 3V电平和5V电平之 间的相互转换，加强传输数据的抗干扰能力；矩阵式键盘电路有30个按键，不仅操作液压 支架的功能键齐全，而且有电液控制器的参数设置功能，分别包括移架、推镏、升架、降架、 伸平衡千斤顶、收平衡千斤顶、伸一级护帮、收一级护帮、伸二级护帮、收二级护帮、伸侧护 帮、收侧护帮、伸伸縮梁、收伸縮梁、提底、喷雾、测距等17个功能按键、5个单架或成组操作 按键和8个参数设置按键。 所述的两个RS-485通信单元如图7所示，包括逻辑隔离单元U14、 U15、 U16、 U19、 U21、 U22、 RS-485总线驱动器U18、 U20、失效保护电路R271、 R27、 R272、 R273、 R274、 R30和 防高压侵入电路D3、 D9、 R23、 R33、 DIO、 D4、 D5、 D12、 D7、 R36、 R25、 Dll、 D6、 D8 ;RS-485总线 驱动器U18、U20通过逻辑隔离单元U14、U15、U16、U19、U21、U22与MCU Ull的串行接口相 连接，RS-485总线驱动器U18、 U20输出端通过失效保护电路R271、 R27、 R272、 R273、 R274、 R30与防高压侵入电路D3、 D9、 R23、 R33、 DIO、 D4、 D5、 D12、 D7、 R36、 R25、 Dll、 D6、 D8相连， 其中失效保护电路是在RS-485总线驱动器U18、 U20的A、 B两端接一个电阻R27、 R30， A 端接一个上拉电阻R271、 R273， B端接一个下拉电阻R272、 R274，这样保证RS-485总线驱 动器U18、 U20的A、 B端之间的电压大于士200mV，从而解决了错误接受数据的现象；另外， 煤矿井下干扰信号大，高于接口装置的电压容易侵入RS-485总线，这样会损坏接口装置， 为此设计了 RS-485接口单元中的防高压侵入电路，当RS-485总线侵入高于接口装置的电 压时，此电压经由共模防护D3、 D5、 D8、 Dll和差模防护D6、 DIO被大大削弱，再经过热敏电 阻R23、R33、R36、R25限流和TVS 二极管D4、D9、D12、D7 二次限压后，到RS-485总线驱动器 U18、 U20的电压被钳制在6. 8V左右，实现对接口装置的保护。
实施例2 本发明实施一种用于液压支架电液控制器的控制方法如下 1、主控制装置和接口装置之间通过SPI通信，接口装置可向主控制装置发送控制
命令，主控制装置亦可向接口装置实时发送当前受控液压支架的参数(包括液压支架的编
号、推移行程、立柱压力、执行动作和采煤机位置等)，对受控液压支架状态进行实时监控； 2、各接口装置之间采用RS-485协议通信，采用主主通信方式，每个接口装置都可
以作为主机，通过操作键盘直接向相邻接口装置发送数据或命令；也都可以作为从机，接收
相邻主机发送过来的数据或命令，但一个接口装置不能同时既为主机，又为从机。 对所述接口装置的控制功能有1、单架动作，包括移架，推镏，升架，降架，伸平衡
千斤顶，收平衡千斤顶，伸一级护帮，收一级护帮，伸二级护帮，收二级护帮，伸侧护帮，收侧
护帮，伸伸縮梁，收伸縮梁，提底，喷雾，测距等17项；2、成组支架动作，包括成组推镏、成组
移架、成组小循环。 为确保操作安全，不允许本架液压支架的电液控制器对本架进行操作，只允许本 架液压支架电液控制器控制相邻的液压支架，具体控制方法如下 1、本架液压支架电液控制器对左边(或右边)相邻3架以内液压支架中的任意
7一架液压支架操作，工作过程为按下本架液压支架电液控制器的左右预选键，选定相邻3 架以内液压支架中的任意一架液压支架，再按下本架液压支架电液控制器的功能键，通过 RS-485通信单元向受控液压支架发送命令，同时本架液压支架电液控制器的LCD显示相应 功能状态；受控液压支架的接口装置接到命令后，通过SPI通信单元向主控制装置发送命 令，使受控液压支架执行相应动作，同时按上述通信路径实时回传液压支架当前的推移行 程和立柱压力等具体参数并在本架液压支架电液控制器的LCD显示； 2、本架液压支架电液控制器对左边(或右边)相邻2 6架液压支架进行成组操 作。工作过程为按下本架液压支架电液控制器的左右成组预选键，选定左边(或右边)相 邻2 6架液压支架，再按下本架液压支架电液控制器的功能键，本架液压支架电液控制器 的LCD显示相应功能状态，最后按下本架液压支架电液控制器的回车键，本架液压支架电 液控制器开始通过RS-485通信单元，按由近及远(或由远及近)的顺序依次向受控液压支 架电液控制器发送命令(间隔时间根据具体情况可设置)，受控液压支架电液控制器的接 口装置接到命令后，通过SPI通信单元向主控制装置发送命令，使受控液压支架执行相应 动作，同时按上述通信路径实时回传液压支架当前的推移行程和立柱压力等具体参数并依 次在本架液压支架电液控制器的LCD显示。 本发明在上述一种液压支架电液控制器的控制方法及其接口装置的硬件结构基 础上，本专业技术人员可以得到相应的系统应用软件以及软件的组合，并能够实现液压支 架的可靠操作，电液控制器之间数据的快速、可靠传输，达到对液压支架进行实时监控的目 的，在本说明书中涉及到的其它技术内容以及技术术语应当按照本领域的公知常识和惯用 的技术手段理解和实施，也可以通过合理的分析推理设置实施。
权利要求
一种液压支架电液控制器，其特征在于电液控制器是由主控制装置通过SPI接口单元连接接口装置构成；第一电液控制器中的接口装置UART1与第二电液控制器中的接口装置UART0连接，第二电液控制器中的接口装置UART1与第三电液控制器中的接口装置UART0连接，依次相互连接至电液控制器N，其中所述的接口装置是电源供给单元分别与微控制器单元、LCD显示单元、键盘接口单元和两个RS-485通信单元的电源和地连接；键盘接口单元和LCD显示单元分别通过并行总线与微控制器单元连接；SPI通信单元直接与微控制器单元对应管脚连接；两个RS-485通信单元通过串行总线分别与微控制器单元的UART0和UART1相连接；其中，所述的电源供给单元是通过插座(H1)引入12V电源，通过三端稳压器(U5、U6)将12V电源转换成3.3V和5V；3.3V输出电路和5V输出电路之间用单点接地连接；所述的微控制器单元是晶振电路(Y1、C55、C56)、复位电路(U12、S31、R16、R17)和JTAG接口电路(H3、R15)分别连接到MCU(U11)的相应管脚；所述的LCD显示单元是LCD显示器(P6)的八位数据线通过电平转换电路(U13)与MCU(U11)的低八位数据线相连接，LCD显示器(P6)的控制总线与MCU(U11)的I/O口相连接；所述的键盘接口单元是MCU(U11)通过电平转换电路(U7)与矩阵式键盘电路(P11、S1～S30)的扫描端相连接，矩阵式键盘电路(P11、S1～S30)的驱动端经按键判断电路(U1、U2、U3)和电平转换电路(U8)与MCU(U11)相连接；其中，按键判断电路由非门(U2)通过或门(U1)和与非门(U3)相连接；所述的两个RS-485通信单元是RS-485总线驱动器(U18、U20)通过逻辑隔离单元(U14、U15、U16、U19、U21、U22)与MCU(U11)的串行接口相连接，RS-485总线驱动器(U18、U20)输出端通过失效保护电路(R271、R27、R272、R273、R274、R30)与防高压侵入电路(D3、D9、R23、R33、D10、D4、D5、D12、D7、R36、R25、D11、D6、D8)相连接；其中，一个RS-485通信单元的失效保护电路由三个电阻构成；一个电阻(R27)接于RS-485总线驱动器(U18)的A、B两端，A端接一个上拉电阻(R271)，B端接一个下拉电阻(R272)；防高压侵入电路是TVS二极管(D4、D9)通过热敏电阻(R23、R33)与玻璃放电管(D10、D3、D5)相连接构成；另一个RS-485通信单元的失效保护电路由三个电阻构成，一个电阻(R30)接于RS-485总线驱动器(U20)的A、B两端，A端接一个上拉电阻(R273)，B端接一个下拉电阻(R274)，防高压侵入电路是TVS二极管(D12、D7)通过热敏电阻(R36、R25)与玻璃放电管(D8、D11、D6)相连接构成。
2. —种实施权利要求1所述的液压支架电液控制器的控制方法，该方法首先将主控制 装置和接口装置之间通过SPI通信，接口装置向主控制电路发送控制命令，主控制装置向 接口装置实时发送当前受控液压支架的推移行程参数、立柱压力参数、执行动作参数以及 采煤机位置参数，对受控液压支架状态进行实时监控；其次，各接口装置之间采用RS-485协议通信，主主通信方式通信，每个接口装置都可 以作为主机，通过操作键盘直接向相邻的接口装置发送数据或命令；也都可以作为从机，接 收相邻主机发送的数据或命令实现对液压支架的控制；其中， 一个接口装置不能同时既为主机，又为从机。
全文摘要
一种液压支架电液控制器及其控制方法是由主控制装置通过SPI接口单元连通接口装置构成，接口装置与接口装置间通过RS-485通信单元连接，电液控制器中接口装置的UART1与下一个电液控制器中接口装置UART0连接通信，下一个电液控制器中接口装置UART1与下下个电液控制器中接口装置UART0连接通信，且依次相互连接至少两个以上的电液控制器，该控制方法是接口装置向主控制电路发送控制命令，主控制装置再向接口装置实时发送当前受控液压支架的位移参数、压力参数、执行动作参数以及采煤机位置参数，对受控液压支架状态进行实时监控，抗干扰能力强、操作直观便利可靠，实用于煤矿井下液压支架电液控制。
文档编号G05B19/418GK101739009SQ20091022780
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者任鸿秋, 宋建成, 武爱平, 田慕琴, 许春雨, 郭安林 申请人:太原理工大学