文 献 综 述

一、引言

钻孔应力计是一种特殊结构的传感器，主要用来测量煤矿预留煤柱应力的变化，或用来测量基坑岩体或土基础，在开挖前后，应力的变化情况。目前煤体、破碎煤岩体或受采动影响的煤岩体采动应力监测主要采用接触式压力传感器，包括振弦式和液压式传感器两种，在安装方式上采用钻孔探入式固定安装。

振弦式钻孔应力计的工作原理：当被测混凝土压荷载作用在应力计上，将引起振弦式压力传感器的弹性膜片产生变形，并引起振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出应力计的压力值。

液压钻孔应力计，按数据的读取方式分为直读式和钢弦式，其型号分别为 KS 型和 KSE 型钻孔应力计。钻孔内应力的变化通过应力枕两面的包裹体传递到应力枕，转变成应力枕内部的液体压力，KS 型压力经油管传递到压力表，压力表针指示出孔内的应力变化; 而 KSE 型的压力经油管传递到 ”压力 － 频率” 转换器，把压力变成相应的钢弦振动的频率，经数字显示仪处理并显示钻孔内应力的变化量。

矿井作业具有潜在的危险性，因此，需要设计出一款能够实现远距离传输的钻孔应力计，来实时监测煤矿预留煤柱应力的变化。随着电子技术的不断革新与发展，更加先进的微控制器和通讯模块被应用于钻孔应力计，使其可以实现远程多点的动态监测并且监测的精度和稳定性也在不断提高。RS-485通讯模块、Modbus通讯协议和stm32嵌入式软件系统的出现和发展对于钻孔应力计的改良和进步有着极大的意义。本课题就以此为背景，详细研究了一种钻孔应力计监测系统485通讯模块的设计方案。

二、485通讯

RS- 485是串行数据接口的标准,是为弥补RS- 232通信距离短、速率低等缺点而产生的,是在RS- 422基础上制定的标准,增加了多点、双向通信能力,即允许多个发送器连接到同一条总线上,同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性。RS- 485标准只规定了平衡发送器和接收器的电特性,而没有规定接插件、传输电缆和应用层通信协议。它与RS- 232不同,数据信号采用差分传输方式,也称作平衡传输,它使用一对双绞线,将其中一线定义为A,另一线定义为B,A、B之间的正电平在 2～ 6V,表示逻辑状态”1”;负电平在- 2～- 6V,表示逻辑状态”0”。RS- 485标准的最大传输距离约为1 200m,最大传输速率为10Mbps。通常,RS- 485网络采用平衡双绞线作为传输介质。平衡双绞线的长度与传输速率成反比,只有在20kbps速率以下,才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般来说,100m长双绞线最大传输速率仅为1Mbps。如果采用光电隔离方式,则通信速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限制。利用RS- 485标准,可以建立一个相对经济、具有高噪声抑制、高传输速率通信平台,该平台同时具有传输距离远、宽共模范围、控制方便等优点。 RS-485接口电路图如下。

RS485 通信协议的设计一般采用典型的分层结构，主要包括物理层和数据链路层。物理层主要完成以下功能：发送数据时，将数据链路层送来的数据按字节进行串并转换，并增加相应的起始位、奇偶校验位和停止位，然后将转换后的信号发送到物理信道上；在接收数据时，从物理信道串行接受电平信号，然后进行电平转换、奇偶校验、串并转换，并将得到的数据传送到数据链路层。Linux、μC/OS 和 Vx Works 操作系统通过串口驱动程序已经实现了物理层的所有功能，只需要调用操作系统提供的字节流发送和接收函数就可以实现数据通信。数据链路层位于物理层和应用层之间，为应用层提供统一的接口函数，实现无差错的双向数据传输。该层协议主要包括帧格式设计、寻址与流量控制、帧收发程序、冲突处理等方面的内容。

RS-485串行总线失效保护：RS- 485标准规定接收器门限为#177; 200mV[6]。这样规定能够提供比较高的噪声抑制能力,但同时也带来了一个问题:当总线电压在#177; 200mV中间时接收器输出状态不确定。由于UART以一个前导”0”触发一次接收动作,所以接收器的不确定状态可能会使UART错误地接收一些数据,导致系统误动作。当总线空闲、开路或短路时都有可能出现两线电压差低于200mV的情况,必须采取一定措施避免接收器处于不确定状态。传统的做法是给总线加偏置,当总线空闲或开路时,利用偏置电阻将总线偏置在一个确定的状态(差分电压≥ 200mV),但这种方法仍然不能解决总线短路时的问题。Maxim公司的MAX 3080系列S485接口芯片将接收门限移到- 200mV/- 50mV,巧妙地解决了这个问题。不但省去了外部偏置电阻,而且解决了总线短路情况下的失效保护问题。