地层冻结监测中超长距离一线总线驱动技术的研究

       摘要：根据长距离地层冻结监测的应用环境，提出了一线总线式的温度监测方法。通过分析一线总线上时间槽信号传输的特点，设计了单片机控制的一线总线驱动电路，使一线总线技术能支持更长的测温电缆，满足了地层冻结长距离测温要求。

关键词 一线总线  测温  地层冻结  驱动电路

        地层冻结是采用人工制冷的方法使含水地层冻结，从而使地层的稳定性得到提高的地层加固方法。在地层冻结施工时$需要布设若干个测温孔，用以了解开冻前的地层温度和开冻后冻结壁形成情况，预测与判断冻结壁的交圈时间,厚度,平均温度,强度等.这些情况与参数在冻结施工中应当时刻准确掌握,因此温度监测是地层冻结施工中的一项重要内容.地层冻结温度监测技术经历了一个长时间的发展过程,采用若干康铜热电偶或铂电阻实现地层冻结温度监测是工程界的普遍做法,北京中煤矿山工程公司于2001年率先应用一线总线技术在广州地铁冻结工程中对地层冻结温度进行监测$取得了良好效果,随后便在上海地铁诸多冻结工程中推广应用%目前,国内基于一线总线技术研制的测温模块所支持的测温电缆长度不足200m,而在一些煤矿建井工程中,冻结深度多在200m以上(如顾桥矿井的主,副,风3个井筒,冻结深度分别为316.5,299,380m),显然,测温电缆长度是满足不了要求的.因此,对超长距离一线总线驱动技术进行研究,以满足地层冻结工程温度监测的实际需要,具有重要的现实意义.

1.一线总线技术简介
        一线总线网络是一种处在微处理器与一线总线器件之间的低功耗数据总线.一线总线系统主要由3部分组成,即总线主动者,它通过软件程序控制总线通讯的进行;连接导线,因其只需1根数据线和1根参考地线,故称为"一线",通常用双绞线即可,服从一线总线协议的一线器件,随着一线总线技术的发展$已涌现出越来越丰富的一线器件,如一线温度,湿度,CO2,AD/DA,I/O等.一线总线器件的接口均被设计成漏极开路形式$因此众多的一线器件可以以"线与"的方式挂接在一线总线上,它们由同一个上拉电阻接至电源(+5V).另外,每个一线器件在生产时都有1个单独的64位ROM码,可以用来在一线总线上唯一地标识每个器件的地址.

       在一线网络运行时,主动者通过一个专门的搜索算法获知一线总线上所有器件的64位编码,每个64位编码对应1个安装在具体位置的1只一线温度传感器,从而可由对应每个编码的温度数据探知被测点的温度.

2.一线总线信令一线网络上的数据通讯有着严格控制,网络中只能有1个主动者,一线网络上的数据传输由主动者启动#除非主动者请求,否则任何一线器件不能发送数据,一线器件之间也不能通讯.一线网络上的通讯是按位进行并以时间槽来表示的,共有6种时间槽信令:复位脉冲,存在脉冲,写0,写1,读0,读1.所有这些信号,除存在脉冲外,均由总线主动者启动.在以上几种时间槽信令中,尤以主动者读1最能考验一线总线的驱动能力.主动者生成读时间槽从一线器件上读取数据,1个时间槽总是开始于主动者将总线由高拉低,这个从1至0的跳变是所有一线器件的同步边沿#数据线必须在低电平至少保持1us来自一线器件的数据将在读时间槽下降沿开始的15us处开始有效,因此主动者也必须在此之前停止将数据线拉低.在主动者和从动者释放总线后,上拉电阻将把数据线恢复至高电平.

3.一线总线的终端阻抗匹配
按一般情况考虑,假设在一线总线上任意分布着若干个一线器件.由于位置的不同,由主动者产生的下降沿到达每个一线器件的时间会有细微差别,而每个一线器件对主动者的响应在时间上也是分散的.由于通讯信号需要在电缆的整个长度上传输一个来
回,一线总线的长度必须小于1个数据位槽时间间隔的一半所对应的电气距离,超出这一范围的器件将不会被主动者识别.如果总线的跳变时间小于信号在电缆上来回传播的时间,一线网络将工作在一个传输线的环境中,来自总线终端的反射将破坏
总线通讯.为消除终端反射,通常在电缆终端接1个与其特性阻抗相匹配的电阻,以吸收终端反射能量.然而由于适用的一线总线电缆特性阻抗通常约为100Ω，若在终端接1 个100Ω匹配电阻，将无法找到1个合适的上拉电阻使一线总线上升到逻辑1的电平。采用阻容串联的交流终端阻抗匹配也可以消除终端反射#电容充电后，阻止直流电流从终端返回，总线终端相当于开路，电阻不产生负载作用。而在总线状态切换时，电容表现为短路，电阻跨接于终端起到阻抗匹配作用。

         根据有关经验，对1个4us上升时间，特性阻抗为100Ω的电缆，电容值可取为0.1uF。这样做的缺点，是由于对终端电容的充放电延长了信号波形过渡过程时间，造成时间槽有效时间紧张。由于难以实现一线总线终端阻抗匹配，因此就只有从延长总线的跳变时间上采取措施，即通过采用主动者控制总线电平由高至低下拉速率的方法来避免终端反射。当一线电缆长度超过100M时，将总线由高变低的下拉速率控制在1.0V/us。这时总线由5V下降至逻辑“0”的门槛电平0.8V需时约4us，这样可支持的总线电缆长度达600M而不致引起终端反射，这将使测温电缆的长度得以大幅增加。

       由此可见，为一线总线主动者设计1个具有适当下拉及上拉速率的驱动电路是延长测温电缆的一个有效手段!

4.强力上拉驱动是为考虑当不为一线总线器件提供单独的电源线时所设。若在强力上拉端出现1个负脉冲时T3管的导通将把数据线拉至高电平。这一状态将用于在对一线器件执行命令的间隙对一线器件的后备电容供电。这样在命令执行时，可保证一线器件有足够的能量对主动者的命令作出响应。当一线总线处于休眠状态时，T1，T2，T3均处于截止状态"D个相串联的电阻R4,R1和R3将数据线拉至电源Vcc，3个电阻的和使总的上拉电阻约为1KΩ。R4+R1+R3及电缆阻值$电缆分布电容决定了一线总线由低变高的速度，当T1管导通时，电流经R4，T1管入地，不会影响数据线的低电平水平。D1，D2用于排除电路中产生的尖峰干扰，而R3的设置是为了限制通过D1或D2的冲击电流。这一电路的参数也实现了一线总线在主动者端的阻抗匹配。常规的非屏蔽双绞线具有100Ω的特性阻抗，当T1或T2导通时，R1+R2或R2+R3也约为100Ω。上拉控制，下拉控制，强力上拉各由单片机的1个输出位控制，R5，C1限制了T1管导通时在DATA线的下降速率，其时间常数约为0.5us，这使得DATA 线的电平转换速率约为4V/us，阻容参数对T2，T3的影响与此类似。

5.强力驱动电路的时间槽信号波形根据前述驱动电路,设计了由89C52单片机控制的智能测温模块，作为一线总线的主动者。以非屏蔽双绞线为一线总线，从测温电缆的远端开始,每隔10m安装1个一线温度传感器,共设置32个,制成1根长达400m的测温电缆.运行温度传感器的搜索算法程序,可以找到全部32个温度传感器,从而证明这一驱动电路及相关的控制程序设计是成功的.

结   语
地层冻结温度监测需要更深,更远的测温范围.这就要求智能测温模块有着更强的驱动能力.使一线总线技术能支持更长的测
温电缆,为此要求对一线总线,一线器件和传输线特性有更深入的了解.通过1年来的理论研究与试验分析,对智能测温模块及其驱动电路设计作了多次修改与完善%同时还完成了测温模块的数据管理与通讯处理软件设计,今后将尽快把这一成果应用到地层冻结工程实践中,并不断加以完善和提高.

作者简介
翟延忠  男  1998年毕业于中国矿山大学矿
物加工工程专业,获博士学位.现从事地层冻结监控技术研究与开发工作