技术领域：
[0001] 本
发明涉及矿用计算机，具体涉及数据采集一体化矿用本安型计算机。技术背景：
[0002]
煤矿生产中许多场合需要使用隔爆型或者本安型计算机,如采煤机、通
风系统、安全监测
监控系统、便携测量系统等。但是，现有隔爆型或者隔爆兼本安型计算机还远远不能适应煤矿工业多样化的需求。因此，除开发各种隔爆计算机外，有必要对适用于煤矿井下的防尘、防震、防潮、低功耗、易携带的矿用本安型计算机进行研究和开发。
[0003] 目前，在矿用本安型计算机中，与矿用有线和无线随钻测量系统配接通信，在国内尚无；计算机采用“ia”保护等级，适合于矿井救灾环境，可以与有线矿用救灾指挥装置和矿用救灾无线指挥装置配接，进行语音、视频和环境
数据处理及显示，在国内尚无；采用虚拟仪器设计方法，用采集卡采集原始
信号，仪器的功能采用
软件设置，经过隔爆处理后与具有煤安认证的矿用
传感器配接，实现了数据的高速处理，功能软件厂家和用户共同定制，在国内尚无。发明内容：
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供数据采集一体化矿用本安型计算机。
[0005] 为了解决上述问题，本发明技术方案是，数据采集一体化矿用本安型计算机，包括
电池组、DC-DC模
块、LED显示屏、工控板、USB无线WIFI模块、信号隔离板、信号转换
电路、矿用本安型
耳麦、以太网信号
接口、矿用本安型
USB闪存盘、RS485/RS232信号接口和矿用本安型
键盘；
[0006] 其特点是:该数据采集一体化矿用本安型计算机还设置有“ia”级本安保护电路、
触摸板、信号采集板、矿用传感器接口、矿用本安型有线/无线随钻测量装置探管和随钻通信板；
[0007] 所述DC-DC模块由电池组通过“ia”级本安保护电路供电，DC-DC模块分别为LED显示屏、工控板、信号隔离板、信号采集板供电，并且所述DC-DC模块的各个输出端的正负极均彼此隔离；
[0008] 工控板接收信号隔离板输出的USB信号，接收触摸板输出的USB信号，进行处理后输出到LED显示屏显示；工控板还与USB无线WIFI模块进行双工通信；工控板还将收到的信号进行处理，输出USB信号到信号隔离板；
[0009] 信号隔离板对收到的信号进行隔离处理及信号转换；信号隔离板与工控板、信号转换电路、以太网信号接口、矿用本安型USB闪存盘、RS485/RS232信号接口、矿用本安型键盘和随钻通信板分别进行双工通信；
[0010] 信号转换电路将信号隔离板输出的标准信号转换成
音频信号输出到矿用本安型耳麦；信号转换电路接收矿用本安型耳麦输出的音频信号转换成标准信号输出到信号隔离板；
[0011] 信号采集板接收矿用传感器接口输出的模拟
电流信号或者
频率脉冲信号进行处理后输出到信号转换电路，信号转换电路将收到的信号转换成标准信号输出到信号隔离板，信号隔离板进行隔离处理后输出到工控板；工控板输出标准信号通过信号隔离板进行隔离处理后到信号转换电路，信号转换电路转换成
控制信号输出到信号采集板，控制信号采集板采集矿用传感器接口的数据。
[0012] 本发明采用“ia”保护等级，可以与有线矿用救灾指挥装置和矿用救灾无线指挥装置配接，可以与矿用有线和无线随钻测量系统配接通信,进行语音、视频和环境数据处理及显示；同时，采用虚拟仪器设计方法，由多功能数据采集卡采集原始信号，仪器的功能采用软件定义，经过防爆设计后与具有煤安认证的矿用传感器配接，实现了数据的井下高速实时处理，仪器功能可根据需要定制；并且，采用先进的隔离技术，对
输出信号（包括USB、RS232、RS485信号，频率信号）和电源进行隔离保护。
[0013] 根据本发明所述的数据采集一体化矿用本安型计算机的一种优选方案，所述“ia”级本安保护电路与电池组用环
氧树脂灌封成一体作为本安组件，并且在电池组的输出端设置限流
电阻以限制电池组的输出
能量；电池组的充电端
串联设置阻断
二极管；实现“ia”级本质安全电路要求；并具有可更换备矿用浇封兼本安型备用电源,满足24小时以上的不间断工作。
[0014] 根据本发明所述的数据采集一体化矿用本安型计算机的一种优选方案，所述信号采集板包括隔离
放大器、切换
开关和多功能数据采集卡；其中隔离放大器将矿用传感器接口输出的模拟电流信号或者频率脉冲信号进行隔离放大处理后，由切换开关按照工控板的指令切换输出到多功能数据采集卡，多功能数据采集卡进行数据采集和转换后输出到信号转换电路。
[0015] 本信号采集板采用虚拟仪器设计方法，由多功能数据采集卡采集原始信号，仪器的功能采用软件定义，经过防爆设计后与具有煤安认证的矿用传感器配接，实现了数据的井下高速实时处理，在信号采集功能上，具有8路
电压信号采集和8路频率信号采集,可以采集矿用传感器的200Hz-1000Hz频率输出信号，也可以采集4-20mA电流输出信号。
[0016] 根据本发明所述的数据采集一体化矿用本安型计算机的一种优选方案，所述工控板中设置有数据生成模块、软件参数配置模块、缓存模块、启动D/A转换模块、输出
波形模块、启动A/D转换模块、数据传输模块和数据显示模块；
[0017] 其中，所述工控板根据需求在运行环境中启动任务24,根据软件接口资源由软件参数配置模块进行软件配置参数；如果为数据信号输出，数据生成模块生成描述输出信号特征的数据，并通过第一缓存模块将其放入缓存；当需要D/A转换时，启动D/A转换模块启动D/A转换，并由输出波形模块输出波形，完成此次数据输出；
[0018] 如果为数据输入，启动A/D转换模块控制多功能数据采集卡进行数据采集和A/D转换后输出；第二缓存模块将转换数据放入缓存器，并经过数据传输模块传输给处理器或者LED显示器进行数据显示，完成此次数据输入。
[0019] 此功能特点是用户可以通过软件定制仪器功能的自定义，实现信号采集和波形输出。
[0020] 根据本发明所述的数据采集一体化矿用本安型计算机的一种优选方案，所述信号隔离板包括RS485信号隔离板和RS232信号隔离板，在RS485信号隔离板中设置有信号收发转换隔离芯片，实现TTL-RS485信号的隔离和输入端与输出端直流隔离转换。
[0021] 根据本发明所述的数据采集一体化矿用本安型计算机的一种优选方案，在RS232信号隔离板中设置有RS232信号收发转换隔离芯片，实现+5V直流隔离转换和TTL-RS232逻辑信号磁隔离转换。
[0022] 本发明所述的数据采集一体化矿用本安型计算机的有益效果是：本发明采用“ia”保护等级，可以与有线矿用救灾指挥装置和矿用救灾无线指挥装置配接，可以与矿用有线和无线随钻测量系统配接通信,进行语音、视频和环境数据处理及显示；同时，本发明采用虚拟仪器设计方法，由采集卡采集原始信号，仪器的功能采用软件定义，经过防爆设计后与具有煤安认证的矿用传感器配接，实现了数据的井下高速实时处理，仪器功能可根据需要定制；并且，本发明采用先进的隔离技术，对输出信号和电源进行隔离保护；在信号采集功能上，具有多路电压信号采集和多路频率信号采集,可以采集矿用传感器的200Hz-1000Hz频率输出信号，也可以采集4-20mA电流输出信号；还具有可更换备矿用浇封兼本安型备用电源,满足24小时以上的不间断工作；本发明成本低，功能全，可广泛煤矿等场合。
附图说明
[0023] 图1为本发明所述的数据采集一体化矿用本安型计算机电路原理
框图。
[0024] 图2为本发明“ia”级本安保护电路2的电路图。
[0026] 图4为模拟信号输入和输出软件定义流程。
[0027] 图5为本发明信号隔离板8中RS485信号隔离板的电路图。
[0028] 图6为本发明信号隔离板8中RS232信号隔离板的电路图。
具体实施方式
[0029] 参见图1至图6，数据采集一体化矿用本安型计算机，包括电池组1、“ia”级本安保护电路2、DC-DC模块3、LED显示屏4、触摸板5、工控板6、USB无线WIFI模块7、信号隔离板8、信号采集板9、信号转换电路10、矿用传感器接口11、矿用本安型耳麦12、矿用本安型有线/无线随钻测量装置探管13、以太网信号接口14、矿用本安型USB闪存盘15、RS485/RS232信号接口16、矿用本安型键盘17和随钻通信板19；
[0030] 其中，所述DC-DC模块3由电池组1通过“ia”级本安保护电路2供电，DC-DC模块3分别为LED显示屏4、工控板6、信号隔离板8、信号采集板9供电，并且所述DC-DC模块3的各个输出端的正负极均彼此隔离；
[0031] 工控板6接收信号隔离板8输出的USB信号，接收触摸板5输出的USB信号，进行处理后输出到LED显示屏4显示；工控板6还与USB无线WIFI模块7进行双工通信；工控板6还将收到的信号进行处理，输出USB信号到信号隔离板8；
[0032] 信号隔离板8对收到的信号进行隔离处理及信号转换；信号隔离板8与工控板6、信号转换电路10、以太网信号接口14、矿用本安型USB闪存盘15、RS485/RS232信号接口16、矿用本安型键盘17和随钻通信板19分别进行双工通信；
[0033] 信号转换电路10将信号隔离板8输出的标准信号转换成音频信号输出到矿用本安型耳麦12；信号转换电路10接收矿用本安型耳麦12输出的音频信号转换成标准信号输出到信号隔离板8；
[0034] 信号采集板9接收矿用传感器接口11输出的模拟电流信号或者为频率脉冲信号进行处理后输出到信号转换电路10，信号转换电路10将收到的信号转换成标准信号输出到信号隔离板8，信号隔离板8进行隔离处理后输出到工控板6；工控板6输出标准信号通过信号隔离板8进行隔离处理后到信号转换电路10，信号转换电路10转换成控制信号输出到信号采集板9，控制信号采集板9采集矿用传感器接口11的数据。
[0035] 具体
实施例中，所述DC-DC模块3的输出一端A输出+12V为LED显示屏4供电，DC-DC模块3的输出二端B输出+5V为工控板6供电，DC-DC模块3的输出三端C输出+5V为信号隔离板8供电，DC-DC模块3的输出四端D输出+5V为信号采集板9供电；DC-DC模块3的各个输出端的正负极均彼此隔离；
[0036] 工控板6的一端E输出LVDS标准信号到LED显示屏4；工控板6的二端F通过USB2.0标准端口与触摸板5连接，工控板6的三端I与USB无线WIFI模块7连接；工控板6的四端J与信号隔离板8的二端M采用USB2.0标准信号连接；
[0037] 信号隔离板8的L端与DC-DC模块3的输出+5V直流电源输出三端C连接，信号隔离板8的O端采用USB2.0标准信号与矿用本安型键盘17连接；信号隔离板8的P端输入/出RS485/RS232双工信号与RS485/RS232信号接口16连接，信号隔离板8的Q端输出标准USB2.0标准信号与矿用本安型USB闪存盘15连接，信号隔离板8的R端输出TCP/IPV4标准信号与以太网信号接口16连接，信号隔离板8的S端输出RS232信号与随钻通信板19的X端连接，随钻通信板
19的Y端输出120～180mA电流信号与矿用本安型无线/有线随钻测量装置探管13连接，信号隔离板8的T端输出USB信号与信号转换电路10的U端连接；
[0038] 信号转换电路10的U端与信号隔离板8的T端输出的标准USB2.0信号连接，信号转换电路10的W端输出的标准USB2.0信号与信号采集板9的X端连接，信号转换电路10的V端与矿用本安型耳麦12连接；
[0039] 信号采集板9的Z端与DC-DC模块3的D端输出的+5V连接，信号采集板9的X端与信号转换电路10的W端连接，信号采集板9的Y端与矿用传感器接口11连接。
[0040] 在具体实施例中，所述“ia”级本安保护电路2与电池组1用
环氧树脂灌封成一体作为本安组件，并且在电池组1的输出端设置限流电阻R10以限制电池组1的输出能量；电池组1的充电端串联设置阻断二极管D3、D4、D5；实现“ia”级本质安全电路要求。
[0041] 在具体实施例中，所述信号采集板9包括隔离放大器20、切换开关21和多功能数据采集卡22；其中隔离放大器20将矿用传感器接口11输出的模拟电流信号或者频率脉冲信号进行隔离放大处理后，由切换开关21按照工控板6的指令切换输出到多功能数据采集卡22，多功能数据采集卡22进行数据采集和转换后输出到信号转换电路10。由此，实现了矿用传感器信息的采集和分析处理，其特点是以本发明的计算机为中心，用户可以自己集成仪器，仪器组成简单，一机多用，移动式测量，可以在井下进行实时数据采集和实时分析。具有8路电压信号采集和8路频率信号采集,可以于采集矿用传感器的200Hz-1000Hz频率输出信号，也可以采集4-20mA电流输出信号。
[0042] 在具体实施例中，所述工控板6中设置有数据生成模块25、软件参数配置模块26、缓存模块、启动D/A转换模块28、输出波形模块29、启动A/D转换模块30、数据传输模块32和数据显示模块33；
[0043] 其中，所述工控板6根据需求在运行环境中启动任务24,根据软件接口资源由软件参数配置模块26进行软件配置参数；如果为数据信号输出，数据生成模块25生成描述输出信号特征的数据，并通过第一缓存模块27将其放入缓存；当需要D/A转换时，启动D/A转换模块28启动D/A转换，输出信号经过信号调理后，由输出波形模块29输出波形。具体为：将已知的波形以N个
采样点进行采样，然后将N个点的数值存入
存储器，之后每隔n个点取一点的值，直至全部取满N个点，即：将
正弦波延长至n个周期。然后用Fs将这些正弦波值DA出来，将这些点顺序连接便构成一个需要的输出波形，Fs是在波形输出模块中配置。
[0044] 输出波形的频率： 输出波形的频率
分辨率：
[0045] 其中：fo表示输出波形的频率，Fs表示DA的更新速率，Δf表示输出波形的频率分辨率，n表示缓存器里面存储的正弦波值的周期数，N表示缓存器的大小。
[0046] 如果为数据输入，启动A/D转换模块30控制多功能数据采集卡22进行数据采集和A/D转换后输出；第二缓存模块31将转换数据放入缓存器，并经过数据传输模块32传输给处理器或者LED显示器4进行数据显示，完成此次数据输入后结束任务34。此功能特点是用户可以通过软件定制仪器功能的自定义，实现信号采集和波形输出。
[0047] 信号隔离板8包括RS485信号隔离板和RS232信号隔离板，其中，RS485信号隔离板如图5所示，RS485收发器U2实现RS485-TLL转换，信号收发转换隔离芯片U3选用ADM2582E，实现TTL-RS485信号收发、隔离以及输入端与输出端直流隔离转换，隔离电压大于2000V，ADM2582E隔离电压为2500V，实现总体隔离电压大于1500V，使其达到矿用本安设备的
介电强度的要求，芯片U1A、U1B是单稳
振荡器，控制RS485收发器U2、信号收发转换隔离芯片U3的收发使能脚来控制RS485的数据收发时间，其初始状态时，芯片U1A、U1B的Q端是低电平；RS485收发器U2、信号收发转换隔离芯片U3都处于接收状态，如当RS485收发器U2收到数据时，起始位从1到0的变化触发U1A的Q端变为高电平,信号收发转换隔离芯片U3的发送器处于工作状态；同时低电平清除U1B的Q端，使得RS485收发器U2处于接收状态。U1A产生的脉冲宽度与电容C1和电阻R15有关系。采用信号收发转换隔离芯片U3使得隔离
端子隔离电压、爬电距离、电气间隙和间距应符合GB3836.4关于本安防护等级的要求，电路实现简单，自动控制收发，误码率小。
[0048] 如图6所示,工控板M端输出为RS232端口信号，通过MAX232CPE芯片U4是实现了RS232向TTL电平信号转换，并采用ADM3251E作为RS232信号收发转换隔离芯片U5,同时实现+5V直流隔离转换和TTL-RS232逻辑信号磁隔离转换，其隔离电压为2500V,
数据速率460kbps,倍压器/
反相器使用四个外部0.1μF。采用RS232信号收发转换隔离芯片U5使得隔离端子隔离电压、爬电距离、电气间隙和间距应符合GB3836.4关于本安防护等级的要求。
[0049] LED显示屏采用LED
背光屏，12V直流供电，由DC-DC模块3的A端驱动。所述的显示模板和工控板均与DC-DC模块3连接，DC-DC模块3的A端输出12V电压，4组并联，分别为第一背光模块至第四背光模块供电，无需逆变器驱动电路；显示模板信号由工控板6输入；DC-DC模块3经过“ia”级保护，输出驱动4组灯组和显示屏的显示模块，达到GB3836.4关于本质安全的参数指标要求，防止高压引起的安全隐患。
