基于CAN總線的井下多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)井下生產(chǎn)狀況參數(shù)包括監(jiān)測(cè)礦井空氣中有害或危險(xiǎn)成分、礦井空氣物理狀態(tài)、通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及其他參數(shù)。一般監(jiān)測(cè)對(duì)象包括瓦斯、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度、液位等。井下生產(chǎn)狀況參數(shù)監(jiān)測(cè)的工作環(huán)境惡劣、監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散、監(jiān)測(cè)種類多、測(cè)點(diǎn)數(shù)量大、通信距離遠(yuǎn)，并且對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求極高。因此，研制一種性能可靠、成本低的煤礦井下多參數(shù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非常必要。筆者采用當(dāng)前流行的虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)交互，并利用單片機(jī)成本低、集成度高、易于相互及與計(jì)算機(jī)通信等特點(diǎn)，開發(fā)了一種新型的井下多參數(shù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

井下多參數(shù)智能監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)分站系統(tǒng)、CAN總線通信系統(tǒng)、上位人機(jī)交互(監(jiān)控計(jì)算機(jī))以及煤礦安全專家系統(tǒng)(數(shù)據(jù)庫(kù)查詢服務(wù)器)組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 監(jiān)測(cè)分站系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)分站系統(tǒng)采用高性能ATmega48單片機(jī)作為主控器件，外接多個(gè)瓦斯、位移、壓力等傳感器，經(jīng)過(guò)外部模擬電路，送人單片機(jī)內(nèi)置高精度A／D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)多路模擬量的實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)CAN總線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與上位人機(jī)交互的數(shù)據(jù)交換。另外，監(jiān)控分機(jī)還可實(shí)現(xiàn)瓦斯、壓力等參數(shù)超標(biāo)時(shí)的井下聲光報(bào)警，并根據(jù)上位人機(jī)交互命令進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，有效避免事故的發(fā)生。

2.2 CAN總線通信系統(tǒng)

CAN總線通信系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)多個(gè)監(jiān)控分機(jī)與上位人機(jī)交互(監(jiān)控主機(jī))的數(shù)據(jù)通信，將實(shí)時(shí)采集的模擬數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳輸。

2.3 上位人機(jī)交互

人機(jī)交互系統(tǒng)以Lab Windows／CVI虛擬儀器作為開發(fā)平臺(tái)，利用圖形化的軟面板、豐富的數(shù)字信號(hào)處理庫(kù)和高級(jí)函數(shù)分析庫(kù)資源，借助于計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)與板卡之間的控制信息和采集信息之間的數(shù)據(jù)交換、歷史數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)曲線擬制等功能。

2.4 煤礦安全專家系統(tǒng)

煤礦安全專家系統(tǒng)采用Microsoft Access 2003作為開發(fā)軟件。將歷年各種模擬量參數(shù)指標(biāo)以及在具體情況下避免事故發(fā)生需要采用的操作進(jìn)行匯總，供人機(jī)交互系統(tǒng)查詢。人機(jī)交互系統(tǒng)根據(jù)查詢結(jié)果發(fā)送相應(yīng)的控制命令，從而最大限度地減少事故。

另外，此系統(tǒng)還將打印分析的參考意見，供地面工作站人員查詢，以便實(shí)時(shí)改進(jìn)。

3 監(jiān)控硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)主控器件以及外圍電路如圖2所示，其中外圍電路包含CAN總線通信電路、MAX1232外置看門狗電路、8路模擬量采集電路以及分時(shí)選通器件4051電路等。任意一路模擬量采集電路如圖3所示。

圖2和圖3配合使用，監(jiān)控系統(tǒng)最多監(jiān)控48路模擬量信號(hào)，大大擴(kuò)展了采集范圍，并采用單片機(jī)內(nèi)置的高精度10位A／D轉(zhuǎn)換器，在簡(jiǎn)化電路的同時(shí)，保證了其監(jiān)測(cè)精度和速度。其工作原理：將傳感器接人(J1)，當(dāng)傳感器參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，模擬量采集電路將此信號(hào)放大，經(jīng)過(guò)RC濾波電路，送入4051的一路通道，經(jīng)單片機(jī)控制選通后，送入單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換器，得到A／D轉(zhuǎn)換值。單片機(jī)將此數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線器件片送給上位人機(jī)交互，人機(jī)交互(監(jiān)控主機(jī))將此數(shù)據(jù)與安全值相比較，如變化不大，則繼續(xù)監(jiān)測(cè)；如發(fā)生很大偏差，則將此信息傳遞給專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)經(jīng)過(guò)分析后，得出相應(yīng)操作指令并將其反饋給人機(jī)交互(監(jiān)控主機(jī))，上位人機(jī)交互再將控制信息傳遞給單片機(jī)。從而產(chǎn)生相應(yīng)的操作，以確保井下安全。

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由專家系統(tǒng)、上位人機(jī)交互和監(jiān)控分機(jī)子系統(tǒng)組成。其中專家系統(tǒng)以Microsoft Access 2003為開發(fā)軟件，大量收集井下需要監(jiān)測(cè)的模擬量參數(shù)信息，以供監(jiān)控主機(jī)查詢參考。上位人機(jī)交互選用了NI公司的LabWindows／CVI，其界面友好，利用較少的儀器硬件和計(jì)算機(jī)資源代替了多種高檔數(shù)據(jù)記錄分析儀器。計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)分析數(shù)據(jù)和輸出報(bào)表等，大大提高了系統(tǒng)的智能化和測(cè)試效率，減少了人為操作誤差對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，友好的人機(jī)交互界面為用戶提供了豐富的功能。

為了使單片機(jī)系統(tǒng)具有更好的實(shí)時(shí)性和代碼的最優(yōu)化，監(jiān)控分機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言編寫。限于篇幅，這里只簡(jiǎn)要介紹上位人機(jī)交互和監(jiān)控分機(jī)子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

4.1 監(jiān)控分機(jī)子系統(tǒng)

程序流程圖如圖4所示。從圖4中可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能，包括多路模擬量A／D采集、數(shù)據(jù)暫存、液晶顯示、與上位人機(jī)交互通信以及開關(guān)量輸出等。設(shè)計(jì)時(shí)，采用模塊化思想，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，提高了效率。

4.2 監(jiān)控分機(jī)子系統(tǒng)

為了便于代碼復(fù)用，虛擬儀器軟件開發(fā)采用分層設(shè)計(jì)，分為主程序控制層、人機(jī)交互層、數(shù)據(jù)處理層和儀器驅(qū)動(dòng)層。

儀器驅(qū)動(dòng)層是針對(duì)不同的硬件編制的驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)庫(kù)，完成I／O硬件接口與處理層的連接，是實(shí)現(xiàn)高層軟件與硬件無(wú)關(guān)的重要保證；數(shù)據(jù)處理層在后臺(tái)對(duì)用戶的操作進(jìn)行解析計(jì)算，將控制字送給硬件驅(qū)動(dòng)層；同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集控制、信號(hào)的分析與處理、數(shù)據(jù)的管理、標(biāo)定程序、測(cè)試報(bào)告生成等；人機(jī)交互層完成人機(jī)界面交互，響應(yīng)用戶的操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、與專家系統(tǒng)通信互換信息及報(bào)表的打印等功能。主程序控制層用于組織各部分協(xié)調(diào)工作，共同完成測(cè)試任務(wù)。該測(cè)試軟件中運(yùn)用了Windows多線程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)據(jù)顯示同時(shí)進(jìn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前該井下監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明其具有特點(diǎn)如下：與同類產(chǎn)品相比，具有精度高、可靠性強(qiáng)、工作性能穩(wěn)定、成本低廉的特點(diǎn)；采用單片機(jī)控制，簡(jiǎn)化了測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)，減少了故障環(huán)節(jié)，提高了工作效率和智能化；測(cè)試系統(tǒng)采用10位高精度A／D轉(zhuǎn)換器和自動(dòng)數(shù)據(jù)報(bào)表，提高了系統(tǒng)的測(cè)控精度，減小了人為隨機(jī)誤差；采用虛擬儀器作為人機(jī)交互界面，融合了傳統(tǒng)的測(cè)試手段和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，提高了測(cè)試系統(tǒng)的直觀性和可操作性；系統(tǒng)內(nèi)部集成了專家系統(tǒng)可通過(guò)故障解決方案的實(shí)時(shí)查詢功能解決問(wèn)題，在提高效率的基礎(chǔ)上，降低了事故率。