上位机设计方案

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1、前言在我国采用斜井开拓方式的矿井中，随着矿井的不断开采和延伸，井下作业地点距离越来越长。长期以来，职工只能步行，把大量体力和时间消耗在过程中。为此应切实解决井下作业人员体力和时间的武功消耗，确保井下作业的工作和工程质量。目前随着科技水平的不断提高，许多矿井都选用架空人车负担煤矿人员的运输。基于物联网的矿山井下架空人车系统的基本功能是通过无线传输对车厢进行实现监控，车厢内的工作人员可以在意外事故发生后按下紧急按钮通知地面主控制室采取有效措施，防止灾难发生。本设计是以组态王软件做为矿井架空人车无线监控系统上位机，完成之后，可以实现对轿厢内情况的视频监控、语音通信、报警以及MP3播放等功能。控制室可

2、以通过上位机来监控轿厢机内的情况以及和任何一个轿厢进行语音通信，以实现控制室对每个轿厢内状态的监控。1概述1.1矿用架空人车的概况矿用架空人车为矿山长距离安全快速地人员运输提供了经济使用的解决方案。其工作原理类似于地面旅游索道，它通过电动机传动减速机上的摩擦轮作为驱动装置，以架空、无极循环的钢丝绳作为牵引承载，此钢丝绳靠尾轮张紧装置进行张紧和绳长调节，沿途采用托绳支撑，以维持钢丝绳在托轮间的贴合力；抱索器将乘人抱索器或物料箱与钢丝绳连接并循环运行，从而实现运送人员及物料的目的。其优势能长期运输，实现无人值守和远程智能监控运行，无需专门操作司机，维护工作量较少。这种矿用架空人车与斜井人车运输相比

3、较，具有更安全使用、运送能力大、动力消耗小，设备结构简单、维护工作量小等优点，深受井下工人的欢迎，大大提高了井下辅助运输的效率。与国内快速发展的煤矿采掘机械化水平相比，矿井辅助运输明显落后，已成为制约我国煤炭生产发展的主要因素之一。利用架空乘人装置运送井下人员，减少工人上下班的时间和体力消耗，对矿井的高产高效起到推动作用。矿用架空人车的最新发展方向呈现大运量、高速度、集中控制、稳定安全等特点。具有大运量、连续运输、连续变坡拐弯的特点，而且运行可靠，易于实现自动化和集中控制，经济效益十分明显。地下矿用架空人车也是煤矿乘人装置最为理想的高效连续辅助运输设备，特别是煤矿高产高效现代化的大型矿井，地下

4、矿用架空人车已成为矿井辅助运输机电一体化技术与装备的关键设备。随着高产高效矿井的发展，矿用架空人车的各项功能指标有了很大提高。1.2 研究目的和意义斜井人车是运送现场作业人员的重要设备，其工作性能既关系到安全生产，又影响设备的效率。传统的斜井人员运输，多是采用斜井绞车拖动斜井人车，工作效率低，影响行车安全的因素多，运行和维护成本高。因此，采用巷道内的架空运人缆车对原系统进行改造是一个理想的技术方案。缆车运人系统的电机功率远远小于绞车的电机功率，可节约大量的电能，降低运行成本，系统的结构简单，维护方便，并且能够连续工作，运人效率高。但是，在缆车运人系统中，巷道中设有拉线开关，在紧急情况下需轿厢内

5、人员将身体探出轿厢拉动拉线，操作人员的人身安全难以保证，存在严重的安全隐患。为进一步提高运人缆车运行与管理的现代化水平和操作的安全性能，应用计算机控制技术、测控技术和通讯技术，进行了基于物联网的矿山井下架空人车监控系统设计。设计将通过无线通讯技术、计算机技术、网络通讯技术可测控技术的综合应用，形成一个具有无线操作控制、语音通讯、轿厢检测和独立音乐播放功能的矿山架空缆车无线通讯与控制系统。项目的研究成果将大大提高架空运人缆车的技术性能和安全性能，可在保证安全生产和提高人车安全及管理水平方面发挥积极作用。物联网技术是一项蓬勃发展的新兴技术，受到国内外测控领域的普遍关注，其应用可以涉足到社会生产和生

6、活的各个领域。在我国一些在该领域走在世界的前列，在环境监测和环境控制等领域取得了一些应用成果。但是，这是一项全新的技术领域，与其相关的很多技术问题需要不断发展和完善。1.3 设计内容本次设计的内容是矿井架空人车无线监控系统上位机设计，具体包括以下几个方面的内容：组态王人机界面、数据处理模块、数据存储模块、接口转换电路、语音通讯模块五部分。系统结构设计如图1-1所示。0图1-1 系统结构设计图组态王人机界面：将窗体、命令按钮、文本框、选择框等对象按照用户的需要有机的组合在一起。组态王通过和底层单片机通讯，访问相关设备寄存器来获得各设备的运行情况，并通过动画连接等显示出来。 数据处理模块：系统中实

7、时数据由单片机进行采集、转换，并且由单片机通过通用单片机ASCII通信协议和组态王数据共享。当组态王要读取单片机数据时，将会向单片机发送基于该协议的读命令包，单片机响应后，将数据发送给组态王，进而对数据进行处理。数据存储模块：组态王可以对单片机采集的数据进行存储，方便日后对数据的整理和查询。接口转换电路：通过接口转换电路组态王可以与节点机进行通讯和数据交换。语音通讯模块：语音信号的采集与播放采用AMBE1000模块。AMBE是基于MBE技术的低比特率、高质量语音压缩算法，具有语音音质好和编码速率低等优点，在芯片内部有相互独立的语音编码单元和解码单元，可同时完成语音的编码和解码任务。并且所有的编

8、码和解码操作都能在芯片内部完成，不需要额外的存储器。这些特性使它非常适合于数字语音通信、语音存储以及其它需要对语音进行数字处理的场合。系统设计完成之后，控制室可通过组态王界面对系统的运行过程进行监控和控制，也可以一对一选择不同缆车进行通讯，每个缆车中工人也可以主动要求与控制室通讯，实现双向通讯。2总体设计方案本次设计所要设计的上位机，首先要有良好的可视化界面，在完善功能的基础上对界面进行美观和复杂化，并对各个功能进行扩展，提高其应用的普通型。对各个功能按钮进行程序设计，实现各部分功能，完成调试，实现PC机。与单片机进行通信，最终实现人机界面。数据的处理和存储都是由组态王软件完成。在与轿厢机语音

9、通信方面，采用AMBE-1000模块实现全双工语音通讯。此外在与节点机连接时，需要一个接口转换电路。2.1系统功能与组成2.1.1 系统所要实现的功能（1）系统能够对人车的运行状态进行监控；（2）系统能够对节点机发送来的数据进行接受和处理，并提供相应的可视化菜单；（3）系统能够对轿厢机发送相应的控制信号；（4）系统能够在遇到异常情况发生报警信号的时候，对报警信息进行处理；（5）系统能够一对一选择不同的轿厢进行通讯，每个轿厢中的工人也可主动要求与控制室通讯，实现双向通讯。2.1.2 系统的组成根据系统的设计及控制要求，系统可分为以组态王为基础的人机界面、接口转换电路、语音通讯模块三大部分。（1）

10、 人机界面人机界面是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。人机界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或称界面所说人机结合面，信息交换，功能接触或互相影响，指人和机器的硬接触和软触，此结合面不仅包括点线面的直接接触，还包括远距离的信息传递与控制的作用空间。人机结合面是人机系统中的中心环节，主要由安全工程学的分支学科安全人机工程学去研究和提出解决的依据，并过安全工程设备工程学，安全管理工程学以及安全系统工程学去研

11、究具体的解决方法手段措施安全人机学。它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。现在大量运用在工业与商业上，简单的区分为“输入”（Input）与“输出”（Output）两种，输入指的是由人来进行机械或设备的操作，如把手、开关、门、指令（命令）的下达或保养维护等，而输出指的是由机械或设备发出来的通知，如故障、警告、操作说明提示等，好的人机接口会帮助使用者更简单、更正确、更迅速的操作机械，也能使机械发挥最大的效能并延长使用寿命，而目前市面上所指的人机接口则多界狭义的指在软件人性化的操作接口上。（2） 接口转换电路随着计算机产业的不断发展，USB接口越

12、来越成为主流。由于其支持热插拔且数据传输速度越来越快的优点，USB已经成为计算机的标准接口。然而在工业领域，工业产品的接口技术发展相对缓慢，工业现场中的许多设备仍然使用RS485接口，另外I2C和SPI也是两种比较主流的串行总线，它们的传输线少，速度快，可靠性高。但是往往工业产品所需要的控制程序还是在基于计算机的软件里完成，比如可编程控制器、人机界面、变频器等等，需要将计算机里的控制程序下载到工业产品里。目前很多厂家开发了这种转换技术，但很多转换器只提供RS485、I2C和SPI接口中的一种或两种，并且大多转换器的USB接口都是用“虚拟串口”来实现，在实际应用中很不方便。为了适应这种现实情况，

13、很有必要使用USB到RS485，I2C，SPI的转换技术，同时提供这三种接口来实现计算机与带有此接口的设备之间的数据传输。（3） 语音通讯模块 图2-1 语音通信模块框图语音处理模块的框图如图所示，其中AMBE-1000是语音处理模块的核心，它起到解压语音信息的功能。当压码时，它通过话筒采集语音信息，将其压缩，然后被主控制芯片读取，将语音数据必送出去。处于解码状态时，主控制芯片将语音处理发送给语音芯片，语音芯片解压语音编码，能过D/A转换器，然后将模拟信号放大，再通过喇叭广播出去。4 接口转换电路的设计在微机领域中，USB是最流行的串行数据总线，而在工业控制领域中，RS485无疑是目前最流行不

14、过的串行通讯总线了。在工业应用系统中，常需要解决USB和RS485相互通讯的问题。本设计以CYGNAL公司的桥接器芯片CP2101为核心设计和实现了USB和RS485的转换器。4.1 串口数据通讯4.1.1USB 总线标准简介USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种应用在PC领域的新型接口技术，在微机领域广泛应用,主要具有以下优点：可以热插拔；携带方便；标准统一；可以连接多个设备。USB在PC上往往具有多个接口，可以同时连接几个设备，如果接上一个有4个端口的USB HUB时，就可以再连上4个USB设备，以此类推连下去。4.1.2 RS48

15、5总线标准简介在工业控制数据通讯中，RS485通讯数据总线应用最为广泛。RS2485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，故传输信号能在1000m以外得到恢复 RS2485在19kpbs下能传输1200m ，用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS2485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。RS2485只能半双工工作，发收不能同时进行，但它只需一对双绞线。4.1.3 USB和RS485的通讯在工业控制中，需要在PC机上监控远程现场的运行情况。这样，可以通过USB接口转换成RS485

16、总线与远程现场的智能仪表进行数据通讯。以下对USB和RS485通讯接口进行设计。4.2 USB和RS485通讯接口的结构USB和RS485通讯接口的结构如图4-1所示。我们使用芯片CP2101作为USB与UART的数据转换器，然后再使用MAX1483作为UART与RS485总线的数据转换器。由CP2101输出的UART信号能够驱动集成器件MAX1483，因此在CP2101 与MAX1483 之间再加上一个驱动芯片1G07，详细的电路图如图4-2。 图4-1 USB与RS485通讯接口结构4.3 USB 和RS485 通讯接口的电路原理图4-2中详细描绘了USB和RS485通讯接口的电路原理。图

17、中左边的CON4是USB总线的端子，USB采用的是4线结构,其中1号线是电源线VBUS，4号线是地线GND，2 、3号线分别是差模信号数据线D-和D+。 图4-2 USB和RS485通讯接口的电路原理图4.3.1 CP2101 功能说明此通讯接口电路中的核心部件是CYGNAL公司的USB转UART桥接器CP2101。CP2101 是一种高度集成的USB转UART桥接器,提供一个使用最小化的元件和PCB空间实现UART转USB的简便的解决方案。该芯片包含一个USB2.0全速功能控制器、USB收发器、振荡器、512个字节的E2 PROM和带有调制解调器控制信号的通用异步串行数据传输端口(UART)

18、,所有功能都集成在一个5mm5mm MLP228封装的IC中。CP210的内部结构和引脚定义分别如图4-3和表2所示。CP210包含一个USB2.0全速功能控制器、USB收发器、振荡器、512个字节的E2PROM、电压调节器和带有调制解调器控制信号的通用异步串行数据传输端口(UART)。CP2101中的USB功能控制器符合全速(12Mbps)USB2.0规范,并且集成了USB收发器和片内相应的上拉电阻。USB功能控制器管理USB和UAR间所有的数据传输以及由USB主控制器发出的命令请求和用于控制UART功能的命令。 图4-3 CP2101内部结构图CP2101支持USB的终止和恢复信号功能，这

19、样便于CP2101器件以及外部电路的电源管理. 当在总线上检测到终止信号时，CP2101将进入终止模式。在进入终止模式时，CP2101会输出SUSPEND和/SUS2PEND信号。SUSPEND和/SUSPEND在一个CP2101复位后也会输出，直到在USB要求的器件配置完成。CP2101在下述任何一种情况时退出终止模式：(1) 在USB总线上检测到恢复信号；(2)在总线上检测到一个USB 复位信号；(3)CP2101 设备硬件复位。有一点要注意的是：SUSPEND和/SUSPEND引脚在CP2101复位期间均为高电平，如果此时对设计的电路有影响，可以在/SUSPEND引脚外接一个10k的下拉

20、电阻。CP2101的UART接口包括TX(发送)和RX(接收)数据信号以及RTS，CTS，DSR，DTR，DCD和RI控制信号。UART支持RTS/CTS，DSR/DTR 和X2On/ X2Off 握手协议。CP2101的UART接口支持多种数据格式和波特率，由在微机上通过软件编程设置，所支持的数据格式和波特率如表1 所示。CP2101包括一个内置的E2PROM。这个内置的E2PROM可以用于存储自定义的USB设备供应商身份识别(ID)，产品代码，产品描述字符串，功率，设备版本号和序列号等数据。注意对于连接到同一个PC 机的多个CP2101的设备，需要惟一的序列号。CP2101从USB总线的V

21、BUS信号线提取电源。CP2101片内包括一个实现5V转3V电压调节器。电压调节器的3V电压从VDD引脚输出，使得外部的设备可以从CP2101 上提取电源。4.3.2MAX1483功能说明MAX1483是MAXIM公司生产的低功耗RS422/485与UART转换器件。其中的A、B引脚接RS422/485总线；DI为UART信号输入引脚；DE为UART转换RS422/485信号允许引脚；RO 为RS422/485信号转换UART输出引脚；/ RE为RS422/485信号转换UART允许引脚，低电平有效；GND接地；VCC接+ 5V 直流电源。4.3.3 微机与设备通过USB和RS485的数据通讯

22、图2设计的USB到RS485的转换接口电路，只能进行主从式数据通讯，由微机作为主机，连接RS485的设备只能作为被动传输数据的从机。当主机没有发送数据时，CP2101的TxD引脚处于空闲状态，为高电平，经反相后为低电平，此时接收允许信号/RE有效，主机可以接收数据，数据从RO引脚输入到CP2101RxD引脚。当主机发送信号1时，DE和DI同时为高电平，RS485总线上的数据为信号1；当主机发送信号0时，DE和DI同时为低电平，MAX1483没有输出数据的信号，因而RS485总线上的数据为信号0。 4.4 USB 和RS485 通讯接口软件设计要使微机通过设计的USB与RS485的转换电路与设备

23、进行通讯，需要在微机上设计通讯软件。微机上应用程序访问CP2101有两种方式：一是自行编写USB设备驱动程序,与CP2101通讯；二是通过CYG2NAL公司提供的免费的驱动程序与CP2101通讯。CYGNAL公司提供的免费的驱动程序把连接在USB总线上的CP2101作为一个虚拟的串口, 因此对CP2101的操作就与操作一个串口一样简单。应用程序访问串口也有很多种方法，可以通过MSCOMM控件或SPCOMM控件，也可以使用Windows操作系统的API来访问。下面使用微软提供的MSCOMM控件介绍微机与转换器通讯软件的设计。要使用MSCOMM控件，则首先要安装控件。如果在微机上安装了Micros

24、oft Visual Basic，则MSCOMM控件已经自动安装，否则需要手动安装。在Microsoft Visual Basic的光盘上找到MSComm32.ocx 文件, 复制到系统的System32目录下，然后在Windows的“开始”菜单中的运行中键入regsvr32MSComm32.ocx ,按“确定”按钮,即完成MSCOMM控件的安装. 安装完成后，MSCOMM控件可以在Mi2crosoft Visual C+、Microsoft Visual Basic、BorlandC+ + Builder 和Borland Delphi 中使用。MSComm控件有很多重要的属性,但首先必须熟

25、悉几个最常用最重要的属性。CommPort设置并返回通讯端口号。Settings以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。PortOpen设置并返回通讯端口的状态。 也可以打开和关闭端口。Input从接收缓冲区返回和删除字符。Output向传输缓冲区写一个字符串。RThreshold触发串口OnComm事件接收缓冲区字符数的阈值。当接收缓冲区字符数大于这个阈值时，将触发OnComm事件。SThreshold触发串口OnComm事件发送缓冲区字符数的阈值。当发送缓冲区字符数小于这个阈值时，将触发OnComm事件。在微机上安装了CYGNAL公司为CP2101提供的免费的驱动程序后，

26、转换器接到微机上后将以一个虚拟的串口出现，如COM3。这样与转换器通讯就和串口通讯的操作相同。微机与现场仪表的通讯要根据仪表的通讯协议，目前比较流行是MODBUS现场总线协议。 5语音处理模块的设计5.1主控电路的设计主控电路也可成为CPU模块，是整个设计的核心。负责对整个设计中所有数据的处理、存储、设备控制等工作。主控芯片为意法半导体Cortex-M3系列的STM32F103RBT6。这款芯片因为采用了ARM公司的高性能“Cortex-M3”内核，所以比较以往的8位单片机在性能上有很大的提升。内部资源非常丰富，有2个12位模数转换器、 7通道DMA控制器、7个定时器、2个I2C接口、3个US

27、ART接口等资源，可以满足设计的需要。系统主控电路如图5-1所示。图5-1 主控电路5.2 语音处理模块的设计根据对语音构成的分析，应运而生了多种对音频信号的压缩编码算法，如CELP、RELP、VSELP、MP-MLQ、LPC-10、MBE等，它们通过不同的算法，实现对音频信号的压缩。这些压缩编码算法的压缩率、语音质量各有所长，其中美国DVSI（Digital Voice System Inc）公司提出的先进多带激励AMBE（Advanced Multi-Band Excitation）压缩编码算法是其中的杰出代表。AMBE是基于MBE技术的低比特率、高质量语音压缩算法，具有语音音质好和编码速

28、率低等优点，AMBE-1000是一款高性能多速率语音编码/解码芯片，语音编码解码速率可以在24009600bps之间以50bps的间隔变化，即使在2400bps的时候，仍能保持自然的声音质量和语音可懂度。在芯片内部有相互独立的语音编码单元和解码单元，可同时完成语音的编码和解码任务。并且所有的编码和解码操作都能在芯片内部完成，不需要额外的存储器。这些特性使它非常适合于数字语音通信、语音存储以及其它需要对语音进行数字处理的场合7。 AMBE1000的原理图如图5-2所示。图5-2 语音处理电路AMBE1000是 Digital Voice Systems公司的语音编解码芯片，用来实现双工的语音压缩

29、/解压缩功能，能实现低传输速率下高质量的通话。它采用先进的 AMBE压缩算法，压缩速率最低可达2.4Kb/s。目前，这种算法以其能实现的低传输速率和高通话质量而在世界范围内得到了广泛应用，甚至用在下一代移动通信系统中8。具体来说，AMBE-1000具有如下独特之处： 低硬件成本和高通话质量； 无需外围辅助设备；比特差错和背景噪声良好的鲁棒性；可变传输速率2.4Kb/s9.6Kb/s；可自动插入舒适噪声；可选的串行和并行接口；自带回声抑制功能；DTMF信号的检测与产生；低功耗。AMBE-1000最基本的组成部分就是一个编码器和一个解码器，两者相互独立。编码器接收8KHZ采样的语音数据流（16bi

30、t线性，8bit A律，8bit U律）并以一定的速率输出信道数据。相反，解码器接收信道数据并合成语音数据流。编码器和解码器接口的时序是完全异步的。AMBE-1000读写一帧数据所需的时间远小于 20ms。也就是说在 20ms时间内，除了读 1帧或写 1帧数据外，处理器还有大量的时间做其它的事。这使人们有可能在半双工的低速信道内实现全双工的语音通话。AMBE-1000采用A/D-D/A芯片作为语音信号的接口。输入输出的语音数据流的格式必须是相同的（16bit线性的，8bit A律，8bit u律），信道接口采用8位或16位的微控制器。 图5-3 语音后处理电路CSP1027-S是D/A转换芯片

31、，其主要作用如下所述。芯片可选择的功能包括回声抵消、VAD（语音激活检测）、电源模式、数据/前向纠错速率的选择等，这些功能由外围管脚或输入到解码器的命令帧数来决定，并且送往解码器用于控制的数据和语音数据是不同的。A/D-D/A芯片的选择对所设计的系统的声音质量起着关键的作用。由于A律或U律压扩芯片在采样时对数据做了压缩以减少位数，为了声音质量的考虑，建议采用16 位线性的芯片。选择芯片时要特别注意信噪比以及滤波器的频率响应特性。 A/D-D/A的硬件接口是很灵活的，时钟和激励信号可以由外部送入也可以由内部产生给可编程A/D-D/A发送控制字需要一个额外的接口。信道接口使芯片易于集成到设计的系统

32、中。基本的信道接口包括串口和并口，它们都能工作于主动模式和被动模式，模式选择的控制信号可以由芯片内部给出也可以从外部送入。 常规操作时，每20ms编码器输出一帧编码过的数据，解码器需接收到这样的数据。编码器和解码器的数据需要格式化，格式化的主要目的就是为编码数据流提供对齐信息。数据的格式包括帧格式和非帧格式。并口模式只工作于帧格式，串口模式既可工作于帧格式也可工作于非帧格式。 帧格式和非帧格式两种格式都是为了实现相同的功能：为编码数据流提供定位信息。工作于帧格式时，每20ms由编码器送出一帧数据，该帧数据有固定的结构，其中包含了用于本地控制的状态标志位。实际上按一定波特率的编码数据才是帧格式中

33、需要在信道间传送的语音数据。帧格式下，系统需要在传送编码数据的同时传送足够的信息，这些信息用于在解码器端重构语音数据流。这些信息可以很具体，但至少要满足用于重构的要求。 非帧格式下，编码器的输出数据可以认为是连续的声音数据流，这些编码数据中包含了帧的信息。这种格式的优点是不会为信道加重带宽的负载。缺点是解码器在合成语音波形前需要接收10-12帧的数据才能达到与数据流同步的目的。同时，非帧格式下，每帧只指定一位用于数据的对齐，在更高误码率的信道中，需要增加更多的对齐位才能达到更高的性能（用帧格式就能很容易实现）。当工作于帧格式时，信道数据的接口可以是串行的也可以时并行的。而非帧格式只局限于串行。

34、另外帧格式使芯片既可以工作于主动模式也可以工作于被动模式，而非帧格式只能工作于被动模式。总的编码数据由两部分组成：语音数据和前向纠错数据。前向纠错数据加到语音数据中使解码器能够纠正一定量的错误而使数据帧不至于报废。如果信道传输时可能存在较多的错误，那么就应当增加前向纠错数据的位数。当然声音要达到高质量的话就必须有更多的语音数据位。图5-4 语音处理模块语音处理模块如图5-4所示。就功能来说，AMBE-1000是一款优秀的语音压缩处理器；就其能达到的最低压缩速率来看，已达到了世界先进水平，而且能够保证高质量的通话质量。这使得它在世界范围内得到了广泛应用；但其压缩算法为非标准算法，致使由 AMBE

35、-1000构成的语音处理系统只能用在某些专用网上。即使如此，它仍不失为在语音处理领域一款优秀的处理器。5.2 电源模块电源模块原理如图5-5所示。电源模块是一个开关电源电路，开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。图5-5 电源电路原理图其整体思路是先整流、PWM调制、稳压、滤波、直流输出。采用单闭环回路进行控制。图5-6 电源电路电源部分供电电压是交流220V电压，当交流供电电源的电压或输出负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。直流稳压电源的参数有电压稳定度、纹波系

36、数和响应速度等。电压稳定度表示输入电压的变化对输出电压的影响。纹波系数表示在额定工作情况下，输出电压中交流分量的大小；后者表示输入电压或负载急剧变化时，电压回到正常值所需时间。以改变调整元件(或开关)的通断时间比来调节输出电压，从而达到稳压。电源功耗小，效率可达85左右，只需在电路中加入一定的滤波电路，即可实现整个电路电压的稳定性。电源电路原理图如图5-6所示。同时电源电路中还包括稳压电路，其主要构成部分是稳压二极管。稳压二极管(又叫齐纳二极管)是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围

37、内（或者说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。图5-7 电源滤波电路电源滤波电路如图5-7 所示。电源滤波电路滤去电源中的纹波，可保证电源供电的稳定性。由于电路处于高开关电源的环境下以及电源的质量较差的环境下，通过滤波可保证电源的质量，以提高电源供电的平稳性。图5-8 电源模块电源模块实物如图5-8所示。其具有如下的特点：高效率、高可靠性，隔离单电压输出、体积特别小、功率密度大、占线路板空间小、隔离电压高、耐冲击性好、高低温特性好、能满足工业级产品技术要求、国际标准引脚方式、阻燃封装、满足UL94-V0要求、温升低、自然空冷、无需外加散

38、热片、无需外加元件可直接使用。因此本系统选用此电源模块。3组态界面设计自2000年以来，国内监控组态软件产品能、技术、市场都取得了飞快的发展，应用领域日益拓展，用户和应用工程数量不断增多。充分体现了“工业技术民用化”的发展趋势。在整个自动化系统中，软件所占比重逐渐提高，虽然组态软件只是其中一部分，但因其渗透能力强、扩展性强，近年来蚕食了很多专用软件的市场。因此，监控组态软件具有很高的产业关联度，是自动化系统进入高端应用、扩大市场占有率的重要桥梁。在工程实践中，经常要用组态软件完成工业现场的各种集中控制功能。而随着现代以工业PC为核心的自动控制集成系统的日趋完善和工程技术人员使用组态软件水平的不

39、断提高，用户对组态的要求侧重于实质性的应用功能，而不是过去的画面清晰简洁。而组态软件的开放性及组态环境的可扩展性为用户提供了其存在的巨大潜力。本设计主要完成用组态王软件构建上位机与单片机之间的通讯，为用户提供更方便可靠控制操作界面，方便其对工业现场的信号采集与控制。3.1 组态软件的功能特点组态软件具有数据信号采集、脚本功能、控制功能、支持Internet及可扩展性和开放性等功能特点。3.1.1 性质（1）组态软件的可扩展性可扩展性为用户提供了在不改变原有系统的情况下，向系统内增加新功能的能力，这种增加的功能可能来自于组态软件开发商、第三方软件提供商或用户自身。增加功能最常用的手段是Activ

40、eX组件的应用，目前还只有少数组态软件能提供完备的ActiveX组件引入功能及实现引入对象在脚本语言中的访问。（2）组态软件的开放性随着管理信息系统和计算机集成制造系统的普及，生产现场数据的应用已经不仅仅局限于数据采集和监控。在生产制造过程中，需要现场的大量数据进行流程分析和过程控制，以实现对生产流程的调整和优化。现有的组态软件对大部分这些方面需求还只能以报表的形式提供，或者通过ODBC将数据导出到外部数据库，以供其他的业务系统调用，在绝大多数情况下，仍然需要进行在开发才能实现。随着生产决策活动对信息需求的增加，可以预见，组态软件与管理信息系统或领导信息系统的集成必将更加紧密，并很可能以实现数

41、据分析与决策功能的模块形式在组态软件中出现。3.1.2 特点（1）数据采集方式大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以进行配置。这种情况下，只能由组态软件开发商提供，或者用户按照某种组态软件的接口规范编写。由OPC基金组织提供的OPC规范基于微软的OLE/DCOM技术，提供了分布式系统下，软件组件交互和共享数据的完整的解决方案。（2）脚本的功能脚本语言是扩充组态系统功能的重要手段。因此，大多数组态软件提供了脚本语言的支持。具体实现方式可分为三种：一是内置的类C/Basic语言；二是采用微软的VBA的编程语言；三是少数组态软件采用面向对象的脚本语言。类C/Basic语言要求用户使用类似高级语

42、言的语句书写脚本，使用系统提供的函数调用组合完成各种系统功能。微软的VBA是一种相对完备的开发环境，采用VBA组态软件通常使用微软的VBA环境和组件技术，把组态系统的对象以组件的方式实现，使用VBA的程序对这些对象进行访问。（3）对Internet的支持程度现代企业的生产已经趋向国际化、分布式的生产方式。Internet将是实现分布式生产的基础。组态软件能否从原有的局域网运行方式跨越到支持Internet，是摆在所有组态软件开放商面前的一个重要课题。限于国内目前的网络基础设施和工业控制应用的程度，在较长时间内，以浏览器方式通过Internet对工业现场的监控，将会在大部分应用中停留于监视阶段，

43、而实际控制功能的完成应该通过更稳定的技术，如专用的远程客户端、由专业开发商提供的ActiveX空间或Java技术实现。（4）组态软件的控制功能随着以工业PC为核心的自动控制集成系统技术的日趋完善和工程技术人员的使用组态软件水平的不断提高，用户对组态软件的要求已不像过去那样主要侧重于画面，而是要考虑一些实质性的应用功能，如软件PLC，先进控制策略等。3.2设计步骤1了解设计所需的控制要求；2使来自单片机的数据与计算机图形画面的各元素关联起来；3与采集、控制设备间进行数据交换；4最终生成的应用系统运行稳定可靠；3.3 人机界面的设计思路本设计是对架空人车的远程监控，所以监控画面需有架空人车的运行状

44、态监控画面。同时在人车运行中，监控画面上还需显示每个轿厢的人员乘坐状态。在运行过程中发生故障时，监控画面中应有实时的报警信息，同时能对报警信息做出相应的处理。在保证基本功能的基础上对画面进行美化。3.4 串口调试组态王软件作为一种工业控制组态软件在国内已得到了非常广泛的应用。其具有强大的硬件支持能力，对国内外绝大多数PLC、变频器、板卡、模块、仪器仪表都编写了相应的驱动程序，使用起来相当方便快捷。在本设计中，使用的硬件电路都是基于单片机的电路，选择的软件开发平台是组态王软件。因此，实现单片机与组态王的数据通讯是一个必须解决的问题。组态王提供了通过PC机与单片机串口进行十六进制数据通讯的驱动，而

45、驱动中已经规定好其通讯协议。所以只需要根据组态王的串口设备配置向导就能完成设备的连接。具体设备配置如图3-1所示。 图3-1 串口设备配置3.5 变量的定义人机界面需要与现场的实际情况实时同步，所以需要与外部数据采集程序直接进行数据交换，在这里组态王把这些进行交换的数据定义为变量。3.5.1 基本变量类型变量的基本类型共有两类：内存变量、I/O变量。IO变量是指可与外部数据采集程序直接进行数据交换的变量，如下位机数据采集设备（如PLC、仪表等）或其它应用程序（如DDE、OPC服务器等）。这种数据交换是双向的、动态的，就是说：在“组态王”系统运行过程中，每当I/O变量的值改变时，该值就会自动写入

46、下位机或其它应用程序；每当下位机或应用程序中的值改变时，“组态王”系统中的变量值也会自动更新。3.5.2 自定义变量为了与节点机进行数据交换，同时与图像画面进行动态连接，这里需要自己定义变量。具体的变量定义如图3-2所示。图3-2 自定义变量3.6 组态画面的建立画面是组态王显示系统工作状态的主要组成部分，一个良好的可视化界面能够让工作人员对系统的运行状况有最直观的了解。传统的人机控制界面许多过于单调乏味，本着与人为本的设计思想，画面的美观而形象生动，易于理解和操作是本次设计的目标之一。使用工程管理器新建一个组态王工程后，进入组态王工程浏览器，新建组态王画面。本设计共有3个画面分别为架空人车运

47、行主画面、报警、人员乘坐状态。图3-3 建立新画面3.6.1 架空人车运行主画面此画面主要显示轿厢的运行状态，以及与其他画面之间的切换都是在这个画面上完成的。由于组态王本身的画图功能并不是很强大，有许多功能不能在组态王软件中得到满足，所以在本设计中多处用到了组态王的点位图工具，它的使用是借助Windows的剪贴板，通过把在其它绘图软件中创建的图形复制到剪贴板，然后在组态王中使用编辑菜单中的粘贴点位图领命，将图形粘贴到创建好的点位图对象上。（1）背景画面背景画面是对井下的情况大体的模拟，对架空人车的运行环境有个简单的体现，同时也是为了让画面更加美观立体而设计的。通过简单的图形制作软件和组态王中点

48、位图的应用即可完成此部分的设计，具体设计如图3-4所示。图3-4 背景画面（2）轿厢与索道此部分是画面运行的主体部分，工作人员通过这部分能对系统运行状况有最直观的了解，如图3-5所示。图3-5 轿厢与索道由于组态王的图库中并没有合适的图库精灵，本身的作图能力也不是很强大，对较为复杂的图形的制作能力并不是很强，所以轿厢需要通过绘图软件自己制作，在由点位图工具添加进来。索道只需要组态王中简答的线条工具就可实现。（3）菜单菜单部分主要作用是显示日期和时间、系统运行状况、出现故障时的故障类型、故障复位按钮和人员监控画面切换按钮，如图3-6所示。图3-6 菜单最后将各个部分合理的结合在一起就完成了架空人

49、车运行主画面的整体了。最终效果图如图3-7所示。图3-7 架空人车运行主画面3.6.2 报警画面报警是系统运行中的重要组成部分，在运行过程中发生各类故障在所难免。但是如果能让监控人员及时发现系统故障信息，并及时通知维修人员对设备进行维修，就能够有效的减少人员伤亡和财产损失。所以有一个良好的报警画面和系统故障类型的反馈是本次设计的重要组成部分。1 系统运行提示（1）在系统正常运行时，系统菜单栏中，系统运行状态提示栏中显示“系统正常运行”。（2）在有人员需要上行或下行时，按下安装在厢道中的乘车请求按钮，系统正常停止，系统运行状态提示栏显示“系统正常停止”。（3）在系统出现故障时，系统因故障停止运行

50、，系统运行状态提示栏中显示“系统故障”。2 报警提示报警提示首先要给人最直观的提示，通知操作人员系统已发生故障，所以此画面设计的需要十分醒目，效果如图3-8所示。图3-8 报警画面此画面为弹出式画面，系统发生故障时自动弹出。在出现故障报警时，只有维修人员到现场进一步确认故障原因且处理故障，并确保设备正常后，才能由操作人员在监控画面上手动点击“故障复位”按钮关闭该画面，并重新启动设备。3 故障类型（1）机头、机尾越位报警当人员乘坐轿厢上行或下行进入机头或机尾的禁止越位点时, 由安装在机头或机尾禁止越位点的越位保护装置给控制系统一个越位的信号, 控制系统停机并发出故障报警, 同时人机界面显示窗口“

51、机头越位”或“机尾越位”标签和报警灯闪烁。（2）过速、欠速报警当系统运行中速度传感器检测到的运行速度低于设定速度的30% 或超过 20% 时 ,系统发出故障报警，同时人机界面显示窗口“过速保护”或“欠速保护”标签和报警灯闪烁。（3）重锤下限保护当重锤因牵引钢丝绳的伸长而下降，当下降到离地面 200mm 时, 此限位保护装装置将给控制系统一个限位信号，系统发出故障报警。同时人机界面显示窗口“重锤下限”标签和报警灯闪烁。（4）断绳保护钢丝绳在长期运行中出现断绳现象后 , 这时尾轮会迅速向后滑动 , 并触动断绳保护装置 ,控制系统接到信号后 , 将自动停止运行 , 并发出故障报警 ,同时人机界面窗口

52、“断绳保护”标签和报警灯闪烁。（5）急停故障在架空人车的每个轿厢内，安装有突然事故急停开关，在沿途任意一位置只要工作人员主动触发该按钮，相应的急停开关将给系统一个急停信号，控制系统将自动停止运行，并发出故障报警，同时在人机界面窗口“急停故障”标签和报警灯闪烁。3.6.3 人员乘坐状态画面为了对每部轿厢内的人员乘坐情况有最直观的了解，每部轿厢的座位下都会有一个感应开关，当有人员乘坐时，开关会给上位机一个触发信号，上位机会对此信号进行处理，并在人机界面上显示出来，效果如图3-10。图 3-10 人员乘坐状态画面此画面不需要长时间监控，可由工作人员在架空人车运行主画面上的“人员画面监控切换”按钮手动

53、切换，进入该画面后可由此画面中“退出”按钮退出此画面。3.7 命令语言程序命令语言都是靠事件触发执行的，如定时、数据的变化、键盘键的按下、鼠标的点击等。根据事件和功能的不同，包括应用程序命令语言、热键命令语言、事件命令语言、数据改变命令语言、自定义函数命令语言、动画连接命令语言和画面命令语言等。具有完备的词法语法查错功能和丰富的运算符、数学函数、字符串函数、控件函数、SQL函数和系统函数。各种命令语言通过“命令语言编辑器”编辑输入，在“组态王”运行系统中被编译执行。其中应用程序命令语言、热键命令语言、事件命令语言、数据改变命令语言可以称为“后台命令语言”，它们的执行不受画面打开与否的限制，只要

54、符合条件就可以执行。另外可以使用运行系统中的菜单“特殊/开始执行后台任务”和“特殊/停止执行后台任务”来控制所有这些命令语言是否执行。而画面和动画连接命令语言的执行不受影响。也可以通过修改系统变量“$启动后台命令语言”的值来实现上述控制，该值置0时停止执行，置1时开始执行。本设计中应用到的是应用程序命令语言，具体设计如下在工程浏览器的目录显示区，选择 “文件命令语言应用程序命令语言”，则在右边的内容显示区出现“请双击这儿进入对话框”图标，如图3-11所示。图 3-11 新建应用程序命令语言双击图标，则弹出“应用程序命令语言”对话框，具体的命令语言编写如图3-12图 3-12 应用程序命令语言此

55、部分的命令语言是与主画面中的轿厢运行状况相关联的，通过以上语句与相关的变量相结合实现了轿厢的循环移动。3.7.1 动画连接命令语言对于图素，有时一般的动画连接表达式完成不了工作，而程序只需要点击一下画面上的按钮等图素才执行，如点击一个按钮，执行一连串的动作，或执行一些运算、操作等。这时可以使用动画连接命令语言。该命令语言是针对画面上的图素的动画连接的，组态王中的大多数图素都可以定义动画连接命令语言。如主画面中“人员监控画面切换”按钮，双击该按钮，弹出动画连接对话框，如图3-13所示。图3-13 “人员监控画面切换”按钮的动画连接在“命令语言连接”选项中包含三个选项：按下时：当鼠标在该按钮上按下

56、时，或与该连接相关联的热键按下时执行一次。弹起时：当鼠标在该按钮上弹起时，或与该连接相关联的热键弹起时执行一次。按住时：当鼠标在该按钮上按住，或与该连接相关联的热键按住，没有弹起时周期性执行该段命令语言。按住时命令语言连接可以定义执行周期，在按钮后面的“毫秒”标签编辑框中输入按钮被按住时命令语言执行的周期。单击上述任何一个按钮都会弹出动画连接命令语言编辑器。其用法与其它命令语言编辑器用法相同。动画连接命令语言可以定义关联的动作热键，单击“等价键”中的“无”按钮，可以选择关联的热键，也可以选择、与之组成组合键。运行时，按下此热键，效果同在按钮上按下鼠标键相同。定义有动画连接命令语言的图素可以定义

57、操作权限和安全区，只有符合安全条件的用户登录后，才可以操作该按钮。本设计中多次用到命令语言连接，继续以“人员监控画面切换”按钮进行举例说明，如图3-14所示。图3-14 “人员监控画面切换”按钮的命令语言通过编写此命令语句即可实现，点击此按钮后画面会自动切换到“人员乘坐状态”画面，以达到画面切换的目的。3.8 图像画面与动画连接在组态王开发系统中制作的画面都是静态的，为了让画面能够实时的反应工业现状，就需要通过实时数据库，因为只有数据库中的变量才是与现场状况同步变化的。通过“动画连接”就可以实现画面的图素与数据库变量的连接。这样，工业现场的数据，当它们发生变化时，通过I/O接口，将引起实时数据

58、库中变量的变化，数据库中的变化发生变化以后，图像画面将发生相应的变化。3.8.1动画连接种类给图形对象定义动画连接是在“动画连接” 对话框中进行的。本次设计中要用的动画连接种类比较多，所以对动画连接的种类和功能进行具体的说明。在组态王开发系统中双击图形对象（不能有多个图形对象同时被选中），弹出动画连接对话框。对不同类型的图形对象弹出的对话框大致相同。但是对于特定属性对象，有些是灰色的，表明此动画连接属性不适应于该图形对象，或者该图形对象定义了与此动画连接不兼容的其它动画连接。属性变化：共有三种连接（线属性、填充属性、文本色），它们规定了图形对象的颜色、线型、填充类型等属性如何随变量或连接表达式

59、的值变化而变化（“连接表达式”的用法请见10.2节）。单击任一按钮弹出相应的连接对话框。线类型的图形对象可定义线属性连接，填充形状的图形对象可定义线属性、填充属性连接，文本对象可定义文本色连接。位置与大小变化：这五种连接（水平移动、垂直移动、缩放、旋转、填充）规定了图形对象如何随变量值的变化而改变位置或大小。不是所有的图形对象都能定义这五种连接。单击任一按钮弹出相应的连接对话框。值输出：只有文本图形对象能定义三种值输出连接中的某一种。这种连接用来在画面上输出文本图形对象的连接表达式的值。运行时文本字符串将被连接表达式的值所替换，输出的字符串的大小、字体和文本对象相同。按动任一按钮弹出相应的输出

60、连接对话框。用户输入：所有的图形对象都可以定义为三种用户输入连接中的一种，输入连接使被连接对象在运行时为触敏对象。当TouchVew运行时，触敏对象周围出现反显的矩形框，可由鼠标或键盘选中此触敏对象。按SPACE键、ENTER键或鼠标左键，会弹出输入对话框，可以从键盘键入数据以改变数据库中变量的值。特殊：所有的图形对象都可以定义闪烁、隐含两种连接，这是两种规定图形对象可见性的连接。按动任一按钮弹出相应连接对话框。滑动杆输入: 所有的图形对象都可以定义两种滑动杆输入连接中的一种，滑动杆输入连接使被连接对象在运行时为触敏对象。当TouchVew运行时，触敏对象周围出现反显的矩形框。鼠标左键拖动有滑

61、动杆输入连接的图形对象可以改变数据库中变量的值。 命令语言连接：所有的图形对象都可以定义三种命令语言连接中的一种，命令语言连接使被连接对象在运行时成为触敏对象。当TouchVew运行时，触敏对象周围出现反显的矩形框，可由鼠标或键盘选中。按SPACE键、ENTER键或鼠标左键，就会执行定义命令语言连接时用户输入的命令语言程序。按动相应按钮弹出连接的命令语言对话框。等价键：设置被连接的图素在被单击执行命令语言时与鼠标操作相同功能的快捷键。优先级: 此编辑框用于输入被连接的图形元素的访问优先级级别。当软件在TouchVew中运行时，只有优先级级别不小于此值的操作员才能访问它，这是“组态王”保障系统安

62、全的一个重要功能。安全区：此编辑框用于设置被连接元素的操作安全区。当工程处在运行状态时，只有在设置安全区内的操作员才能访问它，安全区与优先级一样是“组态王”保障系统安全的一个重要功能。3.8.2表达式与运算符连接表达式是定义动画连接的主要内容，因为连接表达式的值决定了画面上图素的动画效果。表达式由数据字典中定义的变量、变量域、报警组名、数值常量以及各种运算符组成，与C语言中的表达式非常类似。在连接表达式中不允许出现赋值语句，表达式的值在“组态王”运行时计算。变量名和报警组名可以直接从变量浏览器中选择，出现在表达式中，不必加引号，但区分大小写，变量的域名不区分大小写。连接表达式中可用到的运算符如下：取补码，将整型变量变成2的补码。*乘法/除法模运算加法减法（双目）&整型量按位与|整型量按位或整型量异或&逻辑与|逻辑或大于=大于或等于= =等于!=不等于39 / 39文档可自由编辑打印