基于CAN总线的井下多参数监控系统的设计

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1、基于CAN总线的井下多参数监控系统的设计摘要：煤矿井下作业远离地面, 地形复杂、环境恶劣、与地面人员间沟通不便。近年来, 煤矿发生事故的数量在不断增加, 如何加强安全生产, 提高监测监控能力,处理好安全与产量的关系, 如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测监控职能, 有效进行矿工管理, 安全高效运作, 显得尤为重要和紧迫。因此，研制一种性能可靠、成本低的煤矿井下多参数智能监测系统非常必要。监测井下生产状况参数包括监测矿井空气中有害或危险成分、矿井空气物理状态、通风设备运行状态以及其他参数。一般监测对象包括瓦斯、风速、负压、温度、液位等。井下生产状况参数监测的工作环境恶劣、监测点分散、监测种类多、

2、测点数量大、通信距离远，并且对实时性和可靠性要求极高。本论文的实现采用当前流行的虚拟仪器技术实现上位机交互，并利用单片机成本低、集成度高、易于相互及与计算机通信等特点，开发了一种新型的井下多参数智能监测系统。关键词：井下多参数、监控系统、CAN总线、煤矿安全、智能监测1、课题的背景与意义煤矿生产是与国计民生密切相关的一个领域，其中，煤矿安全是煤矿生产的前提。煤矿安全问题不仅影响到社会经济，更关系到每个矿业人员的生命安全。 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，2007年全国原煤产量达2523亿吨，比上年增长99，比年2002增长783，5年内净增1108亿吨，这在中国和世界煤炭工业史上都是空前

3、的，煤炭作为主要能源的格局在今后50年内不会改变。但长期以来，煤矿安全状况一直是制约煤炭工业发展的重要因素。特别是进入上世纪90年代以来，世界主要采煤国家的煤矿安全状况己得到根本好转，尤其是美国和澳大利亚煤炭工业事故伤亡率己低于其他工业行业，成为最安全的行业。相比较而言，我国煤矿总体安全水平不仅远落后于工业发达国家，且落后于不少发展中国家。据统计资料，2002年，美国煤矿产商品煤1368亿吨，事故死亡人数为36人；而我国产煤1415亿吨，事故死亡人数高达6597人，是美国的183倍。到2007年，中国煤产量占世界的39，而煤矿事故死亡人数占世界的80以上，煤矿事故死亡率为美国的114倍。从总体

4、上看，我国煤矿事故仍然较多，个别地区重、特大事故时有发生，煤矿安全生产隐患依然存在。除去人为因素，分析我国煤矿事故频发的客观原因，主要存在以下三点：1）煤层赋存条件差，瓦斯灾害严重。开采强度的不断增强，煤与瓦斯突出的危险性也在不断增加，突出危险区域也在不断扩大。2）地下水防治难度增大。近年来，随着煤矿开发生产的深度不断加大，水害产生的条件、水害威胁的程度以及水害形成的机理都在发生着较大的变化，对分析并下突水的水源、导水通道和补给强度造成很大困难，从而增加了水害治理的难度。3）采、掘、机、运、通各大系统新技术与新设备开发相对滞后。大多数新技术与新设备处在摸索阶段，尚不成熟、不稳定。特别是井下设备

5、监控系统的发展更是缓慢，无法适应越来越复杂的开采环境。本课题的任务就是实现对井下多参数控制系统的设计。监测井下生产状况参数包括监测矿井空气中有害或危险成分、矿井空气物理状态、通风设备运行状态以及其他参数，它为采煤作业提供安全的计术分析与参数。2、系统总体设计根据设计要求，经过分析设计，井下多参数智能监控系统由监测分站系统、CAN总线通信系统、上位人机交互(监控计算机)以及煤矿安全专家系统(数据库查询服务器)组成。其系统结构图如图1所示。2.1 监测分站系统监测分站系统采用高性能ATmega48单片机作为主控器件，外接多个瓦斯、位移、压力等传感器，经过外部模拟电路，送人单片机内置高精度AD转换器

6、，实现多路模拟量的实时采集，并通过CAN总线通信系统实现与上位人机交互的数据交换。另外，监控分机还可实现瓦斯、压力等参数超标时的井下声光报警，并根据上位人机交互命令进行相应的控制操作，有效避免事故的发生。矿井监控系统，是应煤矿生产自动化和管理现代化的要求，为确保安全、高效生产，在便携式检测仪器、半固定式、固定式检测装置的基础上，应用遥测、遥控技术、监视及计算机的开发而发展起来的多种现代化技术装置组成的系统。对煤矿井上井下的有关气体、环境及有关生产环节的机电设备运行状态等进行检测、监视，用计算机对采集的数据进行分析处理，对设备局部生产环境或过程进行控制的一种安全管理系统。矿井监测监控系统不同于一

7、般工业监控系统与之相比有以下特点:1）电气防爆。系统在有瓦斯与煤尘环境的矿井下，其设备必须是防爆型。2）传输距离远。系统的传输距离至少要达10km。3）网络结构宜采用树形结构。由于巷道为分支结构，且分支长度可达数千米。为便于系统安装维护，节约传输电缆，降低成本，宜采用树形结构。4）监测对象变化缓慢。监控对象为缓慢量，系统对传输速率要求不高。5）电网电压波动大。大型设备启动，影响电网电压。6）工作环境恶劣。潮湿、粉尘、瓦斯。7）传感器宜采用远程供电。不宜采用中间继电器。延长系统传输时间；有源设备，故障率高。因此，矿井监控系统除应能满足矿井信息传输要求外，还应满足下列要求：1）系统应具有模拟量、开

8、关量和累计量监测功能。2）系统应具有声光报警、模拟量和开关量手动与自动控制功能。3）系统应具有备用电源，当电网停电后，系统应能对主要监控量连续监控、继续监控时间应不小于2小时。4）系统应具有自检功能。当系统中传感器、分站、传输电缆等设备发生故障时，报警并记录故障时间、故障设备、以供查询及打印。5）系统应双机备份，并具有手动切换功能（自动切换功能可选）。当工作主机发生故障时，备份主机投入工作，保证系统的正常工作。6）系统应具有实时存盘功能，其存盘内容包括甲烷、风速、负压、一氧化碳等重要测点模拟量的实时监测值；模拟量统计值(最大值、平均值、最小值)；报警及解除报警时间及状态；断电复电时间及状态；断

9、电复电逻辑关系不符报警时间及状态；设备开停时间及状态；累计量值；设备故障恢复正常工作时间及状态等。在这些存盘项目中，除重要监测模拟量的实时监测值存盘记录应保持24小时外，其余均应保存3个月以上，并且当系统发生故障时，丢失上述信息的时间长度应不大于10分钟。7）系统应具有列表显示功能。模拟量及相关显示内容包括地址、单位、报警门限、控制门限、监测值、最大值、最小值、平均值、传感器故障、闭锁与解锁等。开关量显示内容包括地点、名称、单位、累计值等。8）系统应具有模拟量实时曲线和历史曲线显示功能。在同一坐标上用不同颜色显示最大值、平均值、最小值3种曲线。在一屏上，同时显示不小于3种模拟量，并设有标尺，可

10、显示对应时间标尺的模拟量值。9）系统应具有柱状图显示功能，以便直观地反应设备开机率。显示内容包括地点、名称、最后一次开/停时刻和状态、工作时间、开机率、开/停次数、传感器状态、闭锁与解锁等，并设时间标尺。10）系统应具有模拟动画显示功能，以便形象、直观、全面地反应安全生产状况。显示内容包括工程流程模拟图、相应设备开停状态、相应模拟量数值等。为满足大型复杂生产系统的需要，应具有漫游、总图加放大、分页显示等功能。为了使用模拟图，除具有一幅显示全矿概况的总图外，一般按使用功能划分多个系统图，例如，通风安全系统模拟图、轨道运输系统模拟图、胶带运输系统模拟图、提升运输系统模拟图、供电系统模拟图、排水系统

11、模拟图、巷道布置图、避灾路线图等。11）系统应具有设备布置图显示功能，以便及时了解系统配置、运行状况、便于管理与维修。显示内容包括传感器、执行机构、分站、电源箱、主站和电缆等设备的设备名称、位置和运行状态等。若系统庞大一屏容纳不了，可漫游、分页或总图加局部放大。12）系统应具有报表、曲线、柱状图、模拟图、初始化参数等召唤打印功能（定时打印功能可选），以便于报表分析。13）系统应具有人机对话功能，以便于系统生成、参数修改、功能调用、控制命令输入。14）系统应具有防雷措施，防止雷电击毁设备，引起井下瓦斯事故。15）系统应具有抗干扰措施，防止架线电机车火花、大型机电设备启停等电磁干扰影响系统正常工作

12、。16）系统分站应具有初始化参数掉电保护功能，以防分站停电后，初始化参数丢失。17）系统宜具有工业电视图象等多媒体功能，以便提高信息的利用率。18）系统宜具有网络通信功能，以便矿领导及上级主管部门对监控信息的利用。19）地面设备应具有防静电措施。20）系统应工作稳定，性能可靠，出厂前要进行连续7天的稳定性试验，系统软件死机率应小于1次/720小时。21）系统应整幅实时数据画面的响应时间应小于5秒。22）电源波动适应范围：（地面）90-110% （井下）75-110%。信息传输要求是矿井安全监控系统硬件通用、软件兼容、信道共享、信息共享的基础，对促进矿井安全监控产品标准化、提高产品质量具有重要作

13、用：1)传输介质。矿井监测监控系统的传输介质可以是电缆、光缆等传输介质。2)网络结构。为便于系统安装维护、节约传输电缆、降低系统成本，宜采用树形网络结构也可采用环形、总线形、星形或其他网络结构。3)工作方式。矿井监测监控系统宜采用多主或无主工作方式也可采用主从等其他工作方式。4)连接方式。为满足环境安全、轨道运输、胶带运输等就地监控的需要，可单层连接又可多层连接。5)传输方向。单向传输仅适用于监测系统，全双工传输适用于传输通道较多、信号带宽要求较大及远程遥控等场合。6)最大巡检周期。为保证实时性需对最大传输容量下的巡检周期做规定。7)最大节点容量。译码能力一般与地址场的字长有关，物理层是决定节

14、点容量的关键因素。此外，还应对信号、同步方式、调制方式、字符、帧格式、输入输出方式、传输速率、误码率、传输处理误差、最大传输距离、最大节点容量等进行规定。总之，尽管我国煤炭企业数量多、分布广、规模多样，开发出一种适合于各种条件的通用的矿井安全监控系统较难。但是，随着传感器技术、电子技术、计算机技术和信息传输技术的发展，煤炭行业内外科技人员经过不懈努力，将开发研制出满足大、中、小煤矿不同层次需求的矿井监测监控系统。2.2 CAN总线通信系统控制器局部网（CANCONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等

15、优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将 5C技术-COMPUTER（计算机技术）、CONTROL（自动控制技术）、COMMUNICATION（通信技术）、CRT（显示技术

16、）和 CHANGE（转换技术）紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线（FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善

17、提供更加丰富的依据。控制器局部网 CAN（CONTROLLER AERANETWORK）正是在这种背景下应运而生的。由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制订并发布了 CAN技术规范（VERSION 2.0）。该技术规范包括A和B两部分。2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，能提供11位地址；而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式，提供29位地址。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具-数字信息交换-高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（

18、ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。由于其卓越性能CAN总线的应用从汽车的电子行业扩展到机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器及传感器等领域，CAN已经形成了国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一，具有以下特点：1）CAN总线是国际标准的工业级现场总线，具有可靠性高，支持多处理器，链路简单，并支持优先级处理。2）采用多主工作方式，网络上任意节点均可主动向其他节点发送信息，且可按系统实时性要求分成不同的优先级，一旦发生总线冲突可减少总线仲裁时间。3）采用短帧结构并有硬件CRC 校验，受干扰概率低，总线占用时间短，可保证通信的实时性

19、。4）发送的信息遭到破坏后，可自动重发，节点在错误严重时具有自动退出总线的功能，不影响总线的通讯。5）其传输介质可用双绞线、同轴电缆或光纤，通信速率最高达1Mbps/40m和5Kbps/10km。6）单条总线可接110 个节点，并可通过网桥方便地扩充节点数。CAN总线是最早被ISO制定为国际标准的现场总线。它采用了OSI模型中的物理层和数据链路层,提高了实时性。其节点有优先级设定,可随时发送消息,支持点对点、一点对多点和广播模式通信。传输介质为双绞线,通信速率与总线长度有关。CAN总线采用短消息报文,每一帧有效字节数为8个;当节点出错时,可自动关闭,抗干扰能力强,可靠性高。CAN总线通常采用双

20、绞线传输,距离随速率增高而减小,125kbps时约为550m。为了解决高速和远距离之间的矛盾,这里采用了数字复用、光纤传输的方法。15路125kbps的CAN信号复接后,利用光缆中的一对光纤,连接15个分站和1个中心站,通过内部的网络管理,构成光纤自愈环的拓扑结构,实现多路CAN的远距离可靠传输。每个分站分/复接一路CAN,通过双绞线连接一个CAN局域网,各种智能节点(传感器、执行器和控制器)可以很容易的挂接在这条总线上。现有监测监控系统的传统型分站,也可以通过转换网关实现兼容。在中心站,则完成15路CAN的完全分/复接。本设计中CAN总线通信系统的主要功能是实现多个监控分机与上位人机交互(监

21、控主机)的数据通信，将实时采集的模拟数据通过CAN总线传输。2.3 上位人机交互人机交互系统以Lab WindowsCVI虚拟仪器作为开发平台，利用图形化的软面板、丰富的数字信号处理库和高级函数分析库资源，借助于计算机的强大功能实现与板卡之间的控制信息和采集信息之间的数据交换、历史数据分析、数据曲线拟制等功能。根据ARM板上的液晶接口，液晶控制器采用东芝的T6963C的杭州清达光电公司的HG2401281BLWH型号的240 X 128分辨率的图形LCM，是一个文字与绘图模式的点矩阵液晶显示(LCD)控制器，可以用在显示文本、图形或文本图形混合显示的模式，因此它可以显示文本、图形或8行15列个

22、1616点阵汉字。它的主要技术参数和性能：电源操作范围：45-,55V显示内容：240(列)X 128(行)全屏幕点阵可直接与80系列的8位微处理器接口占空比1128工作温度：一10-+60，存储温度：-20-+80显示模式：STN蓝膜LCD背光特性：LED背光(白色)模块驱动IC封装方式：TQFP视角方向：6：00功耗：小于20mA(不含背光)2.4 煤矿安全专家系统煤矿安全专家系统采用Microsoft Access 2003作为开发软件。将历年各种模拟量参数指标以及在具体情况下避免事故发生需要采用的操作进行汇总，供人机交互系统查询。人机交互系统根据查询结果发送相应的控制命令，从而最大限度

23、地减少事故。另外，此系统还将打印分析的参考意见，供地面工作站人员查询，以便实时改进。中国是世界上最大的煤炭生产和消费大国。近些年随着煤炭供需紧张，引起大大小小企业争抢煤炭资源的矿业权，部分企业一味追逐煤矿财富时，煤矿的安全往往被忽视甚至将其抛掷脑后,一部分企业重生产、轻安全的“单效益模式”经济追求，使“矿难事故”成为频频进入人们视野的一个新闻词汇。建国以来，煤矿矿难死亡人数过百的已有19次，最大矿难事故发生在山西大同，死亡达600多人。煤矿安全系统数字化革命势在必行。煤矿标准：煤矿是个容易发生爆炸的危险场所。危险场所的危险性划分如表所示：爆炸性物质区域定义中国标准美国标准气体 (CLASSI)

24、在正常情况下，爆炸性气体混合物连续或长时间存在的场所0区Div.1在正常情况下爆炸性气体混合物有可能出现的场所1区在正常情况下爆炸性气体混合物不可能出现，仅仅在不正常情况下，偶尔或短时间出现的场所2区Div.2粉尘或纤维(class11/111)在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物可能连续，短时间频繁地出现或长时间存在的场所10区Div.1在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物不能出现，仅仅在不正常情况下，偶尔或短时间出现的场所11区Div.2煤矿的爆炸物质主要是气体，属于I型的0区或l区、2区。爆炸性危险气体分类，根据可能引爆的最小火花能量，我国和欧洲及世界上大部分国家

25、和地区将爆炸性气体分为四个危险等级，如表所示。工况类别气体分类代表性气体最小引爆火花能量矿井下I甲烷0.280mJ矿井外的工厂II A丙烷0.180mJII B乙烯0.060mJII C氢气0.019mJ3、 监控系统硬件设计监控系统主控器件以及外围电路如图2所示，其中外围电路包含CAN总线通信电路、MAX1232外置看门狗电路、8路模拟量采集电路以及分时选通器件4051电路等。任意一路模拟量采集电路如图3所示。图2和图3配合使用，监控系统最多监控48路模拟量信号，大大扩展了采集范围，并采用单片机内置的高精度10位AD转换器，在简化电路的同时，保证了其监测精度和速度。其工作原理：将传感器接人(

26、J1)，当传感器参数发生变化时，模拟量采集电路将此信号放大，经过RC滤波电路，送入4051的一路通道，经单片机控制选通后，送入单片机AD转换器，得到AD转换值。单片机将此数据通过CAN总线器件片送给上位人机交互，人机交互(监控主机)将此数据与安全值相比较，如变化不大，则继续监测；如发生很大偏差，则将此信息传递给专家系统，专家系统经过分析后，得出相应操作指令并将其反馈给人机交互(监控主机)，上位人机交互再将控制信息传递给单片机。从而产生相应的操作，以确保井下安全。1）Atmega48 单片机：是支持CPU工作的最小系统。启动电源后，存储在EPROM中的分站工作程序立即执行，显示分站地址号，进行正

27、常工作程序。低功耗系统设计首要是选择合适的单片机。Atmega48 单片机是一款 8 位微控制器，具有高性能、低功耗的显著特点。由于采用RISC 精简指令集结构，其指令集大多为单周期指令，具有高速运行的特点。3V 供电时，未使能内部看门狗的情况下，Atmega48 的典型掉电电流小于1uA。具体工作电流见图1。而且该单片机在1.8V5.5V 的电压范围内均能正常工作，片内自带 4K 字节的flash、256 字节的E2PROM,以及512字节SRAM；并内置68 路10 位AD 转换器、看门狗、3 个16 位的定时/计数器、具有独立振荡器的实时计数器RTC 和6 路PWM 输出。另外还具有五种

28、休眠模式，引脚变化及中断可唤醒MCU。以单片机为核心构成的系统，其系统的总能耗是由单片机能耗及其外围电路能耗共同构成。为了降低整个系统的功耗，除了要降低单片机自身的运行功耗外，还要降低外围电路的功耗。对外围电路而言，首先选择低电压低功耗器件，如用 LMV324 代替传统的LM324，SP3223EEY 代替MAX232 等。其次，CMOS 器件输入引脚不能悬空。如果输入引脚悬空，在输入引脚上很容易积累电荷，产生较大的感应电动势，使引脚电位处于0 至1 间的过渡区域。另外，单片机外围电路应尽量避免采用阻性元件。Atmega48 单片机的功耗主要与系统频率，工作模式，电源电压及外围模块有关。由图1

29、 和图2 可知，Atmega48单片机的工作电流与其工作频率、工作电压成正比。功耗与工作频率有关。工作频率增加时，功耗也线性的增加。系统工作频率的降低，电路的延时增加导致系统性能下降，因此在利用频率降低系统功耗的时候，要在能耗和速度之间进行权衡。Atmega48 的时钟源可以选择片内的RC 振荡器，也可以是来自外部时钟。片内RC 振荡器提供了可校准的8M 时钟和128k 低功率振荡器。外部时钟可以选用低功率晶体，满振幅晶体和低频晶振。通过编程Flash 熔丝位，可以选择所需的时钟源。ATmega48 可以通过设置时钟预分频寄存器CLKPR 来得到分频的系统时钟。当需要的系统处理能力比较低时可以

30、利用这个特性来降低功耗。预分频对所有时钟源都适用，并且影响CPU 及所有同步外设的时钟频率。单片机的时钟系统主要包括：CPU 时钟，Flash 时钟，I/O 时钟，异步定时器时钟和ADC 时钟。在大多数情况下，这些时钟并不需要同时工作。时钟功耗抑制寄存器PRR 提供终止单独外设时钟的方法以降低功耗。通过设置功耗抑制寄存器PRR，将不使用的外围模块关掉，以降低芯片功耗。例如，如果不使用ADC 模块，可以向功耗抑制寄存器PRR 中的PRADC 位写“1”，关闭芯片的ADC 模块。同时，为了降低功耗，可以通过使用不同的休眠模式来禁止无需工作的模块。休眠模式可以使应用程序关闭MCU 中没有使用的模块，

31、从而降低功耗。AVR 具有不同的休眠模式，允许用户根据自己的应用要求实施剪裁。Atmega48 单片机具有五种休眠模式：空闲模式、ADC 噪声抑制模式、掉电模式、省电模式和等待模式。使用内部128 kHz RC 振荡器。在此以空闲模式为例说明如何根据需要选择最低功耗的运行模式。因为这种休眠模式只停止clkCPU 和clkFLASH，而其他时钟继续工作。所以当用SLEEP 指令使MCU 进入空闲模式时，CPU 停止运行，而 USART、模拟比较器、ADC、两线串行接口、定时器/ 计数器、看门狗和中断系统则继续工作。如果我们只需要其中一种或几种模块运行，还可以启用功耗抑制寄存器关闭其他模块来降低功

32、耗。具体程序如下：ldi r16,$e7sts prr,r16 ;关闭未用外设ldi r16,$01out smcr,r16 ;进入掉电模式wait:sleepnoprjmp wait值得注意的是在休眠模式，要使端口引脚配置为最小的功耗模式，必须避免引脚悬空和防止模拟输入电平接近VCC/2 时以消耗太多的电流。当引脚未被使用，将引脚配置为输入，并使能内部上拉，给引脚一个确定的电平。电源电压的选择CMOS 逻辑电路中的电流与电源电压成正比，功耗与电源电压的平方成正比，因此降低器件的供电电压可以减小功耗。芯片所要求的电源电压为1.8-5.5V。由于供电电压与芯片能工作的最大频率有关联，因此应在频率

33、满足处理速度的要求下，尽可能采用低的电源电压。2)max1232看门狗电路硬件监控芯片作为提高系统可靠性的一种重要手段，在单片机和数字信号处理器（DSP）的应用系统设计中得到了广泛的应用。对于有一定单片机应用经验的设计人员来说，在开始进行DSP系统的设计时，往往会根据经验使用在单片机系统中常用的监控芯片，如MAX706、MAX1232等。但是，由于DSP自身一些有别于单片机的特点，特别是在实时性要求比较高的情况下，完全照搬单片机系统中使用监控芯片的经验是不合适的。在一些DPS的相关设计资料中经常使用MAX706或MAX1232硬件监控芯片，其中MAX706具有时间长达1.6 s的看门狗定时器功

34、能，MAX1232的看门狗定时器时间则为0.2 1.6 s可调；此外，还具备上电复位和电源监控功能。但是，根据我们的设计经验和对系统运行的仔细分析，使用MAX706等类似的许多硬件监控芯片存在2个需要注意的问题：第一，看门狗定时器的时间过长，MAX706的典型时间为1.6 s，也就是说，当DSP中的程序运行产生错误时，MAX706要在 1.6 s（相当于80个工频周期）后才能发出复位信号。第二，监控芯片输出的复位信号脉冲宽度过大，MAX706的典型值为200 ms（相当于10个工频周期），这主要是为了兼顾上电复位时对晶振100300 ms稳定期的要求。 因此，从程序运行产生错误到DSP芯片完成

35、复位，将有共计1.8 s的非受控时间，这对于对实时性要求很高的电力故障录波器来说是不能忍受的。如果在此期间电网发生故障，录波器将无法作出正确的反应。很显然，必须寻找一种具有适合看门狗定时器时间和复位脉冲宽度的硬件监控芯片。在这里，必须明确对看门狗定时器时间的选择条件。在程序设计中，为了保证硬件监控效果，不宜过多地设置对看门狗芯片的操作，一般应在程序循环的关键部位设置12处对看门狗芯片的触发操作。所以，看门狗定时器的时间只要大于一个需时最长的程序循环即可。 本论文我们选用了MAXIM公司出品的MAX1232监控芯片。看门狗定时器启动延迟时间tDELAY是指在系统上电到监控芯片看门狗定时器正式启动

36、之间的时间间隔。这个功能主要用于防止系统上电后初始化时的意外复位，特别是在许多DSP系统的设计中，在系统上电后需要将固化在片外低速ROM中的程序加载到片内程序RAM中以便全速运行，看门狗定时器启动延时功能的使用就显得尤为重要。在对监控芯片的看门狗定时器进行触发操作时，为了保证触发的有效，必须注意触发脉冲的宽度要符合监控芯片的要求。由于DSP的时钟频率较高，加上大部分指令都是单周期指令并且采用流水线运行方式，如果采用在程序中的一个地方发脉冲触发的方式而不加以延时，往往不能满足监控芯片对触发脉冲宽度的最低要求（如MAX6374为100 ns）。为避免发生这种情况，应在程序的一点发出高电平，然后在稍

37、远的另一点发出低电平，如此循环往复地触发看门狗定时器以保证触发信号的宽度。选择看门狗定时器时间必须充分考虑到程序设计中的中断嵌套、多重调用、查询等待、与外部低速器件（如液晶显示屏）接口等影响程序完成一个循环所需时间的各种因素并适当留有余量，否则容易产生意外的看门狗复位。具体时间应由试验决定。在设计初始阶段最稳妥的办法，是在监控芯片的时间选择端设置拨位开关，以便根据实际情况进行选择。3）CD4051芯片CD4051它是一个单八路模拟开关集成电路 CD4051引脚功能如图所示。CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。“INH”是禁止端，当“INH”=1

38、时，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=5V，VSS=0V，当VEE=5V时，只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号，就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。 输入状态 接通通道 INH C B A 导通引脚 0 0 0 0 “ 0” 0 0 0 1 “ 1” 0 0 1 0 “ 2” 0 0 1 1 “ 3” 0 1 0 0 “ 4” 0 1 0 1 “5” 0 1 1 0

39、“6” 0 1 1 1 “7” 1 均不接通4）4）8 路模拟量输入模块输入类型：V，mV，mA(需定制说明)通道输入：6 路差分，2 路单端或 8 路差分采样频率：10Hz精度：0.1%输入阻抗：20M零点漂移：20uV/满量程漂移： 25ppm/CMR 50/60Hz： 86dBNMR 50/60Hz： 100dB隔离电压：3000VDC内置看门狗电源：未处理+10+30VDC功耗：1.3W 24VDC5)LCD液晶显示器简称LCD（Liquid Crystal Diodes）是利用液晶经过处理后能够改变光线传输方向的特性，达到显示字符或者图形的目的。其特点是体积小、重量轻、功耗极低、显示

40、内容丰富等特点，在单片机应用系统中有着日益广泛的应用。LCD的分类：笔段式和点阵式（可分为字符型和图像型）。笔段式LCD显示器：类似于LED数码管显示器。每个显示器的段电极包括a, b, c, d, e, f, g七个笔划（段）和一个背电极BP（或COM）。可以显示数字和简单的字符。 点阵式LCD显示器：段电极与背电极呈正交带状分布，液晶位于正交的带状电极间。笔段式LCD液晶显示器的驱动：在LCD的公共极（一路为背电极）加上恒定的交变方波信号，通过控制段极的电压变化，在LCD两极间产生所需的零电压或二倍幅值的交变电压，以达到LCD亮、灭的控制。在笔段式LCD的段电极与背电极间施加周期地改变极性

41、的电压（通常为4 V或5 V），可使该段呈黑色。LCD显示模块LCM （Liquid Crystal Display Module） 在实际应用中，用户很少直接设计LCD显示器驱动接口，一般是直接使用专用的LCD显示驱动器和LCD显示模块LCM 。LCM是把LCD显示屏、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构造成一个整体，作为一个独立部件使用。其特点是功能较强、易于控制、接口简单，在单片机系统中应用较多。其内部结构如下页图所示。 LCM一般带有内部显示RAM和字符发生器，只要输入ASCII码就可以进行显示。 LCD显示模块LCM按显示功能可分为：LCD段式显示模块、LCD字符型显示模块、LCD

42、图形显示模块三类。 HD44780字符显示模块是较常用的LCD显示模块，共有14个引脚，其中，8个数据引脚，3个控制引脚，3个电源引脚。每个HD44780可控制的字符可达每行80个，具有驱动1640点阵的能力。具有其自身的11条指令构成的指令系统，用户对模块写入适当的控制命令，即可完成清屏、显示、地址设置等操作。6)传感器它是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的，易于处理电量信号输出。传感器是一种测量装置，能够完成一定的检测任务。它的输入量种类很多，且多为模拟信号的非电量。它的输出量是经过转换后的电量信号，是有一定的对应关系和转换精度传感器的组成：包括敏感元件、传感元件

43、及测量转换电路三部分。敏感元件：直接感受被测量的元件，通过它可以将被测量转换成为与之有确定关系的，便于转换的非电量信号。传感元件：该信号再通过传感元件，被转换为电参量。测量转换电路：将传感元件输出的电参量在转换成易于处理的电压、电流或频率。传感器的特性：灵敏度：在稳定的条件下，传感器的输出量变化值与引起此变化的输入量变化值之比。对线性传感器，灵敏度为一常数。分辨率：传感器能检测出的被测信号最小变化量。线性度：传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差和传感器满量程输出的百分比。迟滞：传感器正向特性与反向特性的不一致程度。传感器所允许测量被测物理量的量值范围。用上、下限来表示，上限值又称为满量程

44、值，使用中不宜超量程运行。增加误差，损坏传感器。7）CAN总线CAN的报文格式：在总线中传送的报文,每帧由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式,其唯一的不同是标识符(ID)长度不同,标准格式为11位,扩展格式为29位。 在标准格式中,报文的起始位称为帧起始(SOF),然后是由11位标识符和远程发送请求位 (RTR)组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是请求帧,在请求帧中没有数据字节。 控制场包括标识符扩展位(IDE),指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位 (ro),为将来扩展使用。它的最后四个字节用来指明数据场中数据的长度(DLC)。数据场范围为08个字节,其后有一个检测数据错误的

45、循环冗余检查(CRC)。 应答场(ACK)包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平(逻辑1),这时正确接收报文的接收站发送主控电平(逻辑0)覆盖它。用这种方法,发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。 报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位,如果这时没有站进行总线存取,总线将处于空闲状态。数据错误检测：不同于其它总线,CAN协议不能使用应答信息。事实上,它可以将发生的任何错误用信号发出。CAN协议可使用五种检查错误的方法,其中前三种为基于报文内容检查。 循环冗余检查(CRC)： 在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确。接收站通过CRC可判断报文是否

46、有错。 帧检查： 这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性,用于检查格式上的错误。 应答错误：如前所述,被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。如果发送站未收到应答,那么表明接收站发现帧中有错误,也就是说,ACK场已损坏或网络中的报文无站接收。CAN协议也可通过位检查的方法探测错误。 总线检测：有时,CAN中的一个节点可监测自己发出的信号。因此,发送报文的站可以观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。 位填充： 一帧报文中的每一位都由不归零码表示,可保证位编码的最大效率。然而,如果在一帧报文中有太多相同电平的位,就有可能失去同步。为保证同步,同步沿用位填充产生。在五个生。在五个连

47、续相等位后,发送站自动插入一个与之互补的补码位;接收时,这个填充位被自动丢掉。例如,五个连续的低电平位后,CAN自动插入一个高电平位。CAN通过这种编码规则检查错误,如果在一帧报文中有6个相同位,CAN就知道发生了错误。 如果至少有一个站通过以上方法探测到 一个或多个错误,它将发送出错标志终止当前的发送。这可以阻止其它站接收错误的报文,并保证网络上报文的一致性。当大量发送数据被终止后,发送站会自动地重新发送数据。作为规则,在探测到错误后23个位周期内重新开始发送。在特殊场合,系统的恢复时间为31个位周期。 但这种方法存在一个问题,即一个发生错误的站将导致所有数据被终止,其中也包括正确的数据。因

48、此,如果不采取自监测措施,总线系统应采用模块化设计。为此,CAN协议提供一种将偶然错误从永久错误和局部站失败中区别出来的办法。这种方法可以通过对出错站统计评估来确定一个站本身的错误并进入一种不会对其它站产生不良影响的运行方法来实现,即站可以通过关闭自己来阻止正常数据因被错误地当成不正确的数据而被终止。CAN可靠性：为防止汽车在使用寿命期内由于数据交换错误而对司机造成危险,汽车的安全系统要求数据传输具有较高的安全性。如果数据传输的可靠性足够高,或者残留下来的数据错误足够低的话,这一目标不难实现。从总线系统数据的角度看,可靠性可以理解为,对传输过程产生的数据错误的识别能力。 残余数据错误的概率可以

49、通过对数据传输可靠性的统计测量获得。它描述了传送数据被破坏和这种破坏不能被探测出来的概率。残余数据错误概率必须非常小,使其在系统整个寿命周期内,按平均统计时几乎检测不到。计算残余错误概率要求能够对数据错误进行分类 ,并且数据传输路径可由一模型描述。如果要确定CAN的残余错误概率,我们可将残留错误的概率作为具有8090位的报文传送时位错误概率的函数,并假定这个系统中有510个站,并且错误率为1/1000,那么最大位错误概率为1013数量级。例如,CAN网络的数据传输率最大为1Mbps,如果数据传输能力仅使用50%,那么对于一个工作寿命4000小时、平均报文长度为 80位的系统,所传送的数据总量为

50、91010。在系统运行寿命期内,不可检测的传输错误的统计平均小于102量级。换句话说,一个系统按每年365天,每天工作8小时,每秒错误率为0. 7计算,那么按统计平均,每1000年才会发生一个不可检测的错误。4、监控系统软件设计此系统的软件设计主要由专家系统、上位人机交互和监控分机子系统组成。其中专家系统以Microsoft Access 2003为开发软件，大量收集井下需要监测的模拟量参数信息，以供监控主机查询参考。上位人机交互选用了NI公司的LabWindowsCVI，其界面友好，利用较少的仪器硬件和计算机资源代替了多种高档数据记录分析仪器。计算机可以自动分析数据和输出报表等，大大提高了系

51、统的智能化和测试效率，减少了人为操作误差对检测结果的影响，友好的人机交互界面为用户提供了丰富的功能。为了使单片机系统具有更好的实时性和代码的最优化，监控分机系统的软件设计采用汇编语言编写。限于篇幅，这里只简要介绍上位人机交互和监控分机子系统的软件设计。、4.1 监控分机子系统程序流程图如图4所示。从图4中可以看出，监控系统能够实现多种功能，包括多路模拟量AD采集、数据暂存、液晶显示、与上位人机交互通信以及开关量输出等。设计时，采用模块化思想，简化了设计，提高了效率。4.2 监控分机子系统为了便于代码复用，虚拟仪器软件开发采用分层设计，分为主程序控制层、人机交互层、数据处理层和仪器驱动层。仪器驱

52、动层是针对不同的硬件编制的驱动程序函数库，完成IO硬件接口与处理层的连接，是实现高层软件与硬件无关的重要保证；数据处理层在后台对用户的操作进行解析计算，将控制字送给硬件驱动层；同时实现数据的采集控制、信号的分析与处理、数据的管理、标定程序、测试报告生成等；人机交互层完成人机界面交互，响应用户的操作，实现数据的显示、与专家系统通信互换信息及报表的打印等功能。主程序控制层用于组织各部分协调工作，共同完成测试任务。该测试软件中运用了Windows多线程技术，实现了数据采集及处理、数据显示同时进行。4.3上位人机交互上位机分析和管理程序采用软件编程实现，实时完成测点自定义，信息采集和处理，具有显示测量

53、参数、数据报表、历史数据分类显示、曲线显示、图形生成、数据存储、故障统计和报表打印功能。本系统任务划分为：显示、键盘、通信(控制器之间的通信以及上位机和控制器之间的通信)、数据采集处理和监控报警任务。系统的任务规划，结合各个任务的特点，将各任务的有限级安排如下：急停闭锁任务的优先级定为7；用于邻架操作的通信任务的优先级定为9；输出任务的优先级定为11；键盘任务的优先级定为13；用于上位机轮询的通信任务优先级定为15；传感器数据采集处理任务的优先级定为19；显示任务的优先级定为21；另外，为了使修改任务代码方便，对任务的优先级和堆栈长度等参数都用宏定义，如定义显示任务的优先级为21，#defin

54、e TASK DISP 21。系统主要功能如下：1）测点自定义：智能终端开机运行时，首先将配置的传感器定义及描述发送至主机，主机对各终端传感器配置与数据库中原来监控点记录相比较，若发现新增监测点，则根据描述添加到相应数据库。并在相应的动态图形上添加相应的数据显示标志。2）实时显示参数：在巷道空间布局示意图上实时显示相对重要的监控参数，现场技术人员可以根据屏幕显示的各项数据直接了解矿井状态，瓦斯、温度、风速等不同的参数以不同颜色显示，当超过阈值报警时，相应参数以红色显示，并声光报警。点击二级菜单，可以进行细致的参数查看和分析，以指定巷道、工作点、区域机械设备、瓦斯参数、温度、风速等不同形式进行显

55、示。3）历史数据查询：可以指定某个区域、某个参数或多个参数对历史数据进行查询和分析，分析其变化趋势，从而有效的了解和掌握矿井安全与生产。4）数据分析与故障诊断：上位机充分利用其计算和分析的特点，对环境监控信息从全局进行综合分析，特别是对瓦斯、温度、通风信息进行多点信息融合，综合分析与预报，控制风门与通风机的运行，以及预报事故时风电、瓦斯电连锁控制，提高矿井安全。对机电设备运行信息采用先进算法进行处理7，8：小波信号降噪和频谱变换、机械与电气分析的信息融合、设备多个故障混合情况下的盲源信号分离，以及故障特征的数据挖掘等，通过先进算法的精密诊断，提高系统故障预报，避免重要设备的突发事故的发生。出现

56、事故预警时对井下巷道网络的瓦斯、CO浓度等做出趋势分析，辅助决策逃生与救援方案。5）通讯模块：当系统正常时，主机接收各监控点数据；当出现事故预报时主机主动向现场监控终端发送上传信息请求，并实时监控连锁操作。4.4专家系统煤矿安全专家系统 (数据库查询服务器)采用Microsoft Access 2003作为开发软件。将历年各种模拟量参数指标以及在具体情况下避免事故发生需要采用的操作进行汇总，供人机交互系统查询。Access是Microsoft 公司推出的一款优秀的数据库管理软件，最适合用来作为中、小规模数据量应用软件的底层数据库。因为其功能强大、可靠、高效的管理方式，支持网络和多媒体技术，简单

57、易学，便于开发等主要特点，目前已经获得相当广泛的应用。Access本身就是一个采用面向对象技术开发的数据库系统软件，它能很好地支持面向对象技术。Access的数据库对象都具有属性和方法等面向对象技术的基本特征。在Access 2003版本中，Access使用了表格来实现数据的采集、维护、分析和传播等功能，此外，它还提供了关系型数据库所要求的相当丰富的数据运算和数据汇总能力。其主要特点如下：1)完善地管理各种数据库对象，具有强大的数据组织、用户管理、安全检查等功能。2)强大的数据处理功能，在一个工作组级别的网络环境中，使用Access开发的多用户数据库管理系统具有传统的XBASE（DBASE、F

58、oxBASE的统称）数据库系统所无法实现的客户服务器 (Client/Server) 结构和相应的数据库安全机制，Access具备了许多先进的大型数据库管理系统所具备的特征，如事务处理/出错回滚能力等。3)可以方便地生成各种数据对象，利用存储的数据建立窗体和报表，可视性好。4)作为Office套件的一部分，可以与Office集成，实现无缝连接。5)能够利用Web检索和发布数据，实现与Internet的连接。 5部分代码如下：void start_CAN(void)SFPRAGE=CAN0_PAGE;/*指向CAN0页面*/CAN0CN|=0x41; /*将CCE和Init置“1”开始初始化*/

59、CAN0ADR=BITREG；/*指向位定时寄存器进行配置*/CAN0DAT=0x2301; /*位率为500k/s*/CAN0CN|=0x06;/*允许全局中断，IE和SIE置位*/CAN0CN &=0x41; /*清楚CCE和INIT位，启动CAN状态机制*/Void transmit_message(char MsgNum)SFRPAGE=CAN0_PAGE;/*指向CAN0页面*/CAN0ADR=IF1CMDMSK；/*向IF1命令屏蔽寄存器写入命令*/CAN0DAT=0X0083；CAN0ADR=IF1ARB2；/*指向IF1仲裁寄存器2*/CAN0DATH|=0x80;CAN0AD

60、R=IF1DATA1;/*指向数据场的第一个字节*/for(i=0;i4;i+)CAN0DAT=can_tempi;/*将4字节数据写入发送缓冲器*/CAN0ADR=IF1CMDRQST；CAN0DATL=MsgNum;/*将报文对象编号写入，则数据发送到对应的报文对象中*/void receive_data (void)SFRPAGE=CAN0_PAGE;/*指向CAN0页面*/CAN0ADR=IF1CMDMSK；/*向IF1命令屏蔽寄存器写入命令*/CAN0DAT=0X0083；CAN0ADR=IF1ARB2；/*指向IF1仲裁寄存器2*/CAN0DATH|=0x80;CAN0ADR=IF

61、1DATA1;/*指向数据场的第一个字节*/for(i=0;i4;i+)CAN0DAT=can_tempi;/*将4字节数据写入发送缓冲器*/CAN0ADR=IF1CMDRQST；CAN0DATL=MsgNum;/*将报文对象编号写入，则数据发送到对应的报文对象中*/6 结束语综上所述，用井下监控系统，地面监控人员可以直接对井下情况进行实时监控，不仅能直观的监视和记录井下工作现场的安全生产情况，而且能及时发现事故苗子，防患于未然，也能为事后分析事故提供有关的第一手图像资料。该井下监控系统采用单片机控制，简化了测试设备结构，减少了故障环节，提高了工作效率和智能化；测试系统采用10位高精度AD转换器和自动数据报表，提高了系统的测控精度，减小了人为随机误差；采用虚拟仪器作为人机交互界面，融合了传统的测试手段和现代计算机技术，提高了测试系统的直观性和可操作性；系统内部集成了专家系统可通过故障解决方案的实时查询功能解决问题，在提高效率的基础上，降低了事故率。