煤矿安全监控系统总线分站设计分析

关键词：监控分站；数据采集；实时系统；总线传输

引言

传统的煤矿安全生产监控系统一般是传感器-分站-地面中心站三级结构，系统采集采用的是FSK或RS485通信协议。这种通信模式存在着很多不足，比如分站的处理过程慢，监测点少，采集的数值容易受干扰等。由于煤矿井下生产环境复杂，传感器监测的测点多，传感器监测的种类也多，使得系统通信情况复杂，采用某种或多种约定好的传输协议。这就使得煤矿井下监控系统的现场操作复杂，排查故障问题难。本文采用了基于RS458总线和CAN总线兼容的数据采集所设计的分站，提高了煤矿安全生产监控系统的可靠性、实时性和稳定性。

1分站主控板总体设计

分站主控板主要由主板和采集板组成，其中主板是以LPC1788作为主控芯片，采集板是以LPC1754作为采集芯片，采集板以RS485总线或者CAN总线的方式进行数据采集。分站能够兼容模拟量传感器和开关量传感器的数据采集，同时采集板是采用多条总线的方式，一条总线上能够链接多个传感器。分站系统程序采用单线程多任务的方法实现，具有线程优先处理能力，对特殊任务时采用的是优先处理，不仅确保了系统的实时性，而且还提高了分站系统功能的灵活性。（1）主控板微处理器单元分站主控板是整个监控系统的核心，分站中的大部分功能都在主控板中实现，所以主控板微处理器运算功能的强弱直接影响到整个分站的功能设计。本系统主控制芯片选用的是基于Cortex-M3内核的LPC1788微处理器，Cortex-M3内核在相同的时钟速率下比ARM7的性能高。LPC1788芯片高达165个I/O口，内部集成512KB的FLASH、96KB的SRAM、4KB的EEPROM、2路CAN接口、5路UART串口、4个32位通用定时器、1路12位AD转换和1路10位DA转换，其功能强大，低功耗，主控芯片LPC1788完全能够满足本系统的要求。（2）分站主控板硬件设计分站主控板从硬件上可分为9个模块，分别是电源电路模块、显示电路模块、采集电路模块、红外遥控电路模块、控制电路模块、主从通讯电路模块、数据存储电路模块、以太网通讯电路模块和引线板电路模块，其分站硬件原理框图如图1所示。下面将简单地介绍主从通讯电路模块、数据存储电路模块和遥控电路模块的设计。①主从通讯电路模块主从通讯电路是根据LPC1788微处理器的通信端口，分别设计了1路主通讯和2路从通讯，都是以RS485通信方式，自定义通信协议。其中主通讯用于中心站与分站的信息交互，从通讯用于分站与电源信息箱、多参数传感器和脉冲量传输等的信息交互。主从通讯电路RS485通信的收发器采用的是SN65LBC184，采用的光电隔离器件是TLP181；②数据存储电路模块数据存储电路模块是根据数据的重要性和实时性来设计的，数据存储电路设计包括2个部分：根据数据存储的重要性设计的电路，该电路采用了2块FM25V02-G铁电存储芯片，存储中心站下发的重要信息和分站本身的重要信息；根据分站数据的实时性设计的SD存储电路，实时地记录分站或传感器发生变化的信息，能够及时地查询分析分站运行期间出现故障情况；③遥控电路模块遥控电路模块是根据用户需求进行硬件设计，中心站与分站进行信息交互时，考虑到中心站对分站进行重要数据的初始化和用户使用时方便操作而设计的电路。采用了HS0038红外接收探头和HS9149A红外遥控接收器，设计的电路既能够满足对分站基本信息的设置，也能够方便用户操作使用。

2分站采集板总体设计

（1）采集板微处理器单元分站的采集板选用的是LPC1754微处理器，CPU具有3级流水线和哈佛结构，LPC1754微处理器具有80个I/O口，内部集成128KB的FLASH、32KB的SRAM、1个USB接口、1路CAN接口和4路UART串口。能够满足采集板的功能需求。（2）采集板数据采集采集板数据采集是采用总线方式进行采集，以LPC1754微处理器作为采集板的核心芯片，并以多总线为主的方式设计，其中每块芯片对应着采集总线，每条总线能够接多个传感器，总线可分为RS485总线和CAN总线，2种总线的采集板可以互换使用，能提高分站采集数据的灵活性。①RS485总线RS485总线采集板以LPC1754作为微处理器，SN65LBC184作为RS485收发器，TLP181作为光电隔离器件，TPS3705-33D作为看门狗复位芯片，采用ISP和API对片内Flash存储器进行程序的下载。每条RS485总线都能够接多个RS485总线的传感器，通过自定义协议，采用主从方式，能够及时地采集到传感器的信息，并能够及时响应分站相应的控制操作；②CAN总线CAN总线采集板以LPC1754作为微处理器，CTM8251T作为CAN收发器，TLP181作为光电隔离器件，TPS3705-33D作为看门狗复位芯片，具有RCT实时时钟，采用ISP和API对片内Flash存储器进行程序的下载。每条CAN总线都能够接多个CAN总线的传感器，CAN总线协议能够设置网络中的优秀级来向总线发送数据，CAN总线传感器废除了地址编码，CAN总线的传感器是通过固定时间的约定注册方式接入CAN总线，CAN总线的传感器将保持在固定时间内给CAN总线上发送数据，其他CAN总线传感器和采集板CAN收发器都能够接收到数据，因此CAN总线能够使得传感器节点之间的数据通信实时性增强，并能够提高系统的可靠性和灵活性。

3系统软件设计

分站的软件设计主要有数据的通信、数据的逻辑处理、数据的采集、数据的存储、数据的显示、红外遥控和报警等。分站系统采用了多任务的μCOS-II实时操作系统完成，同时还加入了Fatfs文件系统。μCOS-II的实时操作系统是一个开放占优式内核的系统，是能够进行高优先级任务剥夺低优先级任务CPU使用权的系统，μCOS-II还是一个对共享资源进行保护机制的系统，因此μCOS-II实时系统能够满足本分站系统的要求。Fatfs文件系统不依赖于硬件架构，与磁盘I/O层完全分开的文件系统，是用于SD卡中文件的读写及其他的操作。从分站整体上看，分站软件系统的关键在于：分站任务的划分与软件运行；分站软件运行的实时性。（1）分站任务的划分与软件运行。分站所需要的功能包括上电闭锁，中心站对分站初始化及取数，液晶显示，数据采集，数据逻辑处理，数据存储，红外遥控和风电瓦斯闭锁等，整体软件的任务划分和软件的运行如图2所示。分站系统上电后，程序进入1min闭锁状态，该闭锁状态采用进度条完成，闭锁状态分站所有任务都在等待，所有的控制口都是低电平，不参与任何控制。上电闭锁后，开始运行所有任务，包括主从通信任务、采集数据任务、数据逻辑处理任务、红外遥控任务、液晶显示任务和数据存储等。任务开启后，液晶显示屏显示分站基本信息，显示时间为10s，10s后切换到各通道显示传感器值以及显示控制口等信息。系统软件还创建了消息队列，任务切换和中断可能通过消息队列进行多任务消息的发送，并合理利用信号量控制多任务共享资源的使用权，标志某事件的发生和任务间行为的同步。提高了系统软件运行的可靠性。（2）分站软件运行的实时性分站软件运行的实时性取决于数据采集速度、数据处理速度和数据存储速度。合理设计三者之间关系，就能够提高分站系统的实时性。数据采集板是采用总线方式快速采集数据后，并更新打包来获得数据，数据采集板软件设计为单微处理器单总线的方式。对于RS485总线，通信协议为自定义协议，采用主从方式采集传感器节点的数据，采集板处理单个传感器为20ms，自定义协议单个来回传感器数据传输需要130ms，以单条总线采集4个节点的传感器数据为例，只需要600ms就可完成整个采集过程，可以看出系统软件实时数据更新能力很快。对于CAN总线，采用多主方式获得传感器节点的数据，根据CAN总通讯的特性，传感器节点个数和CAN总线的通信速度影响着数据采集速度。考虑到分站的运行坏境复杂和系统运行的可靠性等因素，CAN总线选择5kb/s的传输速率。CAN总线传感器在固定的时间内向CAN总线上发送一次新的数据，传感器的节点个数为4个，固定时间为500ms。数据采集板能够在500ms内完成数据采集工作。数据逻辑处理是合理利用系统消息队列和信号量共享资源，并结合快速读取数据能力来进行逻辑运算，这种实时系统的共享资源方式，能够节省微处理器芯片逻辑运算的开销，同时解决了数据更新时不连续的情况，因此共享资源对系统的实时性具有很大的影响。数据逻辑处理还包括了瓦斯闭锁、风电瓦斯闭锁、数据的异常控制和报警、实时数据异常和数据状态变化的存储等。数据存储主要有2种数据的存储：①分站重要信息的存储，操作铁电的读写，初始化分站的信息在铁电中划出1000字节的位置存储。通信中断后的数据采用滚动的方式存储在铁电中，等待通信正常后数据分帧上传给中心站；②SD卡实时存储记录分站与传感器之间运行的情况，其中包括记录分站的运行情况、电源信息、传感器报警数据、传感器断线、控制口的状态变化，开关量的状态变化等，这些数据的记录更能说明分站系统可靠性和实时性强。

4结语

本文介绍了一种以总线方式作为数据采集模块，以嵌入式实时操作系统μCOS-II作为软件系统的监控分站来设计，与传统设计的分站相比，数据采集已经克服了处理过程慢、实时性差、监测点少、抗干扰能力差和数据传输存在误差等缺点。分站系统能够以μCOS-II实时操作系统为主，并结合Fatfs文件系统实现了分站数据实时记录，提高分站运行的可靠性和实时性。分站还能够灵活运用RS485总线和CAN总线，提高的分站系统的兼容能力，更能够满足更多用户的需求。

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作者：周代勇 邵严 胡宇 单位：中煤科工集团 重庆研究院有限公司