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论文题目：基于嵌入式i n t e m e t 的上隅角瓦斯远程监控系统的研究 专业：机械电子工程 硕士生：贺苗苗( 签名) 登二堡查 指导教师：马胜利( 签 摘要 采煤工作面上隅角位置瓦斯积聚超限是煤矿安全生产中急需解决的一个技术难题。 本文在综合分析其成因和现有解决方案的基础上，应用现代检测技术、液压控制技术、 计算机技术和网络通信技术，提出了现场采集上隅角瓦斯浓度，自动控制液压系统驱动 风机进行实时抽排，w e b 实施远程监控的方案来解决上隅角瓦斯实时监测与排放难题。 监控系统主要包括硬件和软件两大部分：硬件以a r m 7 t d m i 内核的l p c 2 2 2 0 嵌入 式处理器作为硬件平台核心；软件以嵌入式可配置实时操作系统e c o s 作为软件平台， 在此基础上实现系统应用层软件和嵌入式w e b 服务器。这两部分共同构建基于嵌入式 i n t e m e t 的远程监控系统。 在硬件系统中，以l p c 2 2 2 0 、电源、复位、晶振、f l a s h 和s d r a m 构成最小系 统，在此基础上扩展了u a r t 接口和j t a g 调试接口；设计了瓦斯采集模块、系统的驱 动电路，并对液压控制部分进行了选型；设计了键盘输入及l e d 显示模块；选择 r t l 8 0 1 9 a s 以太网卡作为网络接入模块。 嵌入式操作系统的移植是系统软件开发的第一步，本文首先选择实时嵌入式操作系 统e c o s 移植到上隅角瓦斯远程监控系统的硬件平台上，详细阐述了e c o s 移植规划及详 细移植过程，最后给出了嵌入式系统引导和d e b u g 环境r e d b o o t 的实现过程。 基于嵌入式操作系统e c o s 对硬件的管理机制，为硬件设备编写了驱动程序，包括 以太网、串口、存储器和键盘与l e d 芯片；基于e c o s 硬件抽象层h a l 的基础上编写 了a d 采集及控制部分的驱动程序；在应用层完成了监控系统线程入口函数的设计。 最后，在嵌入式操作系统e c o s 的基础上进行了嵌入式w e b 服务器l i b h t t p d 的移 植，完成了l i b h t t p d 服务器程序设计，配置和建造e c o s 网络，阐述了应用程序的生 成过程。对整个监控系统在实验室模拟环境进行了验证，系统基本达到了预期目标。在 文章的结束，作者给出了本课题的研究结论与展望。 关键词：上隅角瓦斯；嵌入式i n t e m e t ；l p c 2 2 2 0 ；e c o s 操作系统；l i b h t t p d 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho fr e m o t em o n i t o r i n gw i t hu p p e rc o n e rg a ss y s t e m b a s e do ne m b e d d e di n t e r n e t s p e c i a l i t y ：m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：h em i a o m i a o i n s t r u c t o r ：m as h e n g l i ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h ep r o b l e mo ft h ea c c u m u l a t i o na n do v e r r u n n i n go fg a si nt h ec o a l f a c ei s a t e c h n o l o g i c a lo b s t a c l eo fu r g e n ts o l u t i o ni nt h ep r o d u c t i o no fs a f e t y i nt h ep a p e r ，i tp o s e sa p l a n ，w h i c hi st h ed e n s i t yt oc o l l e c tu p p e rc o n e rg a s f i e l d ，t h ea u t o c o n t r o lh y d r a u l i cs y s t e mt o d r i v er e a l t i m ep u m p i n gg a sw i t ht h ef a na n dt h er e m o t em o n i t o r i n gt oc a l t yo u tb yt h ew e b s e r v e ri no r d e rt os o l v et h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gu p p e rc o n e rg a s b a s e do ni t sr e a s o n so fc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n ds o l u t i o n sa v a i l a b l eb ya d o p t i n gt h e t e c h n o l o g yo fm e a s u r e m e n t ，h y d r a u l i cc o n t r o l ，c o m p u t e ra n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n m o n i t o rs y s t e mm a i n l yc o n t a i n st w op a r t s ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a r d w a r ei sd e s i g n e d b yl p c 2 2 2 0e m b e d d e dp r o c e s s o r i nt h ec o r eo fa r m 7 t d m ia si t sp l a t f o r mk e r n e l s o f t w a r e i sd e s i g n e db yt h ee m b e d d e dc o n f i g u r a b l eo p e r a t i n gs y s t e m ( e c o s ) a si t sp l a t f o r mk e m e l o n t h i sb a s i s ，i ti st oi m p l e m e n ts o f t w a r eo ft h ea p p l i c a t i o nl a y e ra n dw e bs e r v e r , w h i c hc o n s t i t u t e t h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d e di n t e m e t i nt h eh a r d w a r es y s t e m ，l p c 2 2 2 0 ，p o w e r , r e s e t ，c r y s t a l ，f l a s ha n ds d r a mc o n s i s t so fa m i n i m a ls y s t e m o nt h i sb a s i s ，t h ea u t h o re x t e n d st h ei n t e r f a c eo fu a r ta n dd e b u g g e d j t a g , w h od e s i g n st h eg a sc o l l e c t i n gm o d u l e ，t h es y s t e m a t i cd r i v i n gc i r c u i t ，t h et y p e s t oc h o o s e h y d r a u l i cc o n t r o lp a r t s ，t h ek e y b o a r de n t r ya n dl e dd i s p l a ym o d u l ea n dt h e c h o i c e so f e t h e m e tc h i pr t l 8 019 a sa st h ea c c e s s i b l ei n t e r a c tm o d u l e t h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r es y s t e mi st h et r a n s p l a n t a t i o no fe m b e d d e de c o so nt h ef i r s t s t e p i nt h ep a p e r , i tc h o o s e st h ee c o st ot r a n s p l a n tt h er e m o t em o n i t o r i n gh a r d w a r eo fu p p e r c o n e rg a sa tf i r s t t h e n ，i te l a b o r a t e so nt h ee c o sp o r t a b l ep l a na n dt h ec o u r s eo ft h ed e t a i l e d t r a n s p l a n t a t i o n f i n a l l y , t h ea c h i e v a b l ep r o c e s so ft h eb o o t s t r a pa n dd e b u ge n v i r o n m e n to f e m b e d d e ds y s t e mi ss h o w n t h ea u t h o rp r o g r a m st h ed r i v e rf o rh a r d w a r eb a s e do nt h em a n a g e m e n tm e c h a n i s mt o h a r d w a r eo fe c o s ，w h i c hi n c l u d e st h ec h i po fe t h e r n e t ，u a r t , m e m o r y , k e y b o a r da n dl e d ，t h e d r i v e rf o rt h ec o l l e c t i n go fa da n dc o n t r o ls e g m e n tb a s e do nt h eh a r d w a r ea b s t r a c t i o n l a y e r ( h a l ) o fe c o s ，a n dt h ed e s i g no f t h ee n t r yf u n c t i o no fm o n i t o r i n gs y s t e mi nt h e a p p l i c a t i o nl a y e r a tl a s t ，t h ea u t h o rt r a n s p l a n t st h el i b h t t p do fe m b e d d e dw e bs e r v e rb a s e do n e c o s ，p r o g r a m st h ed e s g i no fl i b h t t p d ，c o n f i g u r e sa n dc o n s t r u c t st h ee t h e m e to fe c o sa n d f o r m u l a t e st h eg e n e r a t i v ep r o c e s so fa p p l i c a t i o np r o g r a m h ed e b u g sa n di n s p e c t sa l lt h e r e m o t em o n i t o r i n go nt h e l a bo fs i m u l a t i v ee n v i r o n m e n t i tr e a l i z e dt h ee x p e c t e dg o a l b a s i c a l l yi nt h es y s t e m a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h er e s e a r c hc o n c l u s i o na n dp r o s p e c ta r eg i v e n b yt h ea u t h o ri nt h es u b j e c t k e yw o r d s ：u p p e rc o n e r g a se m b e d d e di n t e m e tl p c 2 2 2 0e c o so s l i b h t t p d t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技太擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：洛。百忍日期：h 名厶p 学位论文知识产权声明书 一虢筇咯臌絮毓日 1 绪论 l 绪论 1 1 课题的背景 煤炭行业是我国重要的能源产业，煤炭将在相当长的时间内在我国的能源需求中居 于主导地位。我国煤炭工业的管理水平和安全技术装备落后，再加上煤矿高负荷运作， 导致煤矿瓦斯事故时有发生。随着计算机应用在各行各业的逐步普及，煤炭生产水平目 前逐步实现了自动化，生产效率大大提高。 近年来，在煤矿生产中发现不但高瓦斯煤矿开采过程中采煤工作面上隅角位置瓦斯 容易积聚超限，而且在低瓦斯煤矿( 根据煤矿安全规程第1 3 3 条的规定，煤矿相对瓦斯 涌出量小于或等于l o m a t 且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于4 0 m 3 m i n 为低瓦斯煤矿) 开采过程中，采煤工作面上隅角瓦斯也容易积聚超限，这给煤矿安全生产带来严重的事 故隐患。如何实现采煤工作面上隅角瓦斯浓度的实时监测与控制，确保安全生产，一直 是煤矿瓦斯灾害治理的重点和难点。本课题研究解决采煤工作面上隅角瓦斯积聚问题， 采用液压驱动的风扇进行现场瓦斯抽放降低上隅角瓦斯浓度，并采用计算机技术对工作 面的上隅角进行实时监控，可以得到良好的效果。 信息技术是加强和改进煤矿安全生产工作的有效手段。从2 0 世纪8 0 年代初，产品 司( 全国电子信息系统推广办公室，以下简称全电办) 就对煤矿行业信息技术推广应用 工作给予了大力支持，通过实施计算机应用“倍增计划”，安排项目支持煤矿行业信息技 术应用与传统技术升级改造，包括建立煤矿安全生产计算机监测监控系统，研制有关电 子应用产品及开发应用软件等。2 0 0 6 年全电办在制定年度电子信息产业生产发展基金项 目指南和应用“倍增计划”项目指南时，已经针对近年煤矿安全事故不断的现状，拟把煤 矿安全生产监测监控系统研发及其推广应用列为重点项目支持。因此，在煤矿安全生产 中广泛采用计算机技术来实现对井下安全的监控是未来煤矿安全的发展趋势。课题就是 基于这样的背景下展开研究的。 1 2 本课题研究领域研究动态及发展趋势 1 2 1 采煤工作面上隅角瓦斯成因及治理现状 在开采时，由于采空区内残留煤炭解吸的瓦斯和采空区内煤柱因顶板垮落而卸压产 生大量的游离瓦斯继续向采空区内释放，积聚在采空区的浅部，在通风负压的作用下向 工作面上隅角涌出。由于主风流方向的改变和边界条件的限制，在上隅角处形成涡流区， 造成上隅角瓦斯积聚。另外，相对空气而言，采空区内含瓦斯空气的密度较小，必然使 3 西安科技大学硕士学位论文 瓦斯气体向上隅角运移，使上隅角成为采空区瓦斯集中涌出的地点，这也是上隅角成为 采空区瓦斯集中涌出和局部积聚超限的重要原因【1 1 。上隅角瓦斯积聚示意图见图1 1 。 图1 1 上隅角瓦斯积聚图 目前上隅角瓦斯积聚的处理方法，归纳起来有：工作面的部分风流流经上隅角、改 变采空区的漏风方向和上隅角排放瓦斯等。 ( 1 ) 工作面的部分风流流经上隅角，有风障法和尾巷法两种方法。 风障法，这种方法适用与瓦斯涌出量不大( 小于2 3 m 3 m i n ) 和上隅角瓦斯浓度不 太高( 3 左右) 的采煤工作面，同时又无回风副巷。具体做法是在工作面上隅角附近 设一道风障，将工作面的部分风流引向上隅角，以冲淡及带走积聚的瓦斯。风障法的优 点是操作简单，缺点是风障需随工作面的推进而经常前移，且易损坏。 尾巷法，当工作面瓦斯涌出量大时，可采用尾巷法排除瓦斯。具体做法是将工作面 后方( 采空区) 回风巷与回风副巷( 尾巷) 之间连络横贯的密闭打开一个窗口，让工作 面的一小部分风流经上隅角而进入尾巷。 ( 2 ) 改变采空区的漏风方向。如果采空区涌出的瓦斯比较大，不但工作面上隅角 的瓦斯频繁超限，而且工作面采空区边和回风流中的瓦斯也经常超限。在可能的条件下， 可将上一个阶段的老空区密闭墙打开，让工作面回风流的一部分从上阶段的老采空区漏 走，以免工作面上隅角积聚瓦斯，这时采空区的部分瓦斯可直接排至回风巷。该法只适 用于不自燃的煤层，同时当漏风太多会造成工作面回风巷瓦斯超限。 ( 3 ) 上隅角排放瓦斯，有负压风筒排放和水力引射器排放两种方法。 负压风筒排放，利用负压风筒排放上隅角瓦斯，即随着工作面的推进，每隔3 - - ，5 m 在上隅角处设置风障，并留口敷设0 3 8 0 m m 铁风筒，依靠风筒两端的压差将高浓度瓦 斯引排到回风口外安全地点。水力引射器排放，用负压风筒排放上隅角瓦斯【2 】。 综合上隅角瓦斯的研究治理现状可以看出，在处理上隅角瓦斯积聚时所采用的传统 方法，由于使用条件、技术和设备等原因，效果均不理想。为此，本课题选用先进的嵌 入式系统现场采集瓦斯浓度作出判断，如果超限则自动启动液压驱动的小型风扇抽排积 聚瓦斯，并通过i n t e m e t 技术对上隅角实施远程安全监控。 1 2 2 嵌入式i n t e m e t 技术 因为本课题采用的是目前先进的嵌入式i n t e m e t 来对上隅角实施监控，所以需要对 4 1 绪论 嵌入式i n t e m e t 技术进行总结分析。传统的监控系统中通常采用的方法是将各个传感器 分布安装，输出的模拟信号统一传输到数据采集中心，如图1 2 所示。传感器输出的模 拟信号多为弱信号，它在长距离传输的过程中不仅损耗大，而且传输线也会接收到各种 电磁辐射干扰和各种强大交流电干扰。信号传输的距离越长，有用信号的衰减量越大， 干扰噪声越大，以至于测试过程的信噪比下降，甚至强大的噪声会将有用信号淹没。井 下是恶劣的工作条件，要把井下的情况实时反映到监控中心，势必要经过长距离的信号 的输送。对于井下瓦斯浓度的监控系统而言，获取准确、可靠的被测信号是至关重要的。 因此，用传统的集中测控方法满足不了复杂、远程( 异地) 和范围较大的测控任务的需 求。对此，将普通传感器与嵌入式技术和网络技术结合，使分布于现场的传感器实现 i n t e m e t 化，从而组建网络化的远程监控系统就显得非常必要。 图1 2 集中式数据采集监控系统 在当前的数字信息技术和网络技术高速发展的后p c 时代，嵌入式系统的应用越来 越广泛。一般来说，嵌入式系统由处理器、存储器、输入输出设备和软件( 包括操作系 统和应用程序) 4 部分组成，如图1 3 所示1 3 j 。一般把带有m c u ( m i c r o c o n t r o l l e r ) ，能连 结到i n t e r n e t 的设备称为嵌入式i n t e m e t 系统，它依托于i n t e m e t 技术、w e b 技术、嵌入 式技术的发展。嵌入式i n t e m e t 技术是一种设备接入技术和异种网络互联技术，主要解 决的问题是通过w e b 和嵌入式技术实现从不同子网、不同的物理区域对接入到i n t e m e t 的设备和异类子网进行监控、诊断、测试、管理和维护等，从而使接入到i n t e m e t 的各 种设备或其它类型的子网具有远程测控、测试、诊断和管理功能。 哑亟圃 垂互茎至 软件部分 i 输入酬 处理器 削输出i 】塑圈硬件部分 图1 3 嵌入式系统组成 嵌入式i n t e m e t 的远程监控系统，如图1 4 所示。将传感器输出的模拟信号通过嵌 入式控制单元转换成数字信号，然后进行传输。其主要设计思想是利用数字信号抗衰减、 抗干扰能力强的特点，变模拟信号为数字信号传输，让数字信号长距离传输，以保证监 控系统能够获得可靠的信号。因此本课题采用基于嵌入式i n t e m e t 的远程监控系统来解 决上隅角瓦斯积聚问题。 5 西安科技大学硕士学位论文 图1 4 嵌入式i n t e m e t 监控系统 嵌入式系统接入i n t e m e t 最终必须通过t c p i p 协议接入，之所以选择t c p i p 作为 监控系统的通信协议，是因为t c p i p 具有以下优点：好的破坏机制、能够在不中断现 有任务的情况下加入网络、高效的错误率处理、平台无关性和低数据开销。嵌入式系统 接入i n t e m e t 可以选择多种方式【4 j ，相对而言，以太网接入方式具有组网简单、成本低、 速度高、兼容性好和维护简单的优点。同时，许多企业单位都已建立了以太网，选择以 太网作为嵌入式系统的网络接入方式是一种较好的选择。目前，国内外嵌入式系统接入 i n t e m e t 方案设计基本有以下5 种： ( 1 ) m c u + t c p f i p 协议芯片。该方案实质上由m c u 及内部固化t c p f i p 协议的芯 片组成应用系统的核心，其m c u 应用系统内部支持t c p i p 协议，可以直接拨号上网而 无须其他支持。例如s e i k oi n s t r u m e n t s 公司的$ 7 6 0 0 a 等，它支持h t t p 、s m t p 、p o p 3 、 m i m e 等多种协议，通过外部硬件电路处理t c p i p 协议。 ( 2 ) m c u + w e b c h i p + p c 网关。w e b c h i p 是武汉力源公司于2 0 0 0 年4 月开发出使嵌 人式电子设备和家用电器与网络方便连接的实用解决方案。w e b c h i p 是独立于各种微控 制器的专用网络接口芯片，它通过标准的输入、输出口与各种m c u 处理单元相连。m c u 处理单元通过w e b c h i p 与网关连接，即可接收并执行经由i n t e m e t 远程传来的命令或将 数据交给w e b c h i p 发送出去。m c u 处理单元应用系统通过w e b c h i p 网络芯片与网关连 接，再进入i n t e m e t 。 ( 3 ) w 曲i t 方式。w e b i t 是沈阳东大新业信息技术股份有限公司研制开发的嵌入式 系统接入i n t e m e t 的一个实用产品，它将m c u 和以太网控制器集成到一块小板卡上， 将它装入到嵌入式系统中就可以完成嵌入式系统与i n t e r a c t 网的连接。 ( 4 ) m c u + e m i t 协议+ e m g a t e w a y 。该方案是基于公司的e m i t ( e m b e d d e dm i c r o i n t e m e tt e c h n o l o g y ) 专用嵌入式网络协议技术，它是针对使用任意接口、通过任何网管 设备而提出的。 ( 5 ) 1 6 3 2 位m c u + 嵌入式操作系统。本方案可以描述为：t c p i p 协议栈+ 嵌入式 操作系统+ 高速1 6 3 2 位处理器，其结构如图1 5 。 网络化测最仪器i t c p i p 协议栈0t c p i p 嵌入式操作系统 高速处理器 匦对嘲 远程主机 图1 5t c p i p 协议栈+ 嵌入式操作系统+ 高速1 6 3 2 位处理器解决方案 6 1 绪论 此方案中，引入了嵌入式操作系统，即在开发中采用操作系统，采用3 2 位处理器。 在r t o s ( 实时多任务操作系统) 平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现t c p i p 协议处理，从而实现网络接入功能。采用高档3 2 位单片机+ r t o s 的嵌入式系统中实现 t c p i p 协议处理，开发带有r t o s 的嵌入式系统已成趋势，r 1 的s 的功能越来越强大， 许多都具有图形界面( g u i ) 和t c p i p 的支持能力。采用这种方式比较灵活，可以按用 户的要求实现很多复杂的功能。 本课题就是在上述方案的基础上，最终选用第5 种方案来解决上隅角瓦斯积聚并实 施监控，即t c 跏p 协议栈+ 嵌入式操作系统+ 高速3 2 位处理器，因为这种方案具有成本 低、开发周期短、系统可靠性好等优点。 1 3 课题研究的意义及论文主要内容 1 3 1 课题研究的意义 课题采用目前先进的3 2 位嵌入式系统，多路传感器把采集到的数据通过变换送给 w e b 服务器，结合当前数据处理技术，提高测试精度，最终形成可以识别的有用信息。 根据采集信息作出判断，由现场的控制单元向执行机构( 液压驱动风扇) 发出指令执行， 并把现场的数据由i n t e r n e t 传给远方的监控中心，监控中心实时监控上隅角瓦斯现场。 通过嵌入式系统，将底层的测控设备与i n t e r n e t 连接起来，真正做到网络化远程测控。 通过i n t e m e t 对上隅角瓦斯进行实时的监控，可以收到较好的效果。课题的研究和设计 具有以下意义： ( 1 ) 采用液压控制系统处理积聚瓦斯提高了井下的安全系数。驱动风扇的动力源 来自工作面乳化液泵站的工作压力，这种控制系统体积小、重量轻、操作方便、无火花 产生，而且风量可通过调节马达转速实现可调，可有效而可靠地对上隅角积聚的瓦斯进 行排放，与现有的电机为动力的驱动设备相比具有安全性好，可靠性高等优点。 ( 2 ) 采用嵌入式处理器使得系统更稳定。由于本课题研究的是煤矿生产中的实际 问题，井下环境恶劣，如果采用传统的单片机来解决上隅角瓦斯积聚问题，则不能理想 地解决问题。因为传统的单片机抗干扰能力较差，容易发生程序跑飞的现象，这对于可 靠性要求非常苛刻的井下是不适合的。而嵌入式处理器在工业温度，抗电磁干扰及可靠 性等方面都做了各种增强。因此本课题选择嵌入式处理器来解决上隅角瓦斯问题。 ( 3 ) 采用实时r t o s 提高了系统可靠性。实时操作系统是事件驱动的，它能对外 界的作用和信号在限定的时间范围作出响应。它强调的是实时性、可靠性和灵活性，与 实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用，由它来管理和协调各项工作，为应 用软件提供良好的运行环境【5 】。在课题研究中，采用移植r t o s 来解决上隅角瓦斯问题， 具有以下优点：嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性；提高了开发效率，缩短了开 7 西安科技大学硕士学位论文 发周期：嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位c p u 的多任务潜力。 ( 4 ) 采用基于i n t e m e t 的远程监控系统使系统获取信号更准确。 ( 5 ) 采用基于w e b 的监控系统提供给系统一种全面有效的监控模式。在i n t e r n e t 遍布全球、各种先进网络技术日新月异的今天，使用网络技术实现工业远程监控自然成 为首选。它可以提高企业的劳动生产率，加强企业竞争力；可以对各监控对象进行全天 候、全方位监控，及时发现甚至提前预测设备问题，保证企业生产安全；还可以在远离 现场的地方获得监控现场数据，这对于需要获得第一时间数据的工程来说是极为重要 的；w e b 监控技术的实现也意味着各种异地资源通过网络连接的方式，实现了资源共享。 总之，w e b 监控向人们提供了一个更高效、更全面、更安全、更快捷的服务模式，改变 了传统的监控模式。 总之，基于嵌入式i n t e m e t 的上隅角瓦斯监控系统满足了煤矿监控系统在系统可扩 展性、分布式和实时性等方面的技术要求，是实现国家煤矿工业生产自动化和提高煤矿 安全监控力度的重要技术手段f 6 】。 1 3 2 本文的主要内容 本文结合现代检测技术、液压控制技术、计算机技术和网络通信技术，对基于嵌入 式i n t e m e t 的采煤工作面上隅角瓦斯远程监控系统做了分析和研究。该系统不同于传统 的监控系统，它解决了上隅角瓦斯实时监测与排放难题，并通过i n t e r n e t 连接到远端的 监控中心，实现了技术人员实时监控井下工况的目标。该研究为煤矿安全生产提供了一 种新的思路。主要完成了以下工作： ( 1 ) 对现有治理上隅角瓦斯积聚问题的解决方案进行了分析和总结，并对基于嵌 入式i n t e r n e t 的远程监控系统所涉及的关键技术进行了剖析。提出了嵌入式处理器现场 采集上隅角瓦斯浓度并实施自动控制，液压驱动风机进行现场实时抽排，嵌入式w e b 实施远程实时监控的解决方案。 ( 2 ) 完成了基于嵌入式系统的瓦斯远程监控系统的硬件设计。以a r m 7 t d m i 内 核的l p c 2 2 2 0 嵌入式处理器作为硬件平台核心，设计了包括l p c 2 2 2 0 、电源、复位、 晶振、f l a s h 和s d r a m 所构成的最小系统，在此基础上扩展了u a r t 接口和j t a g 调试接口；设计了瓦斯采集模块；设计了系统的驱动控制电路，并对液压控制部分进行 了选型；设计了键盘输入及l e d 显示模块；选择i 江l 8 0 1 9 a s 以太网卡作为网络接入模 块。 ( 3 ) 成功移植了嵌入式实时操作系统e c o s 到目标平台上。 ( 4 ) 在移植了嵌入式操作系统的基础上，为硬件设备编写了驱动程序，设计了应 用层软件。 ( 5 ) 在嵌入式操作系统e c o s 的基础上进行了嵌入式w e b 服务器l i b h t t p d 的移 8 1 绪论 植，完成了l i b h t t p d 服务器程序设计，配置和建造e c o s 网络，完成了应用程序的生 成。 ( 6 ) 对整个监控系统在实验室模拟上隅角环境进行了调试验证，系统基本达到了 预期需要实现的对上隅角瓦斯实施远程实时监控的目标。 ( 7 ) 最后，对所做的工作进行了总结，并对本领域的下一步工作进行了展望。 本文的章节安排如下： 第一章：绪论，指出本论文研究的背景及意义。 第二章：系统总体方案设计。 第三章：硬件系统设计。 第四章：嵌入式可配置实时操作系统e c o s 的移植。 第五章：软件系统设计。 第六章：嵌入式w 曲服务器的实现。 第七章：结论与展望。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 系统总体方案 2 1 系统结构 为了全面有效地解决上隅角瓦斯积聚的问题，本文采用现场液压控制系统驱动风机 自动抽排瓦斯并利用w e b 实施远程监控的治理方法。课题主要研究的是如何实现现场 瓦斯自动抽放并监控的问题，为此，系统采用高性能的a r m 系列嵌入式处理器为硬件 核心，并在硬件平台基础上移植嵌入式实时操作系统作为软件系统的基础，在此基础上 开发了应用层软件，硬件和软件共同完成对上隅角瓦斯的远程监控。远程监控的实质就 是把传感器采集到的现场数据信号( 瓦斯浓度) 是否达到设置的极限值作为执行结构动 作的条件，另外将数据转换为符合t c p i p 以太网协议的信号，使用户可以通过局域网 或者i n t e r n e t 终端就可以访问嵌入式系统，并能对其进行远程监控。根据具体的需要选 择嵌入式处理器、设计信号采集及驱动模块，与嵌入式w e bs e r v e r 和i n t e m e t 来组成一 个远程网络化测控系统【7 j 峭j 。监控系统的结构如图2 1 。 a c d c 模块hd c d c 模块 电源监 控模块 复位 模块 网卡 网卡接 口r j 4 5 嵌入式 处理器 l e d 和键盘模块 驱动模块 及接口 采集通道 及接口 执 行 机 构 瓦 斯 传 感 器 上 隅 角 瓦 斯 现 场 l a ni g 刮i n t e r n e t 除爿监控中心 图2 1 上隅角瓦斯远程测控系统结构框图 根据监控系统应用的要求，设计的系统包含硬件和软件两大部分，并且这两部分是 互相关联、密不可分的。 按照监控系统的基本结构，硬件设备层上，首先，根据特定的应用需求，设计和组 织硬件构成，包括选用合适的嵌入式处理器芯片、以及与之匹配的r a m 、r o m 、i o 接口芯片、信号采集及a d 转换模块、驱动模块以及外部设备模块等组成相应的嵌入式 系统；其次，还必须包含以太网络接口，这是实现基于嵌入式i n t e m e t 监控系统结构的 必须结构之一。最后，还必须包括液压执行机构的设计，才能完成处理上隅角瓦斯积聚 超限的问题。 与硬件系统结构相对应，软件系统上，运行实时操作系统，完成各设备模块的驱动 1 0 2 系统总体方案 与配置，能够合理调配与协调硬件资源，满足特定的功能服务以及相应的输入输出响应， 以及数据的采集、传送、存储等功能。在成功运行操作系统的基础上移植嵌入式w e b 服务器，对外以提供w e b 服务的形式，接收并响应来自客户端w e b 浏览器的服务请求， 传送当前设备的相关信息到客户端w e b 浏览器。 2 。2 嵌入式系统设备与组成 按照系统应用要求，围绕嵌入式处理器为核心，图2 2 展示了嵌入式系统设备结构。 图2 2 嵌入式系统设备构成结构图 对各部分基本功能描述如下： ( 1 ) 采集模块，主要实现多路传感器现场采集与获取数据，信号的转换功能。 ( 2 ) 以太网模块，为系统提供以太网接入的物理通道，通过该接口，系统可以 1 0 m b p s 的速率接入以太网。 ( 3 ) 控制模块，主要是驱动执行机构动作，液压控制系统启动风扇抽排上隅角瓦 斯从而降低上隅角瓦斯浓度。 ( 4 ) 存储设备，包括r o m 、r a m 。r o m 可存放已调试好的用户应用程序、嵌入 式操作系统等；r a m 作为系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈均位于r a m 存储器中。 ( 5 ) 扩展模块包括系统正常工作所需要的辅助硬件系统，如工作时钟电路、串行 接口电路( 用于a r m 系统与其他应用系统的短距离双向串行通讯) 、系统电源电路( 电 源电路为5 v 到3 3 v 的d c 。d c 转换器，给a r m 处理器及其他需要3 3 v 电源的外围电 路供电) 、j t a g 接口( 可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行调 试、编程等) 、交互功能的输入输出模块( 如按键、l e d 等) 。 通过采集模块采集获取外界信息，进行信息的转换后交互给a r m 处理器进行处理 后进行存储，并依据采集信息控制外部设备的工作与运转。通过以太网络接口与外部 w e b 访问浏览器进行交互。 2 3 嵌入式操作系统 操作系统是充当计算机用户和计算机硬件之间的一个中介，并用于管理计算机资源 l ，1 西安科技大学硕士学位论文 和控制应用程序运行的计算机程序。在早期的嵌入式设备中，由于系统结构较简单，管 理的资源较少，也就没有使用操作系统的必要。后来随着系统功能的增多，系统结构越 来越复杂，系统管理的资源、任务也越来越多，这就势必需要在嵌入式系统中引入操作 系统。嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是一种用途广泛的系统软件， 过去它主要应用于工业控制和国防。e o s 负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调 度作业、控制、协调并发活动。随着i n t e m e t 技术的发展、嵌入式技术的普及应用，e o s 开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。e o s 是相对于一般操作系统而言 的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件 处理等外，还有以下特点： ( 1 ) 可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构； ( 2 ) 强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中； ( 3 ) 统一的接口。提供各种设备驱动接口： ( 4 ) 操作方便、简单、提供友好的图形g u i ，图形界面，追求易学易用； ( 5 ) 提供强大的网络功能，支持t c p f l p 协议及其它协议，提供t c p u d p i p p p p 协议支持及统一的m a c 访问层接口，为各种移动计算设备预留接口； ( 6 ) 固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系 统计算机的r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作系统的 文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统； ( 7 ) 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 2 4 本章小节 本章叙述了基于嵌入式i n t e m e t 上隅角瓦斯远程监控的总体实现方案，在方案中， 围绕a r m 处理器为核心，详细叙述了各个功能模块的具体功能。最后给出了嵌入式操 作系统的功能及其特点。 1 2 3 硬件系统 3 硬件系统 从上隅角瓦斯远程监控系统组成结构上，硬件系统设计包括：嵌入式处理器工作系 统、采集模块、控制模块、以太网功能模块、其他功能模块( 键盘、l e d 显示等) 。所 以，硬件系统按照这五大模块来进行设计。 3 1 嵌入式处理器工作系统设计 3 1 1 嵌入式处理器选型 基于嵌入式微处理器在系统中的核心地位，选择一款合适的处理器非常关键，嵌入 式微处理器种类很多，各有各的特点和优势。目前主流的3 2 位微处理器有p o w e rp c ， m i p s 和a r m 等。通常在选择微处理器的时候，需要考虑性能、功耗、价格、配套的 开发工具以及市场供货等因素，而a r m 在这些方面恰好都具有优势。a r m 具有业界 领先的r i s c 体系结构，提供各种性能和版本可供选择，各类产品间互相兼容，方便系 统升级。此外a r m 公司及其合作伙伴提供完整的技术支持和软硬件设计开发工具。 a r m 是精简指令集计算机( s c ) ，其设计实现了外型非常小但是性能高的结构。a r m 处理器结构简单、a r m 内核也非常小，这样使器件的功耗也非常低。它集成了非常典 型的r i s c 结构特性： ( 1 ) 一个大而统一的寄存器文件。装载保存结构，数据处理的操作只针对寄存器 的内容，而不直接对存储器进行操作； ( 2 ) 简单的寻址模式，所有装载保存的地址都只由寄存器内容和指令域决定； ( 3 ) 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码； ( 4 ) 每一条数据处理指令都对算术逻辑单元( a l u ) 和移位器控制，以实现对a l u 和移位器的最大利用； ( 5 ) 地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化； ( 6 ) 多寄存器转载和存储指令实现最大数据吞吐量。所有指令的条件执行实现最 快速的代码执行。 鉴于上述众多优点，还考虑到系统需要比较强的网络功能和今后的升级和扩展等问 题，监控系统选用了p h i l i p s 公司生产的l p c 2 2 2 0 芯片，该芯片属于a r m 7 系列芯片。 3 1 2a r m 处理器工作系统设计 选定了a r m 处理器，根据a r m 处理器工作的特点，外部电路就可以根据a r m 处 理器的提供的接口资源合理选择与设计。a r m 最小系统一般基本包括：a r m 芯片；电 1 3 西安科技大学硕士学位论文 源电路、复位电路和晶振电路；存储器( f l a s h 和s d r a m ) ：u a r t 接口电路；j t a g 调试接口。下面对监控系统的a r m 处理器工作系统设计进行详细阐述： ( 1 ) a r m 芯片。l p c 2 2 2 0 微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入跟踪的3 2 16 位a r m 7 t d m i sc p u 。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码 规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。e m b e d d e d i c e r t 和嵌入式跟踪接口使用片 内r e a l m o n i t o r 软件对任务进行实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟 踪。多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 总线( 4 0 0 k b i t s ) 和2 个s p i 接口。在l p c 2 2 2 0 上，可选择带有数据缓冲区和可变长度传输的同步串行口( s s p ) 来代替一个s p i 。通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b ， 数据宽度为8 1 6 3 2 位。通过可编程的片内锁相环( p l l ) 可实现最大为7 5 m h z 的c p u 操作频率，设置时间为1 0 0 斗s 。1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 转换时间低至2 4 4 i t s 、p w m 输出以及多达9 个外部中断管脚。通过配置总线， l p c 2 2 2 0 最多可提供7 6 个g p i o t 9 1 。 ( 2 ) 电源电路、复位电路和晶振电路。供电系统为整个系统提供能量，是整个系 统工作的基础，具有及其重要的地位。l p c 2 2 2 0 控制器需要使用两组电