（通信与信息系统专业论文）数据采集站在采煤机监控通信系统中的研究.pdf

论文题目：数据采集站在采煤机监控通信系统中的研究 专业：通信与信息系统 硕士生：关彬( 签名) 盛姆 指导教师：孙龙杰 ( 签名) 丑丘进 摘要 目前我国的煤矿安全生产形势十分严峻，煤矿坍塌及爆炸不但威胁着矿工的生命， 而且造成了国家财产的损失，因此煤矿井下安全监测、监控通信系统在煤矿企业得到了 广泛的应用，并发挥着重要的作用。数据采集站( c b o x ) 是采煤机监控通信系统中井上 和井下数据传输的纽带，负责井上监控中心与采煤机监控模块之间的数据采集与通信。 数据采集站能否有效工作决定了井下采煤机安全监控能否顺利进行，在采煤机监控通信 系统中发挥着重要的作用。 本论文从数据采集站研究的意义和背景入手，讨论了数据采集站在井下采煤机安全 监控通信系统中的重要作用，并根据以往设计的不足提出了新的设计思路：( 1 ) 提出了对 整个采煤机监控通信系统采用以太网为主要组网方式，局部采用无线局域网( w l a n ) 和r s 2 3 2 串口进行通信；( 2 ) 提出了数据采集站的硬件内核选用a r m 7 的高性能l p c 2 2 1 4 为主控芯片，通过r j 一4 5 接口控制无线局域网的w l a n 模块实现t c p 1 p 通信，通过内 嵌的串口r s 2 3 2 实现数据采集站与采煤机监控模块之间的r s 2 3 2 串口通信；( 3 ) 提出了 基于嵌入式操作系统g c o s i i 的数据采集站软件设计方案，包括驱动程序和系统任务两 部分内容。驱动程序包括对数据采集站组成模块的实现过程，主要对t , t c o s i i 和t c p i p 协议栈的移植，对t c p i p 协议和m o d b u sr t u 协议的实现进行详细研究；在系统任务 部分，根据数据采集站各模块的实际应用，分配了任务的优先级，设计了数据采集站各 任务流程；( 4 ) 根据国家对矿用产品的特殊要求，对整个设备外壳采用了防爆壳体，在软 硬件的设计上采取了一定的抗干扰措施，提高了数据采集站的安全性和电磁兼容性。 本文将i t c o s i i 操作系统引入设计，从而使整个设备的设计具有可靠性高和扩展能 力强的特点。通过将w l a n 首次应用在井下，为煤矿井下通信发展开启了新的篇章。 关键词：数据采集站；无线局域网；t c p i p 协议；m o d b u sr t u 协议；嵌入式 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho fd a t ac o l l e c t i o ns u b s t a t i o nu s e do ns h e a r e rc o n t r o l a n dc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e：g u a nb i n i n s t r u c t o r ：s u nl o n g j i e a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 白幽星丝 ( s i g n a t ur e ) a tp r e s e n t ，t h es a f e t yo fc o a lm i n e si ss t i l lv e r yi m p o r t a n t t h e r ea r em a n y l a n d s l i p so f c o a lm i n e sa n df i r ed a m pe x p l o s i o n ( g a se x p l o s i o n ) h a p p e n e d ，w h i c he n d a n g e rt h el i v e so ft h e m i n e r sa n dc a u s em u c hp r o p e r t yl o s s s ot h ec o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mi sa p p l i e dt o t h ec o a lm i n ei n d u s t r yw i d e l y a n di tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h et h ep r o c e s so fc o a l e x p l o i t a t i o n c o a lm i n ed a t ac o l l e c t i o ns u b s t a t i o ni st h eb r i d g eb e t w e e nt h es a f e t y m o n i t o r i n g m o d u l eu n d e rt h em i n ea n dt h es a f e t y - m o n i t o r i n gc e n t e ra b o v et h em i n e ，i ti si nc h a r g eo f d a t ac o l l e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h e s a f e t y - m o n i t o r i n g m o d u l ea n dt h e s a f e t y m o n i t o r i n g i ti sd e t e r m i n e db yd a t ac o l l e c t i o ns u b s t a t i o nt h a tw e t h e rt h ec o a lm i n e s a f e t y - m o n i t o r i n gc a nw o r ke f f i c i e n t l y ，a n dt h ed a t ac o l l e c t i o np l a y si m p o r t a n tp a r ti nt h ec o a l m i n es a f e t y m o n i t o r i n g w h e t h e rt h ec o a lm i n es a f e t y - m o n i t o r i n gc a nw o r ke f f i c i e n t yi s d e t e r m i n e db yd a t ac o l l e c t i o ns u b s t a t i o n , w h i c hp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h et h ep r o c e s so f c o a le x p l o i t a t i o n t h i st h e s i ss t a r t sw i t ht h eb a c k g r o u n da n dm e a n i n go fd a t ac o l l e c t i o ns u b s t a t i o n t h ek e y r o l eo fc o l l e c t i o ns u b s t a t i o ni ns h e a rc o n t r o lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e d a c c o r d i n g t ot h ed e f i c i e n c yo fp r e v i o u sd e s i g n ，n e wd e s i g nt h i n k i n gi sp u tf o r w a r d ：( 1 ) i ti sp r o p o s e d t h a ti n t e m e ti st h em a i nn e t w o r k i n gm o d e ，w l e s sl a na n dr s 2 3 2i su s e di np a r to ft h e n e t w o r k ( 2 ) s e l e c t i n ga r m 7c h i pl p c 2 2 14a st h em a i np r o c e s s o ri sp r o p o s e d t h r o u g ht h e r j - 4 5 ，t h ee t h e m e tc o n t r o l l e rc h i pi sd r i v e na n dt h et c p i pc o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e d t l l e r s 2 3 2c o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e da sw e l lt h r o u g ht h ei n n e rr s 2 3 2c o n t r o l l e ro fa r m ( 3 ) t h e s o f t w a r ed e s i g nb a s e do no p e r a t i o ns y s t e mi - t c o s - i ii s p r o p o s e d t h es o f t w a r ed e s i g n c o n t a i n st w op a r t s ，h a r d w a r ed r i v e rp r o g r a ma n ds y s t e mt a s k d r i v e rp r o g r a mi n c l u d et h e r e a l i z a t i o np r o c e s so fe a c hm o d u l e t h er e a l i z a t i o np r o c e s so ft c p i pc o m m u n i c a t i o nw h i c h i st r a n s p l a n t e dt ot h ep r o j e c ti sr e s e a r c h e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ea c t u a la p p l i c a t i o no f d a t ac o l l e c t i o nm o d u l e ，t h es y s t e mt a s kp a r ta s s i g n e dt h ep r i o r i t yo ft h et a s k sa n dd e s i g n e dt h e o r d e ro fe a c hd a t ec o l l e c t i o ns u b s t a t i o nt a s k ( 4 ) u n d e rt h es p e c i a lr e q u i r e m e n to fc o a l d r o d u c ti nc h i n a , t h ew h o l es y s t e mu s e sa nu n t i e x p l o s i o ns u r f a c e i nt e r m so fs o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g n ，t h ea n t i a m r r i n gm e a n si su s e di no r d e rt oe n h a n c ee m ca b i l i t y t h i sp a p e ri n t r o d u c e do p e r a t i o ns y s t e ml x c o s i ii n t o t h ed e s i g no fd a t ec o l l e c t i o n s u b s t a t i o n e n h a n c i n gr e l i a b i l i t ya n de x p a n da b i l i t yo f t h ew h o l es y s t e m b yu s i n gt h ew l e s s l a nu n d e r g r o u n df o rm ef i r s tt i m e ，t h i sp a p e ru n w r a pan e wc h a p t e rf o rt l l eu n d e r g r o u n d c o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：d a t ac o l l e c t i o n s u b s t a t i o nw i r e l e s sl o c a l - a r e an e t w o r k t c p i p m o d b u sr t u r e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h 西姿料技女学 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 包含其他人或集体已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：关弗酶 日期：o g 驴j 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：关蟛 指导教师签名：溯彩色 岵年华月口一e t 1 绪论 1 1 课题的背景及意义 1 绪论 能源工业是我们国家经济发展的命脉所在，中国是世界上最大的煤炭消费国和生产 国，煤炭工业是我国国民经济和社会发展的基础产业。目前，煤炭在我国一次性能源生 产和消费结构中占6 7 左右【l 】；据中国可持续能源发展战略研究报告预测，到2 0 5 0 年煤炭在我国能源消费结构中的比例仍将保持在5 0 以上。因此，煤炭在相当长的时期 内还将是我国的主要能源，煤炭工业的可持续发展直接关系着建设全面小康社会目标的 实现和国家能源安全。 近年来，我国煤矿行业的安全生产情况不容乐观。2 0 0 1 到2 0 0 5 年全国煤矿共发生 事故1 8 5 1 4 起，死亡3 1 0 6 4 人；平均每年发生各类事故约3 7 0 2 起，死亡约6 2 1 3 人，损 失惨重，造成了严重的社会影响【2 j 。“十五时期，我国政府在煤矿安全生产方面采取了 一系列重大举措，加强和改进煤矿安全生产工作。国家投入国债资金9 0 多亿元，支持 国有重点煤矿实施安全技术改造，煤矿瓦斯治理取得进展。在各方面的共同努力下，煤 矿事故发生数、死亡人数逐年下降，煤矿安全生产状况总体稳定、趋于好转，并且一系 列保障煤矿安全的法律法规相继出台，以求大幅度减少煤矿井下事故。 但是，煤矿井下环境非常恶劣，地形复杂，作业面离地面距离比较远，空间数据不 可预测，导致煤矿安全生产信息无法及时传到地面。同时，井下安全理论和技术研究比 较滞后，矿井的实验研究发展缓慢，监测系统的应用与开发相对落后，因此开发井下监 控系统，发展通信技术就成为加强和改进煤矿安全生产工作的有效手段，也是当前煤矿 安全生产的关键p 1 。 我国自主研发的多种现有监控系统对改善煤矿安全生产状况起到了积极作用，通过 对井下环境参数的分析，为事故发生的可能性提供数据资料，以便于对可能发生的事故 采取防范措施；对即将发生的事故及时给予报警，自动实现断电，以避免事故的扩大化； 在发生事故时，及时给出逃生路线，为实施救援提供信息【4 j 。同时很多监控系统在实际 应用时仍存在着一定弊端。由于不同系统的监控相互独立，兼容性差，而且网络化的监 控系统由于采用不同的通信及信息交换标准，很难做到信息共享和统一管理。所以，充 分利用先进的信息化手段和工业监控技术，加快矿井机械化、自动化和信息化建设，解 决我国煤矿安全生产中的共性、关键性技术难题，是改善我国煤矿安全状况的重要手段 和推动煤矿安全生产工作的有力措施。 本课题针对煤矿监测监控技术中存在的问题，选择煤矿井下工作面采煤机监控通信 系统作为主要研究对象。如何将采煤机机身各种信息数据有效的整合，并最终发送到井 西安科技大学硕士学位论文 上监控中心监控机上，对于整个监控方案的有效实施起到了至关重要的作用。本课题设 计的数据采集站，完成了将井下采煤机运行时的各种关键数据集中之后传送给井上监控 中心这一过程，使得整个采煤机运行监控过程能够顺利进行。 本课题设计的数据采集站是一种基于a r m 7 的井下网络数据采集站，采用3 2 位处 理器l p c 2 2 1 4 。l p c 2 2 1 4 是p h i l i p s 公司生产的一种高性价比的a r m 7 t d m i ( s ) 芯片， 并嵌入了实时操作系统c o s i i 和开放的t c p i p 通信协议【5 j 。提高了系统的处理速度， 而且具有良好的兼容性。对提高安全检测、监控的自动化、信息化水平、增强煤矿安全 调度指挥及管理决策能力具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 我国煤矿监控技术的开发和应用起步于上世纪8 0 年代，至今我国煤矿监控系统己 完成了从引进、消化到自主开发的全过程。8 0 年代初，煤炭部组织了对国外煤矿监控技 术进行大规模考察和引进工作，大大促进了国内监控技术的发展。常州自动化所研制的 k j 2 系统于19 8 8 年通过鉴定；北京航空部6 3 4 所研制开发的k j 4 系统于19 8 6 年通过鉴 副6 】；镇江煤矿专用设备厂生产的a 1 系统于1 9 8 8 年通过鉴定；天津煤矿专用设备厂 引进生产的森透里昂系统也于同一时期通过鉴定：常州自动化所研究的k j 2 2 型经济型 煤矿监控系统于1 9 9 1 年通过鉴定。9 0 年代以来，紧跟世界监测监控系统发展的潮流， 研制开发出了一批具有世界先进水平的监控系统。如北京仙岛新技术研究所和抚顺安全 仪器厂联合开的k j 6 6 系统、煤科院重庆分院的k 3 9 0 系统、上海嘉利矿山电子公司的 k j 9 2 系统、煤科总院常州自动化研究所的k j 9 5 系统等，其主要特点是：监控分站的智能 化水平逐步提高；加入网络传输功能；系统软件普遍采用了w i n d o w s 操作系统。 1 2 1 国内安全监控通信系统发展趋势 7 1 目前，国内安全监控通信系统存在以下发展趋势： ( 1 ) 系统的网络化。装配计算机网络，按统一格式向外提供监测数据，实现各矿之间 的资源共享。 ( 2 ) 通信协议的规范化。研究适用于煤矿监测监控系统的通信技术，制定统一的通信 标准，实现网络的兼容性。 ( 3 ) 传感器的安全性和可靠性。发展多种类、高可靠性的矿用传感器也是监控系统发 展的关键技术之一。 ( 4 ) 软件的智能化。在软件上开发专家诊断、专家决策系统软件，能根据被测参数进 行有效的危险性判别、分析，发生事故时及时提出最佳救灾和避灾路线。 2 1 绪论 1 2 2 国外安全监控通信系统发展趋势 在国外，一些矿区对矿井的集中化传输控制程度比国内要高一些，能实现对矿井前 端设备的远程监视，使管理者能够远程监控与指挥，但是对前端设备( 如p l c 、变频器 等) 的参数进行远程刷新与升级在技术上还是一项空白。一些采煤机实现了数据采集和 远程传输、集中监控和非集中控制。但它还是通过供电电缆的控制芯线或先导芯线与顺 槽集中控制站连接，再由顺槽集中控制站与采煤机、液压支架控制系统、工作面输送机、 转载机相连。通过中继站可与距离大于5 k m 的地面数据转换器连接，后者把信号传给矿 井地面站。通过上述系统，理论上可以在顺槽集中控制站实现工作面设备和顺槽设备的 远程通讯和集中控制，但在对采煤机各参数的数据采集上仍然使用传统的电缆或光缆进 行通信，增设控制芯线进行控制。在井下恶劣的环境中，在采煤机不停的前后运动采煤 过程中，线缆会随着采煤机的运动而不断的弯折，造成线缆的损坏，这样不仅增加了故 障点，而且经常更换线缆也会造成增加成本和不能正常生产。 1 3 采煤机监控通信系统的整体结构 采煤机监控通信系统是负责从现场收集信息和采集数据，通过工业以太网和地面主 机传送到地面数据库服务器，并按照实时数据库和历史数据库的结构以及要求的时间间 隔写入服务器，同时按照安全评价和智能决策系统发来的控制指令驱动井下采煤机进行 断电、复电等动作，从而达到监控井下作业并保障生产安全的目的。 采煤机监控系统井下网络结构图如图1 1 所示。 图1 1 采煤机监控系统图 3 西安科技大学硕士学位论文 其工作原理为：数据采集站1 ( c b o x ) 将采煤机实时运行的一系列参数( 如采煤机电 压电流、p l c 参数、变频器参数、显示屏显示、等) 及控制信号通过r s 2 3 2 串口通信模块 采集过来完成数据处理、报警处理和断电控制等工作，然后通过w l a n 模块将数据无 线发出至顺槽开关处的数据采集站2 ，再通过矿用防爆工业以太网交换机将一系列数据 传送到地面主机。使井上工作人员对井下工作面采煤机的运行状态进行实时监控、实时 显示并及时对故障进行诊断和预报，及时掌握采煤机的运行状态，随时发现采煤机的故 障点以便对采煤机进行快速维护，根据运行情况对采煤机进行实时调节，使采煤机经常 处于最佳运行状态。 1 4 本文主要工作和章节安排 本课题来源于淮南矿务局的“井下采煤机安全监控项目。本论文主要工作是对采 煤机监控通信系统中的数据采集站进行研究和设计。本文结合嵌入式系统技术和网络通 信技术，提出了将嵌入式操作系统c o s i i 以及无线w l a n 技术应用在数据采集站的 研究设计中，并通过测试和现场工业性试验证明此设备的有效性。 全文共有七章。第一章为绪论，介绍本课题研究的背景和意义，分析了现国内外数 据采集设备在井下监控通信系统中的研究现状，最后给出全文内容安排；第二章提出数 据采集站的设计研究方案，主要对本论文所设计研究的数据采集站的组成模块、功能以 及通信协议进行分析和方案的选定；第三章研究数据采集站的两种传输协议，即t c p i p 协议与r s 2 3 2m o d b u sr t u 协议，并根据采集站对采煤机监控模块实际采集的点数， 设计采集站与采煤机监控模块间传输数据的帧格式；第四章研究设计数据采集站的硬件 系统，主要包括两大部分：第一部分是处理器内核的选定( 主控芯片采用n x p 公司的a r b i 7 芯片l p c 2 2 1 4 、电源模块) ；第二部分是处理器的外围接口设备( 外扩r a m 、r s 2 3 2 通信 模块、w l a n 通信模块、声光报警模块) 的设计研究。在硬件设计中还考虑到数据采集站 使用环境的特殊性，根据煤炭标准的要求对数据采集站的壳体及内部电路作了一定的防 爆本质安全的设计。第五章研究设计数据采集站的软件系统，主要对嵌入式实时操作 系统c o s i i 的内核结构进行研究，并将嵌入式实时操作系统c o s i i 移植到了主控 芯片l p c 2 2 1 4 上，并基于该操作系统设计了系统的软件。第六章数据采集站的测试与实 现，主要对采集站的输出功率、输出最大功率谱密度以及杂散辐射功率的性能进行测试， 并对测试结构进行分析。第七章总结全文，提出了有待进一步研究的方向，展望煤矿井 下数据采集站的发展前景。 4 2 方案的提出 2 方案的提出 2 1 数据采集站方案的设计 目前，国内采煤机监控通信系统大多为k j 系列监控系统，该系统主要采用控制中 心和数据采集站相结合的结构，而在煤矿安全监测、监控通信系统中，数据采集站是井 上监控中心对井下工作面采煤机实时监控的纽带，有着极其重要的地位。本课题设计的 数据采集站通过对不同类型的数据划分优先级，以确保监控通信系统的实时性要求作为 其工作的重点，设计方案的制定也主要围绕此点展开。 2 1 1t c p i p 通信协议的应用 井下工作面到井上监控中心的距离比较远，为了实现信息的可靠传输，井下应该布 置多个无线接入点，使接入点和数据采集模块组成一个局域网络。组成局域网络的方式 有多种，但是实际工程应用中对该局域网络也有一定要求： ( 1 ) 数据能高速率传输； ( 2 ) 随着矿井挖掘的进行，会增加或减少一些数据采集站。要求监控中心能够动态识 别数据采集站。一般的现场总线不能满足这个要求； ( 3 ) 组网方式简单，便于实现。 因为以太网( e t h e r n e t ) 是大家最长使用的局域网，能够在实际工程应用中满足网络的 以上几点要求，所以本课题涉及到的采煤机监控系统在井下采用了以太网为主要组网方 式，同时从采煤机到顺槽开关处采用了无线局域网( w l a n ) ，以解决井下空间狭小， 布线困难的特殊井下施工要求( 见第1 章“图1 1 ) 。 t c p i p 协议无疑是当今流行最为广泛的网络互联协议【8 】，其中运输层协议u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 和t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 应用最为广泛。两者各有 优劣：u d p 提供无连接的不可靠传输，效率高，但是可靠性不高；t c p 提供面向连接 的可靠传输，可靠性高，但是效率不及u d p 。鉴于矿井数据监控对通信数据要求的不同， 可选择灵活选择u d p 或t c p 作为通信协议。 2 1 2m o d b u sr 1 u 通信协议的应用 随着信息技术的发展，数据通信技术也得到了高速发展。当前以太网已经被广泛的 应用，成为通信领域中比较成熟的技术，也是一种比较成功的应用案例。但是以太网的 应用主要集中在商业领域，由于网络复杂、成本过高等原因，在生产现场通常使用c a n 、 r s 2 3 2 串口等总线。 5 西安科技大学硕士学位论文 r s 2 3 2 是由美国电子工业联合会( e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ，e t a ) 于2 0 世纪6 0 年代开发的一种数据通信的接口标准，是提供一套可以保证数据通信稳定并且能够实现 不同的硬件设备互接的接口标准【9 】。r s 2 3 2 是一种标准的串行总线标准，在此基础上又 发展了r s 4 2 2 和r s 4 8 5 总线，数据传输速率可达2 0 k b p s ，最长为3 0 m 。 根据本课题的实际要求，数据采集站( c b o x ) 所采集的主要数据是p l c 和变频器 的数据，p l c 和变频器是通过已有的r s 2 3 2 串口总线与数据采集站连接，所以c b o x 只 与井上监控中心之间采用t c p i p 组网，与p l c 和变频器两节点间通过r s 2 3 2 串口总线 连接，采用m o d b u sr t u 协议进行传输。 2 1 3 引入嵌入式实时操作系统c o s i i 的意义 在嵌入式系统发展的前期，单片机系统比较流行。在程序设计上单片机系统一般采 用前后台方式或超循环方式( s u p e r - l o o p ) ，如图2 1 所示。应用程序是一个无限的循环， 在循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为( b a c k g r o u n d ) 。而 中断服务程序负责处理异步事件，这部分可以看成前台行为( f o r e g r o u n d ) 。后台也可以 称为任务级，前台也叫中断级。时间相关性很强的关键操作( c r i t i c a lo p e r a t i o n ) 是靠中断 服务程序保证的。因为中断服务程序提供的信息一直要等到后台程序运行到该信息处理 的这一步时才能得到处理，所以这种系统在处理信息的及时性上，比实际可以做到的要 荠【l0 1 。 i s r 阅 执行程序代码 图2 1 前后台式应用 这个指标称作任务级响应时间。最坏情况下的任务级响应时间取决于整个循环的执 行时间1 1 1 。因为循环的执行时间不是常数，程序经过某一特定部分的准确时间是不能确 6 2 方案的提出 定的。因此，如果程序被修改了，循环的时序也会受到影响。 而随着嵌入式系统的不断发展，系统应用变的越来越复杂，系统可能要同时监测、 控制多个外部设备，要求较高的实时性，有多个任务要处理，如果在这种情况下在系统 软件设计上仍然采用上述的传统方式，就会在中断相应与任务管理方面出现问题。 作为嵌入式系统灵魂的嵌入式实时操作系统( r e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ， r t o s ) 是嵌入式系统发展到一定阶段的产物，它与通常意义上的操作系统有一定的区 别。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软件和硬件资源的分配、调度工作，控制和 协调并发活动，它必须体现所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求 的功能。所有的任务都在操作系统( o p e r a t i o n s y s t e m ，o s ) 上运行，由操作系统管理各个任 务。嵌入式操作系统具有实时性、移植性好、可装卸、可固化代码、小巧、强稳定性与 高可靠性的特征。 本课题设计的数据采集站是集数据采集、管理、传输等功能于一身，这么复杂的一 个系统，如果采用传统的顺序结构编程思想，将很难保证多个任务之间的协调执行，无 法对各个对象的实时信息以足够快的速度处理并做出快速响应；其程序设计的复杂性也 将大大提高，不利于程序的后期维护和修改。嵌入式实时操作系统具有系统的可确定性， 即系统能对运行情况的最好和最坏等情况做出精确的估计。其实时性保证可以达到或接 近理论上可以达到的最好水平，系统能及时响应外部异步事件的请求，在规定的时间内 完成对该事件的处理，从而可以使系统更加稳定。 在数据采集站引入嵌入式实时操作系统的另一个主要优点是可以提高系统的可靠 性。在系统设计时，从软硬件两方面考虑，提高其电磁兼容性( e m c ) 的能力。传统的软 件开发方式大都采用前后台系统，这种前后台系统在遇到强干扰时，程序在任何一处产 生死循环或破坏都会引起死机，只能依靠软硬件处理复位，重新启动系统；而对于r t o s 管理的系统，这种干扰可能只是引起若干任务中的一个任务被破坏，可以用另外的任务 对其进行修复。 在确定引入嵌入式实时操作系统之后，剩下的工作就是如何选择一种适合自己的实 时操作系统。基本上，嵌入式操作系统分为商用和源码公开两种【l 引。商用的r t o s 软件 价格昂贵，有的还对开发出来的产品按件收费，且代码庞大，所以在一定程度上限制了 r t o s 的使用与推广。源码公开的嵌入式实时操作系统c o s i i 由于其性能和价格上 面的优势而成为了一个不错的选择。因此，本课题从实际情况出发，选择c o s i i 作 为实时操作系统，让它管理各个应用程序进而达到提高系统性能的目的。 2 1 4 主控芯片的选择 由于方案中需移植t c p i p 协议栈与c o s - i i 操作系统，则对主控芯片的存储空间 与处理速度有着比较高的要求。n x p 公司的a r m 7 内核l p c 2 2 1 4 芯片是具有3 2 位微 7 西安科技大学硕士学位论文 处理器，具有1 6 k b 片内静态r a m 和2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器；内部集成有p l l 锁相环，可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率；内部a d 的最高转换速度可达到 4 0 0 k p s ；具有多个串行接口和低功耗实时时钟；具有很高的性价比，因此，本文选择 l p c 2 2 1 4 为主控芯片。 综上所述，可以选定采煤机监控通信系统中数据采集站的主要组成：数据采集站采 用a r m 7 芯片l p c 2 2 1 4 为主控芯片，与监控中心之间通过t c p i p 通信，与采煤机机身 携带的p l c 、变频器模块之间通过r s 2 3 2m o d b u sr t u 通信；采用基于操作系统 tc o s i i 的软件设计，以提高整个设计的稳定性与扩展能力。 2 2 数据采集站的组成与功能 2 2 1 数据采集站c b o x 的组成 图2 2 为数据采集站的组成框图。数据采集站主要由以太网接口( w l a n 模块、 有线模块) 、微处理器、r s 2 3 2 接口、现场应急模块、现场视频模块五部分组成。 士兕 有线模块i 慨a n 模块一 现 场 以太网接口 场 视 微处理器l p c 2 2 1 4 应 频 急 模 r s 2 3 2 接i s l 模 块 块 图2 2 数据采集站的主要组成框图 以太网接口：井下采煤机监控通信系统采用以太网为主要组网方式，为了满足和实 现上层协议t c p i p 的通信，所以数据采集站设计了以太网接口。又根据实际情况需求 把以太网接口细分为有线模块和无线w l a n 模块。 w l a n 模块：w l a n 模块主要负责采煤机机身处的数据采集站1 与井下顺槽开关 处的数据采集站2 之间的无线传输，( 见第1 章“图1 1 ) 。 有线模块：有线模块主要负责数据采集站的数据有线传输，即顺槽开关处数据采集 站2 与井上监控室之间的通信。 微处理器：它是整个设备的核心，整个设备能否运行主要取决于微处理器的选型是 否成功。本课题设计的数据采集站( c b o x ) 主控芯片采用n x p 公司的a r m 7 芯片 l p c 2 2 1 4 ，支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s t mc p u ，内部有1 6 k b 的 s r a m ，并带有2 5 6 k b 内嵌的高速f l a s h 存储器。 r s 2 3 2 接口：它是底层的一个硬件，主要完成采煤机机身监控模块( p l c 、变频器) 与数据采集站1 之间的m o d b u sr t u 通信。 8 2 方案的提出 现场应急模块与视频模块在本设计中只作了解，不作详细的分析研究。 2 2 2 数据采集站c b o x 的主要功能 ( 1 ) 数据通信功能：数据采集站能够按照数据通讯协议的要求通过r s 2 3 2 接口、以 太网接口与外部环境进行通信，实现数据的交互。而这也是数据采集站的重要功能之一。 对井上监控中心来说，它起到了一个t c p 通信服务器端的功能；对于井下采煤机监控 模块来说，它同样作为现场r s 2 3 2 总线上到一个节点，在总线上接收和发送数据，达到 与各个监控模块通信的目的。 ( 2 ) 数据采集功能：数据采集站能够对井下采煤机监控模块( p l c 、变频器) 实时传 输的数据进行存储，整合后，按照具体要求传送给井上监控中心。 ( 3 ) 数据处理功能：数据采集站能够按照具体要求，对所采集到的数据实时的进行处 理，并在出现报警的情况下采取现场应急措施。 ( 4 ) 参数存储与修改功能：数据采集站具有对主要参数( 如矿井号、采集站i p 地址， 合理管理权限配置等) 存储与修改功能，便于采集站的合理管理与有效运行。 2 3 本章小结 根据井下采煤机监控通信系统的特殊要求，本章提出了数据采集站( c b o x ) 的设计方 案：数据采集站主要由五大模块组成( w l a n 模块、r s 2 3 2 模块、微处理器、现场显示 及应急模块) ；主控芯片选用n x p 公司的a r m 7 内核l p c 2 2 1 4 芯片；与监控中心之间 采用t c p i p 协议进行数据传输；与采煤机机身携带的p l c 、变频器模块之间采用 m o d b u sr t u 协议进行数据传输；采用基于操作系统uc o s i i 的软件设计，以提高 整个设计的稳定性与扩展能力。本文将w l a n 模块引入到数据采集站的设计中，其目 的是为了实现井下数据无线传输，解决井下空间狭小、布线困难的问题。 9 西安科技大学硕士学位论文 数据采集站通信协议的分析 3 1r s 2 3 2 串口通信协议 r s 2 3 3 串口通信协议是用来定义串行接口之间通信的基本任务，主要包括数据的格 式化、控制数据的传输速率、对数据进行串并转换等。 在本课题设计中，数据采集站与采煤机监控模块( p l c 、变频器) 之间是r s 2 3 2 串 口通信，使用的通讯协议是标准的m o d b u sr t u 协议【l3 1 。当从数据采集站发送一个命 令时，监控模块p l c 采用异步帧格式与数据采集站进行数据传输，所以本章节只对异 步帧格式作以详细的介绍和设计。 3 1 1 起止异步帧格式 起止式异步帧格式的特点是一个字符一个字符传输，并且传送一个字符总是以起始 位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。其格式如图3 所示。每一 个字符的前面都有一位起始位( 低电平，逻辑值o ) ，字符本身有5 - - 7 位数据位组成， 接着字符后面是一位校验位( 也可以没有校验位) ，最后是一位，或一位半，或二位停 止位，停止位后面是不定长度的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平( 逻辑值) ， 这样就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。 表3 1 异步通信数据帧格式 从图中可以看出，这种格式是靠起始位和停止位来实现字符的界定或同步的，故称 为起始式协议。传送时，数据的低位在前，高位在后。 起止位的作用：起始位实际上是作为联络信号附加进来的，当它变为低电平时， 告诉收方传送开始。它的到来，表示下面接着是数据位来了，要准备接收。而停止位标 志一个字符的结束，它的出现，表示一个字符传送完毕。这样就为通信双方提供了何时 开始收发，何时结束的标志。传送开始前，发收双方把所采用的起止式格式( 包括字符 的数据位长度，停止位位数，有无校验位以及是奇校验还是偶校验等) 和数据传输速率 作统一规定。传送开始后，接收设备不断地检测传输线，看是否有起始位到来。当收到 1 0 3 数据采集站通信协议的分析 一系列的“l ”( 停止位或空闲位) 之后，检测到一个下跳沿，说明起始位出现，起始位 经确认后，就开始接收所规定的数据位和奇偶校验位以及停止位。经过处理将停止位去 掉，把数据位拼装成一个并行字节，并且经校验后，无奇偶错才算正确的接收一个字符。 一个字符接收完毕，接收设备又继续测试传输线，监视“0 ”电平的到来和下一个字符的 开始，直到全部数据传送完毕。 3 1 2 数据采集站r s 2 3 2 数据帧格式 ( 1 ) 起止异步数据帧格式 表3 2 起【e 式数据帧格式 名称位数 起始位 数据位 校验位 停止位 字符间隔时间： 1 位( 低电平) 8 位 无 1 位( 高屯平) = lm s ( 2 ) 主呼指令( 数据采集站) 数据格式( 最大3 1 字节，字节数和从呼字节数一致， 以下描述按3 1 字节数而定) 数据头：0 2 、0 6 ( 共两个字节) 数据指令：用来区分数据和指令，共1 个字节( 0 0 为指令，0 1 为数据) 厂家i d ：用来标识设备生产厂家，相同设备不同生产厂家有唯一的i d 号，共一 个字节 类别i d ：用来区分所连接的设备是p l c 监测设备还是变频器监测设备( 0 0 为p l c 设备，0 1 为变频器设备) 功能内容：用来设定该指令要求实现哪种功能，2 3 个字节( 0 1 为立即回传数据， 其余2 2 字节为无用字节，用0 x f f 填充) 校验：对所包含的字节进行1 6 位c r c 校验，共2 个字节 数据尾：0 3 ( 数据尾，共1 个字节) 表3 3 主呼指令，数据帧格式 ( 3 ) 从呼指令( p l c 、变频器) 数据格式( 最大3 1 字节，以下描述按3 1 字节数而定) 数据头：0 20 6 ( 共2 个字节) 有效数据长度：用来表示数据内容的有效长度，共一个字节) 。 西安科技大学硕士学位论文 厂家i d ：用来标识设备生产厂家，相同设备不同生产厂家有唯一的i d 号，共一 个字节) 类别i d ：用来区分所连接的设备是废水监测设备还是烟气监测设备( 0 0 为水设 备，0 1 为烟气设备) 数据内容：具体要传输的目标数据，2 2 个字节 错误代码：“0 标识设备无故障，非零标识发生了某种故障，具体情况由厂家自 定并提供说明，共一个字节 校验：对所包含的字节进行1 6 位c r c 校验，共2 个字节 数据尾：0 3 ( 共1 个字节) 表3 4 从呼指令数据帧格式 左牵引右牵引左牵引又牵引空余错误代码校验数据尾 温度温度电流电流 2 b y t e2 b y t e 2 b y t e2 b y t e 2 b y t e 1b y t e 2 b y t e 0 x 0 3 注：过流、断流时问单位为：小时；所有数据类型为十六进制整型 例如：c b o x 与p l c 设备通信( 按3 l 字节) 发送数据包0 2 h0 6 h0 0 h 0 1 h0 0 h0 x 0 10 x f r 0 x f f0 x f f0 x f f0 x f f0 x f f0 x f f0 x f f 0 x f f0 x f r0 x f f0 x f f0 x f