（信号与信息处理专业论文）矿山应急多媒体通信系统的研制——环境参数检测技术的研究与实现.pdf

论文题目：矿山应急多媒体通信系统的研制 环境参数检测技术的研究与实现 专业：信号与信息处理 硕士生：高佳琦 指导教口币：李国民 李文峰 摘要 本课题来源于国家安全生产监督管理总局的矿山应急多媒体通信系统研发任务，主 要研究矿山应急多媒体通信系统中环境参数的采集、显示、存储、传输、报警等问题。 该技术的研究成果也可以应用到其它的环境检测领域。 论文从矿井环境参数检测的需求分析入手，研究井下救援环境，并确定甲烷，一氧 化碳，氧气和温度作为矿井环境参数检测的对象。研究了气体参数采集和温度参数采集 的原理和方法，同时结合矿山应急多媒体通信系统中的电源管理，面板控件管理等要求， 提出了基于智能气体变送器，温度传感器、电源管理，面板操作和c 8 0 5 1 f 3 3 0 单片机 数据处理技术相结合的井下环境参数检测的方案设计。该方案实现以下功能：采集、显 示、存储、传输环境参数数据；电源指示、欠压指示；电源智能开关机操作；智能软关 机操作和暂停操作。 一 课题完成了硬件电路设计与实现和软件设计及调试工作。硬件部分主要包括： c 8 0 5 1 f 3 3 0 核心处理模块；智能气体变送器；单总线温度传感器；单片机与上位机之间 的串口通信电路；本质安全电源模块；网络交换模块等。软件部分主要包括：固件程序 模块；环境参数采集模块；网络通信模块。最后研制成了一套原理装置，经过在单片机 与上位机的运行测试，装置满足各项功能，达到了设计要求。并将该装置成功应用于矿 山应急多媒体通信系统中。 关键词：矿山救援；多媒体通信；环境参数：检测 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：m i n ee m e r g e n c ym u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m d e v e l o p m e n t - r 铭e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fe n v i r o n m e n t p a r a m e t e re x a m i n a t i o n s p e c i a l t y ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e：g a o j i a - q i i n s t r u c t o t ：l ig u o - m i n l iw e n - f e n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) t h i sp a p e rt o p i co r i g i n a t e sf r o mm i n ee m e r g e n c ym u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n td u t y t h i sp a p 盯m a i n l ys t u d i e dh o wt og a t h e r i n g , d i s p l a y i n g , s t o r i n ga n dt r a n s m i t t i n gt h em i l l ee n v i r o n m e n tp a r a m e t e ra n dr e p o r t i n gt h ea l a r me f f e c t i v e l y t h em i n ee n v i r o n m e n tp a r m n e t e rd e t e 咖e q u i p m e n tw i l la p p l yt ot h em i n ee m e r g e n c y r e s c t l c t h i st e c h n i c a lm s u l t 啪a p p l yt oo t h e re n v i r o n m e n te x a m i n a t i o nd o m a i n s t o o f i r s t l y ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n to fm i n ee n v i r o n m e n tp a r a m e t e r d e t e c t i o n ；t h ea u t h o rc h o s em e t h a n e ，c a r b o nm o n o x i d e ，o x y g e na n dt e m p e r a t u r ea st h e e n v i r o n m e n tp a r a m e t e r a f t e r s t u d y i n g t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fm i n eg 嫩sa n d t e m p e r a t u r ep a r m n e t e rg a t h e r i n g ，t h ea u t h o rc h o s ea l la p p r o p r i a t eg a sg a t h e r i n gm e t h o da n d e s t a b l i s h e dt h es y s t e md e s i g np l a n t h es y s t e md e s i g nb a s e do nt h ei n t e l l i g e n tg a ss e n s o r , t h e t e m p e r a t u r es e n s o ra n dt h ec 8 0 5 1 f 3 3 0i n t e g r a t e dc i r c u i t t h ed e s i g np l a nr e a l i z e sf o l l o w i n g f u n c t i o n s ：g a t h e r i n g , d i s p l a y i n g , s t o r i n g ，t r a n s m i t t i n ge n v i r o n m e n tp a r a m e t e r ；p o w e rs o u r c e i n s t r u c t i o n ；p o w e ro w e sv o l t a g ei n s t r u c t i o n ；t h ei n t e l l i g e n c et u r no n o f fo p e r a t i o n ；t h e i n t e l l i g e n ts o f tc l o s e - d o w no p e r a t i o na n dp a u s eo p e r a t i o n s e c o n d l y , t h ep a p e rd e s c r i b e st h eh a r d w a r er e a l i z a t i o na n dt h es o f t w a r ed e b u g g i n g t h e h a r d w a r ep a r tc o n s i s t so fm c u - c 8 0 5 1 f 3 3 0m o d u l e ；t h ei n t e l l i g e n tg a s e sg a t h e r i n gu n i t ； t e m p e r a t u r es e n s o r ；, t h ei n t r i n s i c a ls e c u r i t yp o w e rs o u r c em o d u l ea n dn e t w o r ks w i t c h b o a r d f o rt h ep u r p o s eo f s o f t w a r em a i n t e n a n c ea n dd e v e l o p m e n t , t h es o f i ，v a r ea d o p t e dt h em o d u l a r d e s i g nm e t h o d t h es o l 隆w a l ep a r tm a i n l yi n c l u d e s ：f i r m w a r ep r o g r a mm o d u l e ，e n v i r o n m e n t p m u r n e t e rg a t h e r i n gm o d u l e ，n e t w o r kc o n n e c t i o nm o d u l e 。 f i n a l l y , i no r d e rt oe n s u r i i l gt h es y s t e mw o r ks t a b i l i t ya n dt h ec o m m t m i c a t i o ns e c u r i t y , t h ea u t h o rh a sc a r d e do nt h ed e t a i l e dd e b u g g i n gt ot h es y s t e ms o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h e t e s tr e s u l ts h o w st h a ti t sf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c em e e tt h er e q u i r e m e n to ft h em i n e e n v i r o n m e n tp a r a m e t e re x a m i n a t i o n i t sa p p l i c a t i o nw i l ls h a r p e nt h em i n er e s c l i ea b i l i t ya n d t h ee f f i c i e n c y k e y w o r d s ：m i n er e s c u e m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n tp a r a m e t e r d i 尬c 垃1 1 9 娄错技支学 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：别互讶日期：m7 6 罗 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。 学位敝储躲南至有指剥币签 ，7 年 1 绪论 1 1 课题研究的背景 1 绪论 本课题来源于矿山应急多媒体通信系统的研发任务。 煤炭是我国主要能源供给之一。近年来，矿山事故时常发生，许多事故例如塌方、 透水、煤矿起火、瓦斯爆炸等等，对矿工生命构成威胁，并使得国家一次次遭受重大的 经济损失。矿山救援任务十分艰巨，矿山应急救援通信在救援过程中起着举足轻重的作 用，矿山救援通信自身的特点也决定了它作为通信领域一个重要的研究课题日益受到人 们的关注。 ( 1 ) 矿山应急通信的特点【l j 矿山应急通信主要有四个特点：时间的突发性；地点的不确定性；环境的复杂性； 信息的多样化。通常，需要应急通信的时间是不确定的，人们根本无法预知，更不能进 行事先准备。况且大多数情况下，需要应急通信的地点也是不确定的。需要矿山应急通 信的地点多数是地形复杂多交、现场环境险恶的地点，救援人员需要克服高温、浓烟、 瓦斯和一氧化碳严重超限、井下光线不足、巷道狭窄、通风状况差等困难。在进行应急 救援时，除了语音通信外，有时还需要灾区视频图像信息和现场环境参数数据，以便抢 险救援指挥部全面了解水灾、火灾、塌方、瓦斯爆炸等灾区现场情况，这就要求应急通 信的信息多媒体化。 ( 2 ) 我国矿山救援应急通信主要存在的问题 我国矿山救援应急通信主要存在：通信准确性差；实时通信性差；通信信息量有限； 没有记忆；储存功能等问题。通信不畅问题将直接导致井下救护队员和上级指挥、协调 人员之间的信息反馈不畅，井下救护基地和地面救灾指挥部无法及时、准确掌握灾区真 实情况。不能对救灾工作做出科学的调度和快速反应，致使很多的救援工作受到制约， 贻误了可能的救援机会。， ( 3 ) 矿山救援对应急通信系统的要求 2 - 4 矿山救援通信的特点对信息的传输和交换都提出了更高的要求。传输网络的带宽、 信息交换方式和通信协议都将涉及到能否满足应急通信业务需求，确保通信质量和效率 等问题。矿山应急通信对网络和设备的要求主要体现在以下几方面： 系统自备电源，自成系统、独立运行； 可快速组网； 系统采用便携式设计，功耗低，传输距离2 0 公里，连续工作时间应t 8 小时； 信息多样化，能同时支持音频、视频和井下环境参数数据实时传输，要求有足 西安科技大学硕士学位论文 够的可靠带宽； 系统用户数不多( a r 2 此时u o 盯= 等胁k l 觚 上式表明，电桥输出电压与瓦斯浓度成正比。因此在一定的范围内电桥输出电压与 瓦斯浓度呈线性。( 见图2 2 ) 电 桥 输 出 电 压 暑 v 0 图2 1 瓦斯测量电桥 甲烷浓度 图2 2 瓦斯浓度在l e l 以下电桥和浓度成的线形特性 对以上三种瓦斯气体检测方法的比较，可以看出三种检测方式各有优缺点( 见表 2 4 ：瓦斯气体检测方法的优缺点比较) 。根据我们对井下环境的研究，在救援过程中， 1 3 西安科技大学硕士学位论文 还需采集其他的环境参数，所以选择一种参数数据提取较为简便的方式。考虑到催化型 瓦斯检测原理技术成熟，数据提取简便，灵敏度高，成本低的特点，决定采用催化型瓦 斯检测传感器。 表2 4 瓦斯气体检测方法的优缺点比较 瓦斯气体 检测原理 光学干涉法 红外吸收法催化燃烧法 稳定性好，测量范测量范围宽，不易受到高浓灵敏度高，受温度和湿度影响较小， 优点 围大，使用寿命长。度瓦斯和硫化物的侵蚀。价格低等。 仪器设备大，价格 易受到高瓦斯和硫化物的侵蚀。使 高，测量不直观，受温度和湿度用一段时间后，零点产生漂移，灵敏 缺点 而且无法与监控系的影响较大度下降周此每隔一段时间就要用标 统连接。准气体进行零点和灵敏度的校正。 ( 2 ) 一氧化碳传感器 一氧化碳气体检测主要采用定电位电解式气体传感器。 定电位电解式气体传感器的原理是：使电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行 电解，通过改变其设定电位，有选择的使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气 体。对特定气体来说，设定电位由其固有的氧化还原电位决定，但又随着电解时，作用 电极的材质、电解质的种类不同而变化。电解电流和气体浓度之间的关系( 如公式2 2 所示) ： i = ( n f a d c ) 西 ( 2 2 ) 式中，i _ 一电解电流； n 每l m o l 气体产生的电子数； f 去拉第常数； a 一气体扩散面积； d 扩散系数； d 一电解质溶液中电解的气体浓度： 虿扩散层的厚度。 在同一传感器中，1 1 、f 、a 、d 及石是一定的，所以电解电流与气体浓度成正比。 c o 气体检测传感器的结构和工作原理。其基本结构如图2 3 所示【m ，在容器内的相对两 壁，安置作用电极和对比电极，其内充满电解质溶液构成一个密封结构，再在作用电极 和对比电极之间加以恒定电位差而构成恒压电路。透过隔膜( 多孔聚四氟乙烯膜) 的c o 气体，在作用电极上被氧化，而在对比电极上0 2 被还原，于是c o 被氧化而形成c 0 2 。 1 4 2 井下环境参数采集装置的总体方案设计 此时，作用电极和对比电极之间的电流就是公式2 2 0 0 的i ，根据此电流值就可知c o 气 体的浓度。 隔膜工作电极对比电极 图2 3 定电位电解式气体传感器的基本构造 ( 3 ) 氧气传感器 氧气传感器都是有限扩散的，其金属一空气型电池由空气阴极，阳极和电解液组成。 氧气传感器简单来说是一个密封容器( 金属的或塑料的容器) ，它里面包含有两个 电极：阴极是涂有活性催化剂的一片p t f e ( 聚四氟乙烯) ，阳极是一个铅块。这个密封 容器只在顶部有一个毛细微孔，允许氧气通过进入工作电极。两个电极通过集电器被连 接到传感器表面突出的两个引脚，而传感器通过这两个触角被连接到所应用的设备上。 传感器内充满电解质溶液，使不同种离子得以在电极之间交换( 参见图2 4 ) 。 图2 4 氧气传感器结构示意图 进入传感器的氧气的流速取决于传感器顶部的毛细微孔的大小。当氧气到达工作电 1 5 西安科技大擘硕士学住论文 极时，它立刻被还原释放出氢氧根离子： 0 2 + 2 h 2 0 + 4 e 甜0 r 这些氢氧根离子通过电解质到达阳极( 铅) ，与阳极( 铅) 发生氧化反应，生成对 应的金属氧化物。 2 p b + 4 0 h - - - - 2 p b o + 2 h 2 0 + 村 上述两个反应发生生成电流，电流大小相应地取决于氧气反应速度( 法拉第定律) ， 可外接一只已知电阻来测量产生的电势差，这样就可以准确测量出氧气的浓度。 电化学反应中，阳极( 铅) 参与到氧化反应中，使得这些传感器具有一定的使用期 限，一旦所有可利用的铅完全被氧化，传感器将停止运作。通常氧气传感器的使用寿命 为l 2 年，但也可以通过增加阳极铅的含量或限制接触阳极的氧气量来延长传感器的 使用寿命。 ， 毛细微孔氧传感器和分压氧传感器 氧气传感器根据进入传感器的氧气的扩散方式的不同分为两种，一种是在传感器顶 部设有一毛细微孔，而另一种设有一层固体薄膜允许气体通过。细孔传感器测量的是氧 气浓度，而固体薄膜传感器测量的是氧气的分压。 细孔传感器产生的电流反映的是被测氧气的体积百分比浓度，与气体总压力无关。 温度对细孔氧气传感器的影响相对较小，通常温度从+ 2 0 0 c - - 2 0 。c 会导致输出信号损 失1 0 0 5 。 细孔氧气传感器传出的信号( s ) 是非线性的，与氧浓度( c ) 有如下关系( 见公式 2 3 ) ： s 咄k 南 ， 其中：s 为传感器输出的信号；a 为常量；c 为氧气浓度。 实际上，传感器的输出呈线性上升，直至氧气浓度超过3 0 0 6 时才出现偏差，给测量 带来困难。 2 2 3 智能气体变送器 智能变送器是在变送器体内直接使用微处理器芯片，对被测物理量进行数字化处 理，并增加数字通信接口，可直接与计算机进行数字通信( 见图2 5 智能变送器工作原 理) 。智能变送器使用数字通信的信道复用技术和低功耗电路，使多个传感器可共用一 条通信总线，大大减少了现场信号引线。微处理器直接对被测信号进行数字化处理，使 传感器的测量精度和量程比大为提高，并具有诊断报警功能，还可克服温漂和各种零漂 影响。尤其应用于多种采集检测模块集成方面，具有组网方便、信号处理简洁、体积小、 功耗低等优点。近年来，这种气体参数采集模块被应用工业控制和检测，楼宇检测的各 1 6 2 井下环境参数采集装置的总体方案设计 i i i i i i i i i i | i i i i i | i i | i 个领域“i q 嘲。 由传感器 c p u 经过 将非电量进行 八进行八 数字 信号转换放大 通信 成电量信叫滤波叫 数据 叫 接口 处理 号 输出 图2 5 智能变送器工作原理 由上文的分析，井下气体变送器主要检测三种气体：甲烷，一氧化碳，氧气。经过 对气体采集原理和传感器功耗及采集方式等问题的研究之后，本课题选择加拿大约克公 司的一款四合一智能气体变送器作为气体参数采集的模块。选择提取其中三种气体检测 信息，完成对甲烷气体，一氧化碳气体，氧气的采集和数字化处理。处理后的气体参数 数字化信息以i 2 c 总线形式输出。 2 3 温度传感器 ( 1 ) 传统的分立式温度传感器一热电偶传感器 热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，热电偶传感器主要按照 热电效应来工作。它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精确度； 测量范围广，可从5 0 1 6 0 0 进行连续测量，特殊的热电偶如金铁一镍铬，最低可测 到一2 6 9 ，钨一铼最高可达2 8 0 0 。 ( 2 ) 集成( i c ) 温度传感器 模拟集成温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度 传感器。模拟集成温度传感器是在2 0 世纪8 0 年代问世的，它是将温度传感器集成在一 个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用i c 。模拟集成温度传感器的主要 特点是功能单一( 仅测量温度) 、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积 小、微功耗等，适合远距离测温、控测，不需要进行非线性校准，外围电路简单。 智能温度传感器 智能传感器( 亦称数字温度传感器) 是在2 0 世纪9 0 年代中期问世的。它是微电子技 术、计算机技术和自动测试技术( a r e ) 的结晶。目前，国际上己开发出多种智能温度传 感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、a d 转换器、信号处理器、存 储器( 或寄存器) 和接1 3 电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器( c p t o 、随机存取存 1 7 西安科技大学硕士学位论文 储器( r a m ) 和只读存储器( r o m ) 。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温 度控制量，适配于各种微控制器( m c u ) ；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试 功能的，其智能化和谐也取决于软件的开发水平。2 1 世纪后，智能温度传感器正朝着高 精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制 单片测温系统等高科技的方向迅速发展。 ( 3 ) 温度传感器选型 随着科学技术的发展，特别是现代仪器的发展，微型化、集成化、数字化正成为传 感器发展的一个重要方向例。在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解 决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问 题，才能够达到较高的测量精度。为了克服上面提到的三个问题，在本智能采集器系统 设计中，采用了新型数字温度传感器d s l 8 8 2 0 x 。美国d a l l a s 半导体公司推出的数字化 温度传感器d s l 8 8 2 0 x 采用单总线协议，即与微机接口仅需占用一个i o 端口，无需任 何外部元件。d s l 8 8 2 0 x 直接将温度转化成数字信号，以9 位数字码方式串行输出，从而 大大简化了传感器与微处理器的接口，而且性能稳定。因此，本课题选择单总线温度传 感器d s l 8 8 2 0 x 完成温度信息采集功能。 2 4 井下环境参数采集实现的功能 ( 1 ) 超小型气体采集传感器，多种气体同步采集； ( 2 ) 体积小巧，性能可靠，自成体系，可集成到现有的可视化救援系统中； ( 3 ) 信息多样化，能够同步监测c h 4 ( 瓦斯气体) 、0 2 ( 维生气体) 、c o ( 剧毒气体) 三种气体浓度及环境温度等多种参数，并采集、显示、传输及存储； ( 4 ) 系统具有动态的拓扑结构，每个节点可以采集四路气体成分，节点独立工作， 并且节点可随意变更或增加，通过增加节点可以无限制的增加采集点； ( 5 ) 具有良好的传输性能，抗干扰能力强； ( 6 ) 具有多种采集数据显示方法，能在地面和井下同步显示，并能提供数据输出 接口； ( 7 ) 在环境参数异常的情况下，提供救援环境警报功能。 ( 8 ) 传输距离8 k m ； ( 9 ) 连续工作时间：8 小时。 2 5 总体方案设计 2 5 1 硬件方案设计 环境参数采集系统选择美国c y g n a l 公司推出的c 8 0 5 1 f 系列单片机中的一款小 1 8 2 井下环境参数采集装置的总体方案设计 型单片机c 8 0 5 1 f 3 3 0 作为核心处理芯片。这种芯片体积小，功耗小，处理能力强大，很 适合作为本系统的核心处理芯片。环境参数采集系统总体结构框图如图2 6 所示。系统 主要功能模块包括：c 8 0 5 1 核心处理模块；智能气体变送器单元；智能温度传感器模块； 单片机与上位机之间的串口通信电路；本质安全电源模块；网络交换模块等几个部分 【2 l 删。 其中，井下本质安全计算机是项目组其他成员研制开发的模块，可以实现对采集的 参数数据显示和存储。所以，井下本安计算机模块由本文作者作为课题组已有技术成果 应用于本装置的研制中。实现环境参数采集的软件设计由笔者完成，将在系统软件设计 部分作详细的介绍。 图2 6 井下环境参数采集系统总体结构框图 虚线标示的功能模块是作为扩展的功能模块，视频服务器可完成矿井图像信息的采 集，压缩和处理，通过网络接口传输给井下本质安全计算机，由计算机完成显示和存储。 s d s l 调制解调器主要完成环境参数和视频信号的远端传输，经过调制后的数据信息，通 过矿用电话双绞线传输给井下指挥中心，完成数据的远端端的监测。 ( i ) 各个模块的功能描述： 智能气体变送器： 主要完成对甲烷，一氧化碳，氧气信息的采集，数字化处理。由气体传感器输出的 气体浓度信息是4 2 0 m a 的模拟电流信号。这一电流信号经过调理电路，经过放大和滤 波，再转换成标准的电压信号送入a d 转换电路，经a d 转换后，由单片机完成采样和数 字化处理。通过1 2 c 总线输出。 1 9 西安科技大学硕士学位论文 单总线温度传感器： 主要完成对井下环境温度信息的采样和处理。选用的智能温度传感器1 8 8 2 0 x 将实 现对环境温度信息的数字化处理。这种温度传感器是单总线工作模式，与单片机传输信 息仅需占用一个i 0 端口，无需任何外部元件，硬件接口简单，性能稳定，直接将温度 转化成数字信号，以9 位数字码方式串行输出，从而大大简化了传感器与微处理器的接 口。 核心处理模块( c 8 0 5 1 f 3 3 0 单片机) 的主要功能2 4 1 ： 其一，单片机以查询方式获取气体参数数据和环境温度数据，每5 0 0 m s 查询并接收 一次。其二，单片机进行数据整合，并将整合后的串行数据经姒x 3 2 3 2 芯片转换，以标 准的r s 2 3 2 数据形式传输给井下井下本质安全计算机，以完成对井下环境参数的采集和 处理。其三，单片机对电源进行管理，完成系统开关机；获取电源工作状态，即欠压 还是过流，并在控制面板上用不同颜色的发光二极管指示。其四，单片机完成控制面板 上的按键功能，完成采集到多媒体信息的播放，暂停，软关机等功能。 井下本质安全计算机 井下本质安全计算机由项目组其他成员研制开发，在本系统中将完成视频、环境参 数数据的显示，存储功能。 电源模块 本安电源模块主要负责对整个系统部件的电源供给。模块将对本质安全锂电池输出 电压进行变换，以满足系统各部件对电源的需要。包括温度传感器，核心处理器单片机， 井下本质安全计算机，网络交换等模块的电源供给。 单片机与井下本质安全计算机通信电路脚】 单片机通过r s 2 3 2 接口连接到井下本安计算机上，数据也是以标准的r s 2 3 2 串行数 据传输的。这部分电路主要是r s 2 3 2 接口电路。 网络交换模块 网络交换模块是为了满足系统功能扩展而设计的，主要是为了连接视频服务器和 s d s l 调制解调器之用。网络交换模块实现数据的网络交换，为数据网络传输做准备。 ( 2 ) 涉及主要工作内容包括： 芯片选型，依据系统要求，选取适当的芯片( 包括微处理器、智能气体变送器 等) ； 具体电路的设计： 硬件电路板合理性的分析以及整体设计； 微处理器数据采集部分的软件设计： 软件硬件联调，以实现硬件功能。 硬件的详细设计内容会在第三章系统硬件设计里进行详细的论述。 2 井下环境参敷采集装置的总体方案设计 2 5 2 软件方案设计 系统的软件总体结构分为固件程序模块，环境参数采集模块和网络通信模块 2 6 1 1 2 7 l 。 系统软件结构框图见图2 7 。 ( 1 ) 固件程序模块功能描述 固件程序在c 8 0 5 1 f 3 3 0 单片机上运行，采用m c s 一5 1 汇编语言和c 语言设计、模块 化程序设计方法，主要功能是： 获取三合一智能气体变送器的气体参数数据； 获取1 8 8 2 0 温度传感器的温度数据； 获取可充电锂离子电池的电压，对电压值进行监控； 接收键盘按键状态等信息，提供开关机，软关机等命令； 与上位机通信，通过r s 2 3 2 接口，将数据发送给井下井下本质安全计算机。 固件程序模块 获取气体ll 获取温度l 获取电池i 获取键盘1l 与上位机i l 参数数据ii 参数数据l i 电压数据ii 按键信息ll 通信 声 环境参数采集模块 接收环境参数通过网络通信模块发 串口数据送数据到其它节点 l 以太嗣接口 | 7 网络通信模块 将环境参数数据发将控制命令发送 送到其它网络节点给其它嘲络节点 图2 7 系统软件结构框图 ( 2 ) 环境参数采集模块功能描述 环境参数采集模块在井下本质安全计算机上运行，采用c + + 语言编写。其中包含了 两个任务，功能如下： 通过串口接收环境参数数据，实时显示和存储数据。通过网络通信模块发送到 2 1 西安科技大学硕士学位论文 其他网络节点； 通过网络通信模块将环境参数数据发送给其它网络节点。 ( 3 ) 网络通信模块功能描述 网络通信模块在井下本质安全计算机上，采用v i s u a lc + + 语言设计。将环境参数数 据和控制命令转发给其他节点，保证数据的可靠传输。 具体的软件设计见论文第四章软件设计与实现。 2 6 本章小结 总体方案的设计是项目开发过程中的关键环节。根据对气体传感器的工作原理、性 能参数和测试方法的研究和比较，以及对温度传感器工作原理和测试方法的研究和比 较，提出了解决井下环境参数检测的方法。我们在本章中给出了相对较合理的软硬件设 计方案。讨论了各个硬件予模块的功能和实现方法。确定了软件开发采用模块化的方式， 确定了各个模块的功能。为井下环境参数检测系统的下一步开发和研制奠定了良好的基 础。 3 硬件电路实现 3 硬件电路实现 环境参数采集装备可以视为由两个功能部分组成：信号获取和信号处理。 信号获取部分主要是利用智能气体变送器检测井下环境参数数据，并且利用单总线 温度传感器获取环境温度信息。将这些环境参数信息输入c 8 0 5 1 f 3 3 0 单片机系统【嚣l 。 信号处理主要是由c 8 0 5 1 f 3 3 0 单片机完成，单片机对采集的环境参数进行数据整 合，再通过串口输出给上位机( 并下本质安全计算机) ，在并下本质安全计算机上通过 用户应用软件完成对环境参数信息的显示和报警等功能。 本课题的硬件系统构成是：c 8 0 5 1 核心处理模块；智能气体变送器单元；智能温度 传感器模块；单片机与上位机之间的串口通信电路；电源模块；网络交换模块等几个部 分。本章将阐述硬件部分的实现，系统整体结构示意图见图2 6 。 3 1c 8 0 5 1 f 3 3 0 单片机系统芯片概述 c 8 0 5 1 f 3 3 0 是由美国c y g n a j 公司推出的c 8 0 5 1 f 系列单片机中的款小型单片 机。它是集成的混合信号片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) ，具有与m c s 5 1 内核及指 令集完全兼容的微控制器。2 0 脚m l p 封装。 c 8 0 5 1 f 3 3 0 主要特性： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) 真正l o 位2 0 0 k p s 的1 6 通道单端，差分a d c ，带模拟多路器 l o 位电流输出d a c 高精度可编程的2 5 m h z 内部振荡器 8 k b 可在系统编程的f l a s h 存储器 7 6 8 字节片内r a m 硬件实现的s m b u g l 2 c 、增强型u a r t 和增强型s p i 串行接1 ：3 4 个通用的1 6 位定时器 有3 个捕捉比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器定时器阵列( p c a ) 片内上电复位、) d 监视器和湿度传感器 片内电压比较器 1 7 个端口i ，o ( 容许5 v 输入) 具有片内上电复位，v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 3 3 0 是真 正能独立工作的片上系统。f l a s h 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失 性数据存储，并允许现场更新8 0 5 1 固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以 西安科技大学硕士学住论文 关断任何一个或所有外设以节省功耗。 片内s i l i c o nl a b s 二线( c 2 ) 开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行非侵入式( 不占用片内资源) 、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储 器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用c 2 进行调试时，所有的模拟 和数字外设都可全功能运行。两个c 2 接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功 能不占用封装引脚。 c 8 0 5 1 f 3 3 0 可在工业温度范围( - 4 5 。c 到+ 8 5 ) 内用2 7 v 3 6 v 的电压工作。端口 i o 和r s t 引脚都容许5 v 的输入信号电压。结构示意图如图3 1 所示。 图3 1c 8 0 5 1 f 3 3 0 结构示意图 3 1 1c 8 0 5 i f 3 3 0 的指令系统 ( 1 ) 与8 0 5 1 完全兼容 c 8 0 5 1 f 3 3 0 使用s i l i c o nl a b s 的专利c i p 5 1 微控制器内核。c i p 一5 1 与m c s 5 1 t i v i 指令集完全兼容，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编器和编译器进行软件开发。c i p - 5 1 内 核具有标准8 0 5 2 的所有外设部件，包括4 个1 6 位计数器定时器、一个具有增强波特率 配置的全双工u a r t 、一个增强型s p i 端口、7 6 8 字节内部r a m 、1 2 8 字节特殊功能寄 存器( s f r ) 地址空间及1 7 个端口。 ( 2 ) 速度提高了许多 c i p 5 1 采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执行速度有很大的提高。在 一个标准的8 0 5 1 中，除m u l 和d i v 以外所有指令都需要1 2 或2 4 个系统时钟周期， 3 硬件电路实现 最大系统时钟频率为1 2 - 2 4 m h z 。而对于c i p - 5 1 内核，7 0 的指令的执行时间为l 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统时钟周期。 c w 5 1 共有1 1 1 条指令。下表列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关 系。 表3 1 指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系 i 执行周期数 12 2 3 33 4 44 558 指令数 2 65 051 6 7312l c i p 5 1 工作在最大系统时钟频率2 5 m h z 时，它的峰值速度达到2 5 m i p s 。图3 2 给 出了几种8 位微控制器内核工作在最大系统时钟时峰值速度的比较关系。 2 0 皇 号1 5 l o 5 3 1 2 增加的功能 厂 _ 二 c m 础l i c r o c h i pp h i l i p sa d u c 8 1 2 c ( 2 i p 眺- 5 19 i ( c 3 蹴1 7 c 7 b 1 ( ；盟( c l k ) c l k ) c l k ) e l k ) 图3 2m c u 峰值执行速度比较 c 8 0 5 1 f 3 3 0 在c 口5 1 内核和外设方面有几项关键性的改进，提高了整体性能，更 易于在最终应用中使用。扩展的中断系统向c i p 5 1 提供1 4 个中断源( 标准8 0 5 1 只有7 个中断源) ，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少 的m c u 干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中 断源是非常有用的。 m c u 有多达8 个复位源：上电复位电路( p o r ) 、一个片内v d d 监视器( 当电源 电压低于v r s t 时强制复位) 、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较 器0 提供的电压检测器、一个软件强制复位、外部复位输入引脚和f l a s h 读写错误保 护电路复位。除了p o r 、复位输入引脚及f l a s h 操作错误这三个复位源之外，其他复 位源都可以被软件禁止。在一次上电复位之后的m c u 初始化期间，w d t 可以被永久 性使能。 西安科技大学硕士学位论文 c 8 0 5 l f 3 3 0 l 器件的内部振荡器在出厂时已经被校准为2 4 5 m h z + 2 。该振荡器的 周期可以由用户以大约o 5 的增量编程。片内还集成了一个低速振荡器，更适合于低 功耗操作。器件内集成了外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、r c 或外部c m o s 时钟源产生系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡 器。外部振荡器在低功耗系统中是非常有用的，它允许m c u 从一个低频率( 节电) 外 部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速( 可达2 5 瑚z ) 的内部振荡器。 3 1 3 片内存储器 ( 1 ) 数据存贮器 c i p 5 1 有标准8 0 5 1 的程序和数据地址配置。它包括2 5 6 字节的数据r a m ，其中高 1 2 8 字节为双映射。用间接寻址访问通用r a m 的高1 2 8 字节，用直接寻址访问1 2 8 字 节的s f r 地址空间。数据r a m 的低1 2 8 字节可用直接或间接寻址方式访问。前3 2 个 字节为4 个通用寄存器区，接下来的1 6 字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。 ( 2 ) 程序存贮器 程序存储器包含8 k b 的f l a s h 。该存储器以5 1 2 字节为一个扇区，可以在系统编 程，且不需特别的编程电压。程序存贮器未用到区均可由用户按扇区作为非易失性数据 存贮器使用。 3 1 4 片内调试电珞 c 8 0 5 1 f 3 3 0 具有片内s i l i c o n l a b s 2 线接口调试电路，支持使用安装在最终应用系统 中的产品器件进行非侵入式、全速的在线系统调试。 s i l i c o nl a b s 的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点和单步执行。不 需要额外的目标r a m 、程序存储器、定时器或通信通道。在调试时所有的模拟和数字 外设都正常工作。当m c u 单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设( a d c 和 s m b u s 除外) 都停止运行，以保持与指令执行同步。对于开发和调试者来说，s i l i c o n l a b s i d e 接口比采用标准m c u 仿真器要优越得多。 3 1 5 可编程数字f o 和交叉开关 c 8 0 5 i f 3 3 0 有1 7 个i ，o 引脚( 两个8 位口和一个l 位口) 。c 8 0 5 l f 3 3 0 ，1 端口的工 作情况与标准8 0 5 1 相似，但有一些改进。每个端口引脚都可以被配置为模拟输入或数 字f o 。被选择作为数字f o 的引脚还可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8 0 5 1 中固定的“弱上拉”可以被总体禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。 数字交叉开关是c 8 0 5 1 f 3 3 0 内部很重要的部分。它的作用是允许将内部数字系统资 源映射到端口i o 引脚。也就是说，用户可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数 3 硬件电路实现 器，定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出以及锻控制器内部的其它数字信号配置为 出现在端口f o 引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口f o 和所需 数字资源的组合。给使用者提供了极大的方便。 3 1 6 串行端口 c 8 0 5 1 f 3 3 0 系列m c u 内部有一个s m b u s 1 2 c 接口、一个具有增强型波特率配置的 全双工u a r t 和一个增强型s p i 接口。每种串行总线都完全用硬件实现，都能向c i p - 5 1 产生中断，因此需要很少的c p u 干预。 3 2 环境参数数据采集电路 ，r ， 3 2 1 智能气体变送器选型 智能变送器即在变送器本体内直接使用微处理器芯片，对被测物理量进行数字化处 理，并增加数字通信接口，可直接与计算机进