（交通信息工程及控制专业论文）危险化学品运输综合监测系统研究.pdf

中文摘要 摘要：危险品运输的安全正受到全社会越来越多的关注，目前，仍有很多重 大恶性事故发生，导致重大的生命财产损失。本课题正是在这样的背景下产生的， 提出了危险品运输综合监测系统的研究。 本文提出了以液化石油气为研究对象的危险品监测系统，针对运输过程中可 能产生的危险品的泄漏，危险品的燃烧。运输车的倾倒等危险情况，相应的采取 了传感器的检测，然后通过串口通信将检测到的危险品以及运输车的信息传送到 车载计算机上并进行本地预警，车载计算机通过g p r s 功能模块结合g p s 模块将 检测到的危险品和运输车信息传送到远程监控中心，实现监控中心对危险品运输 的实时监控。 本文首先提出了危险品监测系统的功能需求进行探讨，提出了危险品监测系 统的总体架构，然后着重阐述了系统的硬件设计和软件设计。硬件方面讨论了 a 1 m e g a l 2 8 芯片及其扩展电路，温度、倾角、泄漏浓度等传感器模块，g p s 模块 以及通过g p s 模块获得速度信息。并且讨论了1 2 8 6 4 液晶显示模块和预警模块。 软件部分实现了传感器信息的采集，液晶显示模块的驱动以及显示，串口通信的 实现，以及基于s o c k 或的g p r s 网络编程。 本系统对于危险品运输的监测提供了较好的参考作用，具有一定的现实意义。 关键词：危险化学品；泄露浓度；倾角；g p r s ；s o c k c t 编程 分类号：t p 3 6 8 1 ；x 9 5 1 a b s t r a c t a 璐t r a c t t ks i l r i t yo fl l a ：瑚由璐c h 锄i c a lm a t e f i a l s 唧m t i o ni sb e i n g p a i e dm o r c 纽d “r ea 钍翩虹o nb yt l l ew o n d a t 也ep r ：嚣e n tt i i 】1 e ，触la c c i d 蹦t ss t i l l o c c 删，训c hm a d eh u g el o 站1 1 1 i sp 印盯i so c c 删i nt l l i sb a c k g r o u n d ，a n db r i n g 旬r w a r dt ot h cs t l l d yo fi l i t e 孕砷e dm o i l i t 砸n gs y s t 鼬伽h 犯a r d o u sc ：h 锄i c a lm 删a l s 缸赳坶p o r t a t i o n 1 1 1 i sp a p 盯城n gf o r w a r dt ot l l e 如】d yo f i i l t e g r 删m 伽i 蜘n gs y s t 啪o nh a z 砌。硝 c h 蹦d c a l 倒删a l s 廿a 郴删o l l ，w l l i c ha i l n sa tl i q u c f i e dp e 呐l e u mg 舔b yc h c c k i n g t h eh a 2 a r d o i 塔h e i i l i c a li n a t c r i a l sb ys a l s o rt or e a l i z et h ec ：h e c ko fl i l l l l 【o fh 酃强相i o 璐 d 煳i c a lm 删a 1 8 ，t l 碡b m l i n go f 幽eh a z 砌o u sc h 锄i c a lm a t e f i m s ，a n d 出ed u 埘【p 8 9 eo f t h ec o n v e y 船c e 卸dn l 饥u s e r i a li n t e r f a c ct 0 觚f 断t l l ep a 船m 砷e rt h a tc h cc ：k e di n s l a v ec o m p 懒t om 鹊t 盯c o m p u t 盱i l lt h ec o n v e 咖c e a n dt l l e nt h eg p r sm o d m ei n m em a s t c rc o n i p u t 盯啪3 c r mt h ep 猢e c 盯t om o l l i t o rc e m 既m 璐l es y g t 锄代a l i z 鹤 t l l er e a l t i m em 伽i t o rt ot h ec o n v c yo f h a z a r d o u sc h e i l l i c a lm 曲嘶a l s f i r s tt l l ef i l n c t i o nr e q u i r e l n e n to ft h es y s t 锄i sb r i n g 南r w a r dt 0b ed i s c 哪s e d 柚d m 吼t l l et o t a l 缸吼e w o r kc o m 鹤i i i t ob e i n g t l l e ne | 1 1 p h a s i z et l l eh a r 洲a r ed c s i g nm l dm e s o 脚躺d e s i _ 匦o f l l l es y s t 锄i nh a r d w a r ed 嘲乳d i 湖s sm e 幽po f a l m e g a l 2 8m d i t s e x t e n dc i l c u i t ，a l d i s c u s st l l es s o ro ft a n p e n 曲r c o b l i q l l i 哆n l et h i c k n 龉so f h a z 础u sd 1 锄i c a lm a t a i a l sl e a k a g e g p sm o d u l ei sa l s od i s c u s s c d，锄dm 1 2 8 6 4 l c ds c r e m o d t 】l e ，a l a r n lm o d u lc i ns 0 脚a d 船i g n ，l i i a i n l yr c a l i z et l l ec h e c ko f _ i l l f o 】m a t i o n 丘咖s 曲s o l t l l ed r i v c 趾dd i s p l a yo fl ( ：ds c r e ，t 1 1 ec o m m 岫i c a t i o n 1 1 s e i n gs e r i a li n t e m c e ，a i l di l e ts o c k c tp r o 掣锄1 1 1 i n gu s i n gg p r sm o d m e t h es y s t e mp r o v i d eu p s t 锄d i n gc o n s u l tt 0 也e 仃a l i s p 0 倒o no fh a z 盯d o u sc h 训c a l m 砷e r i a l s ，h 嘶n gp r a c l i c a lm 1 1 i n g k e y w o i t d s ：h 舷a r d a l l sc h 锄i c a lm 砷e f i a l s ；l e a k a g ct 1 1 i c k n 船s ；0 b l i q u i t y ；g p r s ； s o c k e tp m 晷删n g c l a s s n o ；t p 3 6 8 1 ：x 9 5 1 致谢 本论文的工作是在我的导师唐祯敏教授的悉心指导下完成的，唐老师严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来唐老师对 我的关心和指导。 唐老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我 很大的关心和帮助，在此向唐老师表示衷心的谢意。 唐教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感 谢。 在实验室工作及撰写论文期间，当我课题没有头绪时，杨光师姐给我提了好多 我课题的指导，还有聂胜利，李爱菊对我课题的探讨，还有阎志鹏，郭俊亮等同 学对我论文的指导。感谢我的师兄李为为博士对我的论文撰写方法的指导。感谢实 验室里的师弟师妹们，他们也给我研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。 另外也感谢父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 l 绪论 1 1 本课题研究背景 近几年，在运输过程中发生的化学危险品泄漏、丢失和爆炸等恶性事故时有 发生，造成极大的财产损失和极坏的社会影响。我国又是全球集装箱槽车的生产 和运输大国，根据我国集装箱，槽车运输行业统计，到目前为止，我国已运输过的 化学危险品有1 3 0 余种。这当中，有毒有害、易燃易爆气体是我们关注的重中之 重。如除液化石油气外，仅氯气我国的年产量已经超过6 0 0 万吨。当每立方米空 气中含有o 1 毫克浓度的氯气就足以对环境和人员造成伤害。按照国家氯气安全 规程g b l l 9 8 4 8 9 规定，生产、使用氯气的车间( 作业场所) ，空气中氯气含量最 高允许浓度为1 n l g ，m 3 。另外随着国际上反恐要求和措施的不断提升和加强，要求 尽快实现对化学危险品的运输全程实时监控。 本文正是基于这样的背景下进行的，尝试构建危险品运输综合监测系统的研 究，以及简单的探讨了相关危险品的应急措施。 1 2 国内外危险品运输现状 在国内，鉴于危险品本身的特性，以及在化学属性上的差异，使得对其运输 组织的危险性贯穿于生产、流通全过程，加上运输作业操作中各种非确定因素的 影响，对运输装备要求很高。而就我国目前的现状，符合危险品运输的装备专用 化程度不高，整体技术状况较差，也缺乏统一的能够保障安全的装备技术标准， 同时，研发、生产、维护保养技术水平不高，准入与淘汰机制不配套，包装落后。 危险品物流安全面临挑战【1 1 。 在欧洲和其他地方，危险品监测系统的研究相当深入【2 】，发达国家在危险化学 品安全的各个方面及层次上投入了大量的人力物力和财力，危险化学品安全达到 较高水平，为预防和减少危害危险化学品安全的事件、事故、灾害、反恐防恐和 突发事件等提供了强有力的支撑和保障。目前美国各政府部门正积极寻求改善铁 路安全，运输安全局出台美国联邦法规第4 9 章第1 7 2 部分关于危险品运输的规定， 参议院通过s 2 2 7 3 铁路安全法案，国家安全部拨款1 5 亿美元用于改善铁路安全， 其中无线监测系统在当中扮演了重要角色。发达国家普遍建立了安全体系，危险 化学品安全理论研究水平较高。 世界发达国家已经基本建立了适应市场经济发展要求的化学危险品标准体 系，并逐步达到了比较科学的阶段。化学危险品标准已经深入到与化学危险品有 关的社会经济生活的各个层面，为相关的法律法规提供技术支持，成为化学危险 品市场准入、贸易合同维护与仲裁、合格评定、安全事故鉴定和产品检验检测的 重要依据 3 1 。 1 3 危险品运输综合监测系统研究的意义 目前，在运输过程中发生的化学危险品泄漏、丢失和爆炸等恶性事故时有发 生，造成了极大的财产损失和极坏的社会影响。 下面是最近的一些重大危险品运输事故： 2 0 0 6 年l o 月1 2 日凌晨，山西临汾西山运煤主干道上，发生3 1 吨剧毒物( 液 态粗苯) 运输车坠沟发生泄漏。2 0 0 6 年9 月1 日2 3 时3 0 分左右，合界高速公路( 潜 山段) 上，发生2 6 吨液苯罐车泄漏。3 公里范围内的约5 0 0 0 名群众紧急撤离。2 0 0 6 年1 月1 4 日1 3 时左右，京珠高速公路北二坏出口处，发生液化气泄漏。8 公里高 速路双向封路1 8 小时后恢复通车。 同时，我国的液化气和氯气的运输量是巨大的，据统计测算： 2 0 0 4 年中国液化气总运输量1 7 0 0 万吨( 8 5 万罐箱) ，运输车总保有量1 3 万 辆。2 0 0 4 年全球液化气总运输量1 8 3 3 0 万吨( 9 1 6 万罐箱) ，运输车总保有量1 0 万 辆。2 0 0 5 年中国l p g ( “q u e f i e dp e 嘶l e 啪g 船) 需求量1 9 9 0 万吨( 1 0 0 万罐箱) ，年 增6 。2 0 0 5 年全球l p g ( l i q u e 矗e dp e 的l e 啪g 嬲) 需求量2 2 亿吨( 1 1 0 0 万罐箱) 。 2 0 0 5 年中国l n g ( l i q u e f i e dna _ t u i 试g 嬲) 需求量3 0 0 0 万吨( 1 5 0 万罐箱) ，年增3 9 。 2 0 0 5 年全球l n g ( l i q f i e dn a _ c u r a lg 豁) 需求量1 5 亿吨( 7 5 0 万罐箱) ，年增长4 8 。 2 0 0 5 年全国丙稀需求量1 3 8 0 万吨( 6 9 万罐箱) ，年增长1 6 。我国氯气年产量已经 超过6 0 0 万吨( 3 0 万罐箱) 。 在如此严峻的有毒气体运输形式下，针对有毒气体在运输过程中可能出现的 各种隐患或者发生的事故，开展结合先进的传感、信号传输与处理、卫星定位等 技术的实时监测系统的研究，研究开发能对集装箱罐箱槽车运输过程中有关参数 实时采集、发送和分析，能对各种危险情况实现预警并报告中央控制中心的集装 箱罐箱，槽车运输化学危险品实时监测系统，对提高我国化学危险品运输安全，防 患于未然或者尽可能消除事故危害【4 】，保护环境具有重要的意义。 本文就是在这样的背景下提出了危险品运输综合监测系统研究，由于液化气的 运输量巨大，而且液化气是十大危险化学品之一【5 1 ，所以本课题以液化气作为研究 对象，主要用打火机作为对象来对监测系统的进行研究。 2 1 4 本课题所做研究的主要工作 1 ) 根据目前危险品运输中存在的问题，提出解决的方案。 2 ) 构建了监测系统的各组成部分。 3 ) 使用c o d e v i s i o n 越佩编写下位机数据采集程序。 4 ) 使用如a lc 抖编写串口通信，接收下位机传来的数据。 5 ) 使用v i s u a ic + + 编写基于g p r s 的s o c k c t 网络通信，用于运输车与监控中心通 信。 1 5 论文的结构安排 本文共分5 章： 第一章绪论：主要说明了本论文产生的背景，以及国内外危险品运输发展的 现状，论述了基于危险品运输的综合监测的意义，最后讲述了本论文所要进行的 主要工作，以及说明了对论文撰写顺序的安排。 第二章系统总体设计：主要从危险品监测系统的功能需求入手，阐述了危险 品综合监测系统各部分的组成情况，并讲述了各部分所具有的功能，然后，说明 需要检测的物理量及其各自的精度和预警值。通过对系统的功能需求和需要检测 的物理量的精度以及预警值的规定，设计出本系统的总体结构图，同时介绍了系 统的开发平台，包括下位机软件和上位机软件 第三章系统硬件选型与设计：具体阐述了本系统的各个部分的硬件模块组成， 包括主芯片模块、数据采集模块、g p s 数据采集模块、数据显示模块、数据传输 模块和远程传输模块。 第四章系统软件设计：具体阐述了本系统的软件设计，包括下位机软件中的 数据采集，液晶显示以及预警模块的软件设计，还有下位机和上位机的通信的软 件设计，上位机软件以及远程监控中心软件设计。 第五章总结与展望：总结了论文所做的工作，并且对论文的不足与前景进行 了展望。 3 2 系统总体设计 2 1 危险品运输存在的问题 危险化学品在道路交通运输过程中，由于管理原因、人的失误、车辆、包装 和设备设施的缺陷、路况与环境方面等原因，盛装易燃、易爆、有毒化学品，对 沿途的居民、行人、其他车辆及设施等构成潜在的巨大威胁，且有可能对大气、 水体、土壤等局部环境造成污染，甚至造成较大范围的人员伤亡和财产损失【6 】。 目前，危险品运输频发，总结有以下几种比较多见的问题，危险品的温度没 有监测，以至于危险品燃烧；运输车的倾角没有检测，以至于出现运输车翻倒没 有报警；出现事故，没有g p s 卫星定位使危险品运输处于未知状态。出现事故 没有一个规范的处理机制，有时显得比较混乱。 2 2 系统功能需求 针对目前危险品运输存在的问题，危险品运输综合监测系统的设计目标是实 现车载危险品的状态以及车载信息的检测，同时将检测到的信号进行处理，与本 地计算机进行串口通信，建立本地预警机制，然后与控制中心进行数据通信，从 而实现远程监测。 该系统包括以下主要功能： 1 ) 运行车的环境的检测：包括温度、姿态、速度等。 2 ) 化学危险品的检测：主要针对泄露浓度。 3 ) 信号的传输与本地预警机制的建立。 4 ) 卫星定位。 5 ) 到监控中心的远程通讯。 功能说明如下：功能1 和功能2 通过安装在集装箱槽车上面的温度、倾角、相 应有毒气体传感器等设备来采集信号。功能3 通过串口通信将采集的传感器信号 传输到本地计算机上，并且在本地计算机上实现预警机制，实现本地报警。功能4 通过车载g p s 系统得到的车辆定位信号。功能5 通过车载g p r s 系统，将本地采 集到的信号以及g p s 系统得到的车辆定位信号发送到中央控制中心，由控制中心 统一调度和预警。 4 2 3 系统检测参数定义 检测部分是本系统的重点，现在先说明本系统需要检测的物理量，以及它们 的参数要求： 本系统需要检测的物理量有： 1 ) 运输车环境温度的检测。 2 ) 运输车位置以及运输车速度的检测。 3 ) 运输车在运输过程中姿态的检测。 4 ) 液化石油气阀门的检测。 以上物理量的检测精度以及报警值得设置： 1 ) 运输车环境温度的检测精度为0 5 ，预警值设为5 5 2 ) 运输车速的检测精度分别为2 5 i i 以，预警值设为“1 5 妇油，v 2 0 0 k m 瓜7 】 3 ) 运输车在运输过程中姿态的检测精度l o ，预警值设为6 0 0 。 4 ) 液化石油气的一级预警值设为对应的阻值为l k 欧姆，二级预警值设为对应的 阻值为2 k 欧姆。 2 4 系统方案设计 鉴于上面的功能需求的分析，现将危险品监测系统的总体结构设计如下。 2 4 1 系统的总体结构 由于危险品运输车在运输过程中可能会出现种种危险，危险品监测系统的研 究显得很重要。需要将危险品的状态信息，以及车载信息检测到，同时还要将该 信息与控制中心进行实时通信。基于这一需求，本系统可以用下位机检测危险品 的信息，传输给车载上位机，由车载上位机的g p r s 功能模块实现与远程控制中 心的数据传送。整个系统的结构如下图： 5 一 砘_掣 蜜寓离富富 2 4 2 系统结构说明 图2 1 系统结构图 f i g u r e 2 1t t 峙s y s t e mf m m ec h a n 本监测系统分三部分下位机检测部分， 监测部分。 其中下位机是本监测系统的核心部分， 处理，并且传输给上位机。 上位机监测部分，以及远程监控中心 负责将车载以及危险品的信息采集， 上位机监测部分供司机等车载人员，以便了解车载危险品的实时信息。如果 危险品发生泄漏等异常情况，下位机会报警，上位机也会报警，这样即使数据传 输过程中丢失的也能报警，供车载人员进行及时处理。 远程监控中心可以了解运输车以及运输车上的危险品的实时信息，并且将获 得的数据存入数据库，以便查询。如果发生事故将采取应急措施，包括通知离事 故最近的应急人员，采取何种应急措施，同时如果有必要还要疏散附近的居民； 车载人员还可以与远程控制中心进行直接的数据换。 6 2 5 系统设计平台 为了完成下位机数据采集的功能采用c o d e s i a v r 编译器，进行下位机的 数据采集程序开发，然后通过串口通信将下位机检测到的参数传到上位机( p c 机) 上进行本地信号处理和预警机制的建立。上位机采用的v i s u a is t l l d i o 工具进行程序 设计，将下位机的参数接收，然后进行建立本地预警机制，最后通过g p r s 网络 运用s o c k e t 网络编程实现远程无线数据传输。 2 5 1c o d e v i s i o i l a v r 编译器介绍 本系统采用c o d e s i a v rc 编译器，它是为a 咖da 、佩系列微控制器设计 的一款c 编译器，可以在w j n d o w s9 5 ，9 8 ，n t ，2 0 0 0 等操作系统上运行，编译生成c o f 文件，可以直接供a 仃i l d 公司的瓜很s n j d i o 烧入芯片。 该编译器较h a g e c r a f l 公司的i c c 、t 6 0 3 c 编译器相比，具有编译效率高， 安全性高等优点。比如一些运输溢出的w 锄“n g 在c o d e s i o n 越，r 里是会发送警 报的，而在i c c a 、佩6 0 3 c 编译器里却是不报的。这是本系统选择c o d e v i s i o 玎越佩 c 编译器的原因。 2 5 2 系统调试方案 本系统采用双龙的j 髓l gi c e 仿真器作为程序的烧写器和调试工具。还需要 台编写程序的上位机和一个a 1 h 唧1 2 8 芯片。 首先，将j t a gi c e 的两端分别接在上位机的并行口和a ：n n e g a l 2 8 的j t a g 接口上，然后将双龙j 1 a gi c e 上电，接着就可以给a 1 、m e g a l 2 8 上电，这样就构 成了系统调试所需要的最基本的条件了，如图2 2 。接下来，就可以把上位机用 c o d e s i o n 越，r 编译器编写好的程序用编译成c o f 文件，然后通过越佩s t u d i o 烧 入a 1 m e g a l 2 8 芯片里。 基于a t m e g a l 2 8心 j t a gi c e 1 入 p c 并行口 的实验板w几 图2 2 系统调试结构图 f i g i m l 2 2t h es y s o e mf r a l c h a f to f d e b 岫g 7 2 5 3 v i s u a lc + + 介绍 本系统的上位机软件开发平台使用m i c r o s o f i s u a lc + + 6 o ，实现串口通信的 数据接收，然后存入数据库，最后通过s o d 谳网络编程将数据传到远程控制中心， 下面简单介绍v c + + 的串口通信方法、数据库访问的方法和s o c k e t 编程： 1 ) v i 飘l a lc + + 串口通信方法介绍： 一般地，实现基于v c 环境下进行串口通信有4 种方法： 方法l ：利用v c + + 运行时库的标准通信函数，实现串口编程。 此方法，要求在通信之前约定双方的通信方式，包括波特率的设置、奇偶位 校验以及停止位的设定。同时确定数据传输帧格式，确定u a r t 操作方式。逐个 对线路控制寄存器、波特率因子寄存器和m o d e m 寄存器写入操作。 方法2 ：使用v c + + 提供的串行通信控件m s c o n 姐控件 m s c o m m ( m i c r 0 nc o m m u n i c a t i o 璐c 叫仃o i ) 是m i c f o f i 公司提供的简化 w 硒d o w s 下串行通信编程的a c c i v e x 控件。它为应用程序提供了通过串行口收发数 据的简便方法。它提供了2 种处理通信通信事件的方法：一是事件驱动法：主要 利用o l i l c o m m 事件捕获并处理这些通信事件；二是查询法：当应用程序执行完某 一串口操作后，将不断检查m s c o m m 控件的c o l n i i l e v 叫t 属性以检查某一事件是 否发生。 方法3 ：在单线程中实现自己定义的串口通信类。 此方法，适用于在线程中实现通信的场合，而不是在对话框中实现的。通过 自己定义的串口类来实现串口通信。 方法4 ：在多线程下实现串行通信。 此方法，适用于多线程环境下，即用户界面程序提供界面和用户交互，而串 口通信程序放到另一个线程中，这样就可以实现多线程操作i 引。 本系统采用方法一来进行串口通信。 2 ) s u a lc + + 数据库方法介绍： 在编程时需要保存各种实时接收的数据，并实现以后的数据再现回放，这种 情况下就应该建立数据文件。然后，基于这种数据文件可以通过普通文件读写方 式进行操作，但是当数据类型较多并且要求随时回放数据时，就要求编程时设置 较大的动态数组，这将会占用较多的系统资源，甚至导致程序崩溃；而利用数据 库就可以较好的解决这个问题：将数据存放到数据源文件中，通过编程接口对其 进行访问。 觏l a lc + + 6 0 提供的数据库访问技术主要有以下5 种： ( 1 ) o d b c ( o p 饥d a t a b 蠲ec o 衄e c t i v i 劬 8 ( 2 ) m f co d b c ( m i c r o nf o d 撕o nc l 嬲s 嚣o d b c ) ( 3 ) d a 0 ( d a t a a c 勰鹊o b j 踯b ) ( 4 ) o l e d b ( o b j e c t “i l k 锄d 喇如g d a t a b 嬲c ) ( 5 ) a d o ( a d i w d a t ao b j e 删 这里主要说下，本系统中用到的0 d b c 技术：o d b c ( 开放数据库连接) 为各 种类型的数据库管理系统提供了统一的使用s o l 语言的程序设计接口，数据采集 程序将使用0 d b c 接口将数据保存到数据库中9 】【1 0 】。 3 1s o c k c t 网络编程介绍： s o c k c t 是8 0 年代初b e r k e l e y 的研究人员为t c p i p 网络通信，开发的一组a p i 函数。v c 6 o 的姗c 类封装的c s o c k e t 类。s o c k 鲥又称w 讪s o c k 或w i n d o w ss o c k e t s ) 是w i n d o w s 基于i s o 模型的网络连接规范，它是应用程序和网络之间的标准接口。 s o c k c t 主要分为流式套接字( s t r e 锄s o c k 哟、数据报套接字p 北触s o c k c t ) 和原 始数据报套接字( r a ws o c k e ) 三类。 其中，流式套接字提供面向连接、可靠的数据传输服务，数据无差错、无重 复的发送，且按发送的顺序接收。 数据报套接字提供无连接服务，数据报以独立包形式发送，不提供无错保证， 数据可能丢失或重复，并且接收顺序混乱【】 本系统采用基于t c p i p 的流式套接字网络编程。客户端和服务器之间选用 t c p m 协议，目的是保证数据传输的安全性和可靠性。 2 6 本章小结 通过对危险品监测系统的功能需求以及检测参数的说明，设计出自己的危险 品监测系统的结构框图，确定了系统开发的平台以及调试方案。还介绍了下位机 和上位机所使用的开发软件c o d e s i o n a 、很和m i c r o s o rv i s l l a lc + + 6 o 。 9 3 系统硬件选型与设计 本系统硬件部分按功能划分可以分为下位机检测部分，车载上位机部分以及 远程控制中心三部分。 本监测系统下位机检测部分电路包括：主芯片模块，数据采集模块，数据显 示模块，数据传输模块以及报警模块。其中，主芯片电路负责对采集来的数据进 行集中处理，并负责将数据与p c 机进行串口通信，以及控制其他模块工作。数据 采集模块负责数据的采集以及信号的调理，然后送回主芯片模块中。数据显示模 块负责显示关心的一些数据的实时信息。数据传输模块主要是将主芯片模块中的 数据传输到p c 机中。报警模块负责判断数据的状态如果出现异常将发生报警，通 知车载人员采取及时和相应的补救措施。检测部分结构图如下图所示f 12 l ： 图3 1 检测部分结构图 f i g i l r e 3 1t i i ed c t e c 血gf 堋m ec h a n 与远程控制中心的通讯的方法大多数采取的是g p r s 模块与下位机中的c p u 相连，本系统的设计方法采用与大多数情况不同设计方案，即将g p r s 模块直接 连接至车载p c 机上，结构图如下： 1 0 图3 2 车载计算机与远程控制中心连接图 f i g u m 3 2t h e “l i l 【a l a r tb c t w o 脑d e 柚dm i t o rc t 盯 以下就逐一介绍各个功能模块： 3 1 主芯片模块 主芯片模块又包括m c u 模块，j t a g 模块，串口通信( u 邶模块，复位电路 ( r e s 叨模块，电源电路( p o w e r ) 模块，晶振模块。其组成结构图如下： 图3 3 主芯片模块图 f i g 删3m c m a i l i m o 姗ec l l i pc l l a f t 对主芯片电路中各组成模块功能说明如下： 3 1 1m c u 模块 m c u 模块采用删e l 公司的删e g a l 2 8 单片机。 a 1 h c g a l 2 8 单片机为基于a v rr i s c 结构的8 位低功耗c m o s 微处理器。 a 1 m e g a l 2 8 单片机内部带有1 2 8 k b 的系统内可编程f l a s h 程序存储器，具有在写 的过程中还可以读的能力，即同时读写( r 、7 l r w ) ；4 k b 的e e p r o m ；4 k b 的s r a m ； 5 3 个通用的端口线；3 2 个通用工作寄存器；实时时钟( r t c ) ；4 个灵活的具有比 较模式和p w m 功能的定时器计数器( 1 c ) ；2 个u s a l h ；面向字节的两线接口 ( 1 w i ) ；8 通道l o 位a d c ；可选的可编程增益；片内振荡器的可编程看门狗定 时器；串行外围设备接口( s p d ；与i e e e “4 9 1 规范兼容的j t a g 测试接口，此接 口同时还可以用于片上调试，同时删e l 公司还推出了j 融g 口的仿真器j 1 a g i c e ，j 1 a gi c e 配合a t m e l 公司的免费集成开发软件a v rs t u d i o 可以构成调试 系统，并且可以对芯片进行烧写；6 种可以通过软件选择的省电模式【u 】。 3 1 2j t a g 模块 j 1 a g ( j o i n t t e s t a c t i g r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协议， 主要用于芯片内部进行测试，仿真和调试。支持j t a g 技术的芯片内部封装了专门 的测试电路t a p ( t e s ta c c e s sp o r t ，测试访问口) ，通过专门的j t a g 测试工具可 以对芯片内部节点进行测试。a v r 系列单片机都支持n a g 协谢1 4 1 。 本系统采用双龙公司的s l 广j 1 a g 型号的仿真器和a v rs t u d i o 一起实现 a t m e g a l 2 8 芯片程序的写入与调试。 a t m e g a l 2 8 是具有j t a g 接口的芯片，提供在线集成调试功能。在往a t m e g a l 2 8 芯片里写程序时，必须首先用j t a gi c e 仿真器将p c 机的并行口与a t m e g a l 2 8 的 j t a g 接口连接上，并且为j t a gi c e 上电。第二步是给下位机芯片a t m e 9 8 1 2 8 上电。 这时才可以将p c 机里的编译好的c o f 文件烧入a t m e g a l 2 8 芯片里。 标准的j t a g 接口电路是4 线：t c k 、t m s 、t d i 、t d o ，它们分别对应着测试 时钟、测试模式选择、测试数据输入和测试数据输出。它们是通过仿真器的接口 分别接到调试主机的并行口上的。 1 0 针的j t a g 接口的引脚如下表【1 5 l ： 引脚名称描述 4 7v c c 接电源。 2 ，1 0g n d接地。 lt c k 测试时钟，提供独立、基本的时钟信号。 3t d o测试数据串行输出，所有从特定寄存器中输出的数据都 是从t d o 一位一位串行输出。 5t m s 测试模式选择，t m s 信号用来控制测试访问接口控制器的 1 2 模式。 9t d i测试数据串行输入，所有要传到特定寄存器的数据都从 t d o 接口一位一位的串行输入。 。 6r s t 测试系统复位信号。 8n c 未连接 具体电路图如下： 表3 1 ，i a g 接口定义 t 曲l e 3 1 坞d 倒吐o no f j t a gi n t c r f a c c 图3 4 脚接口电路图 f i g u 瞄4i l i cc i r c i l i td i a 弘吼o f j l a gh l 妇f a 3 1 3 串行通信模块( u 根r ) 串行口通信采用电子工业协会( e i a ) 推荐的r s 2 3 2 c 标准，这是一种常用的串 行数据传输总线标准1 6 1 。r s 2 3 2 c 标准采用的接口是9 芯或者2 5 芯的d 型插头， 其中9 芯d 型接口较为常用，其连接图如下： 图3 5 d b 9 引脚图 f i g 嘲5d b 9p i nc h a r t 1 3 其引脚定义如下： 针脚名称功能 lc d ( c a r r i e rd e t e c t )载波检测 2r x d ( r e c e i v ed a t a )接收数据 3t x d ( t r a n s m i td a t a )发送数据 4 d t r ( d a t at e r m i n a lr e a d y )数据终端准备完成 5 g n d ( s y s t e mg r o u n d )信号地线 6 d s r ( d a t as e tr e a d y )数据准备完成 7 r t s ( r e q u e s tt os e n d )发送请求 8 c t s ( c 1 e a rt os e n d )发送清除 9 r i ( r i n gi n d i c a t o r ) 振铃指不 表3 2 d b 9 引脚功能 m l b l e 3 2d b 9p 缸f i m c 吐o n 串行数据在传输过程中，由于干扰可能引起信息的出错，也可能使传输的数 据发生位错误，这种情况称为“误码”。为了使系统能够可靠、稳定地通信，采用 数据校验是有效保证数据传输可靠性的一种方法。目前较为流行的方法有： 1 ) 奇偶校验 2 ) 校验和 3 ) 循环冗余码校验 本系统采用校验和的方法，该方法是先将所有的字节相加，然后将结果截短 到所需的位长。 3 1 4 复位电路模块( r e s e t ) a t i n e g a l 2 8 具有5 个复位源： 1 ) 上电复位：当电源电压低于上电复位门限v p o t 时，m c u 复位。 2 1 外部复位：当r e s e t 引脚上的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时，m c u 复位。 3 ) 看门狗复位：当看门狗使能且看门狗定时器超时时，m c u 复位。 4 1 掉电检测复位：当掉电检测复位功能使能，且电源电压低于掉电检测复位门限 v b o t 时，m c u 复位。 5 v t a g a 吼复位：当复位寄存器为l 时，m c u 复位【”】。 在本系统中，复位电路主要完成上电复位，故采用上电复位的形式。 1 4 3 1 5 电源模块( p o w e r ) 在本系统中，需要供电的有：a 1 m e g a l 2 8 ( 4 5 v 5 5 v ) ，温度传感器 d s l 8 b 2 0 ( 3 5 v 乙5 5 v ) ，g a i t m i n g p s 2 5 l p ( 3 6 v 6 v ) ，泄漏浓度传感器2 m 0 0 7 ( 5 v ， l o v ) ，倾角传感器l a m - t d 3 6 0 ( 3 o v 0 5 v 采用低压工作模式) ，m c 3 5 ( 4 2 。即需 要电源供电电压为：5 v 、1 0 v ，4 2 v 。 采用北京索氏电子产品有限公司的m o d d 为r e 8 5 e j b 的开关电源，可以输 出d c5 v 乃a1 2 v 1 a ，通过分压可以满足电源供电的需求。 3 1 6 晶振模块 晶振电路的主要功能是向c p u 以及其他电路提供工作时钟，晶振电路的连接 如下图： 2 2 p f 1 0 z 口 2 2 p f x t a l 2 x t a l l g n d 图3 6 晶振电路图 f i g u r e 3 6c r y s t a lo s c i l l a t o rc i r c u i t 其中，矾a l l 是片内振荡器的输入端，a l 2 是片内振荡器的输出端。 3 2 数据采集模块 本系统需要采集的信号量有：温度信号，车辆行驶的倾角，g p s 信息，以及 危险品的泄漏浓度等。 3 2 1 温度采集 本系统采用美国d a l l a s 公司生产的可编程单总线数字式温度传感器 d sl8 b 2 0 实现对运输车环境温度的检测。 d a l l a s 公司新推出的d s l 8 b 2 0 数字式温度传感器，与传统的热敏电阻 有所不同的是，它可以直接将被测温度转化为串行数字信号供微机处理，并且根 据具体要求，通过简单的编程实现9 位1 2 位的分辨率的温度读数，精度为0 5 。 d s l 8 b 2 0 采用3 脚t ( ) 9 2 封装或8 脚s o 封装，管脚排列如图所示，对图中d s l 8 b 2 0 的引脚功能说明如下【l s 】： n c n c v d d d q n c n c n c g n d 图3 7 1 8 b 2 0 引脚图 f i g u r e 3 71 8 b 2 0p i n c h a f t 对各引脚说明如下： 1 ) n c ：( n o tc o 蚰e c t ) 空引脚，不连接外部信号。 2 ) v d d ：接电源引脚，电源供电3 肌5 5 v 。 3 1 g n d ：接地。 4 ) d q ：数据的输入和输出引脚。 其中，d q 引脚的i o 为数据输入输出端( 即单线总线) ，该引脚为漏极开路输 出，常态下呈高电平。而单线总线，即1 w i r e 技术正是1 8 b 2 0 系列的一个特点。 d s l 8 b 2 0 的测温范围为- 5 5 一1 2 5 ，且在一1 0 到8 5 之间精度位o 5 ， 满足环境温度的需求。 d s l 8 b 2 0 的内部结构：主要由6 4 位激光r o m ( 6 4 _ b i t1 a s e r e dr o m ) 、温度传 感器( t e m p e r a t u r es e n s o r ) 、非挥发的温度报警触发器t h 和t l ( n o n v o l a t 订e t e m p e r a t u r ea l a r mt r i g g e r st ha n dt l ) 、配置寄存器( ac o n f i g u r a t i o n r e g i s t e r ) 。其内部结构图如下图所示： 1 6 1_7 - l 存储器和控制器 塞 i 7 位 _ 。g 温度灵敏元件 夏 l 和高速缓存存储 低温触发器t l l ， 苴 弓z 孓 线 器高温触发器t h 接 配置寄存器 电 口 源i 检_ - 8 位c r c 生成 测 器 图3 8 1 8 b 2 0 内部结构图 f i g u 坤3 8b m e rf h m 删，o r kc ! h a r d s l 8 b 2 0 的内部结构主要包括寄生电源、温度传感器、6 4 位激光r o m 单总线 接口、存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值、触发器 存储与控制逻辑、8 位循环冗余校验码发生器等7 部分。 d s l 8 b 2 0 的测温原理，如下图所示： 除 图3 91 8 b 2 0 测温原理图 f i g i l r e 3 9n l e o r yc h a r to fm e a s u r et e m p e r a t u r e 如上图所示，低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变换很小的振荡器， 用于为计数器l 提供一个频率稳定的计数脉冲。 高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，它为计数器2 提 1 7 供一个频率随温度变化的计数脉冲。 初始时，温度寄存器被预置成一5 5 ，每当计数器l 从预置数开始减计数到o 时，温度寄存器中寄存的温度值就增加l ，这个过程重复进行直到计数器2 计数 到o 时便停止。 初始时，计数器1 预置的是与一5 5 相对应的一个预置值。以后计数器1 每 一个循环的预置数都由斜率累加器提供。为了补偿振荡器温度特性的非线性，斜 率累加器提供的预置数也随温度相应变化。计数器l 的预置数也就是在给定温度 处使温度寄存器寄存值增加l 计数器所需要的计数个数。 图中比较器的作用是以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。 在计数器2 停止计数后，比较器1 中的计数剩余值转换为温度值后与o 2 5 进行 比较，若低于o 2 5 ，温度寄存器的最低位就置o ；若高于o 2 5 ，就置1 ；若 高于o 7 5 时，温度寄存器的最低位就进位然后置o 。这样，经过比较后所得的 温度寄存器的值就是最终读取的温度值。 d s l 8 b 2 0 可以完成对对温度的测量，以1 2 位转换为例：用1 6 位符号扩展二进 制补码读数据形式提供，以o 0 6 2 5 l s b 形式表达，其中s 为符号位。下表为 d s l 8 b 2 0 温度值格式表： 低8 位 b i t 7b i t 6b i t 5 b i t 4b i t 3 b i t 2b