（电力电子与电力传动专业论文）智能化瓦斯综合测控分站系统.pdf

黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ey e a r2 0 0 6 t h em e g a t o nd e a t hr a t ei s2 0 4 1i no u rc o u n t r y s c o l l i e r yp r o d u c t i o n a n dg a se x p l o s i o ni s am a i nc a u s eo fc o l l i e r y c a l a m i t y s og a ss u p e r v i s o r y w i l lb em o r e i m p o r t a n t i n c o l l i e r y p r o d u c t i o n af e a s i b l em a i ns c h e m ei sp r o p o s e di nt h ep a p e rb yd e t a i l e d i n v e s t i g a t i o na n dt h e r e s e a r c ho fa n a l y s i s p o i n t e d t of a u l t so ft h e e x i s t i n gs u p e r v i s o r ys u b s t a t i o n s ，a n d t h e p a r t i c u l a r i t y o ft h e c i r c u m s t a n c e si nt h ep i to ft h ec o l l i e r ya r ec o n s i d e r e ds y n t h e t i c a l l y ，t o o a na d v a n c e dm c uw i t hh i g hi n t e g r a t i o no fh i g hs p e e di sa d o p t e da st h e c e n t e rm i c r o p r o c e s s o rt oi m p r o v ea n t i i n t e r f e r e n c ea n de a s ye x p a n d i n g i nt h es c h e m e e m b e d d e dt c p i pi s a d o p t e da st h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lo fp ca n dm c u t oe n s u r et h es t a b i l i t yo ft h ed a t at r a n s m i t t i n g t o u c hs c r e e na n dl c da r ea d o p t e da st h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n i n t e r f a c et om a k eu s a b i l i t ye a s ya n dt or e d u c ec o n s u m p t i o n i nt h e h a r d w a r ed e s i g n ，r e d u c i n gt h eq u a n t i t yo fc h i p sa n ds e l e c t i n gc h i p s w i t hl o wc o n s u m p t i o na r ef i r s t l yc o n s i d e r e d a n di nt h es o f t w a r e d e s i g n ，t h em a t u r em o d u l a t i o nd e s i g no fs o f t w a r ee n g i n e e r i n gt h e o r yi s a d o p t e dt o e n h a n c et h ea n t i - i n t e r f e r e n c ea n dr e d u c ec o n s u m p t i o n e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mi s a d o p t e dt or e d u c et h ed i f f i c u l t ya n d e n h a n c et h es t a b i l i t ya n de a s ye x p a n d i n g b a c k u pp o w e rt e c h n o l o g yi s a d o p t e dt om a k et h es u b s t a t i o nw o r kf o rh o u r se v e ni ft h em a i np o w e r h a ss o m ef a u l t s t h e s et e c h n o l o g ys u c ha s h i g h p e r f o r m a n c em c u ， e m b e d d e dt c p i pa n de m b e d d e do p e r a t i o na p p l i e di ng a ss u p e r v i s o r y s u b s t a t i o n sa l s oe s t a b l i s haf o u n d a t i o nf o rt h ep o p u l a r i z a t i o no ft h e n a t i o n a ld i g i t i z e dg a ss u p e r v i s o r ys y s t e m d e t a i l e da r g u m e n t a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n ，s p e c i a l i n t r o d u c t i o nt ot h ea n t i i n t e r f e r e n c eo ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e ， f o r w a r ds y s t e m a t i ce x p a n s i b i l i t ya n ds o m ev i e w so ft h ef o l l o w - u pw o r k a r es t a t e d ，s oaf e a s i b l es c h e m ei sp r o p o s e db yt h ep a p e r k e yw o r d s ：g a ss u p e r v i s o r y ；l o wc o n s u m p t i o n ；a n t i - i n t e r f e r e n c e i i 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得黑龙江科技学院或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：避日期：诬，z ：2 萝 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权 保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和 借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生处办理。 _ 一一1 研究生签名：龟! 兰丝导师签名 期：词) 黑龙江科技学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1研究背景以及研究意义 1 1 1研究背景 我国是煤炭大国，煤炭资源总量位居世界第一，可采储量为 2 0 4 0 亿吨，位居世界第二。煤炭在我国具有其它能源无可比拟的 优势，煤炭约占我国化石能源的9 5 ，储量的9 0 l lj 。上世纪八十 年代以来，随着我国国民经济的快速发展，煤炭消费持续快速增 长。2 0 0 6 年我国煤炭消费达到2 3 2 5 亿吨，煤炭业一片欣欣向荣。 但是骇人听闻的矿难事故，却接二连三地不断发生。瓦斯灾害是 煤矿生产中危害最大的灾难之一。它不仅能威胁井下人员的生命， 摧毁矿井设施，迫使矿井停产；甚至有时还能引起煤尘爆炸和井 下火灾，从而加重了灾害，使生产难以恢复；而且还需要投入大 量的人力物力进行抢险救灾，造成的损失和影响是巨大的1 2 1 。 因煤矿生产的条件所限，从历史上看，在各国工业部门中煤 矿事故的死亡率最高。我国已有了明显好转，但与世界其他国家 相比，差距仍很大。而这些事故中，主要是由瓦斯爆炸引起的【2 j 。 由此可以看出瓦斯监控在煤矿生产中的重要性。 为防止瓦斯灾害事故，国家每年投入大量的资金p j ，经粗略估 算，从各种途径投入瓦斯灾害防治费用每年达2 0 亿元以上，给煤 矿生产带来沉重的经济负担；同时，瓦斯灾害的威胁也极大地限 制了矿井生产能力的提升，致使矿井生产能力下降，产出减少1 4 1 ， 矿井经济效益显著降低；也正因为矿井安全生产受到威胁，矿井 经济负担重，效益差，致使矿井工作人员深受苦难，科技开发能 力弱，不少高瓦斯矿井步入恶性循环，甚至导致矿井关闭。 瓦斯灾害防治的主要目的是防治瓦斯积聚，防治瓦斯煤尘爆 炸。要达到这些目的，就要求有精确、稳定、安全的瓦斯监控分 黑龙江科技学院硕士学位论文 站。加强瓦斯监控可以实时发现瓦斯灾害预兆f 6 1 ，及时采取措施消 除灾害隐患，防患于未然。 1 1 2项目研究的意义 我国是煤矿生产的大国，随着我国煤矿的自动化程度的不 断提高，煤炭产量的持续增加，各煤矿企业在其它设备上更新换 代很快，但瓦斯监控分站却因为成本和稳定性等原因，总是落后 于其他设备的更新速度，因而有必要开发全新的瓦斯监测分站， 智能化煤矿瓦斯综合测控分站系统是井下瓦斯检测不可缺少的设 备。 随着煤炭产量的增加，煤层开采不断加深，矿井瓦斯的涌 出量亦随之不断加大，瓦斯监控的复杂度也越来越大，普通的监 控分站已不能及时反映各处及各工作面瓦斯及其它事故的隐患情 况。因此需要更先进的监控技术来进行实时有效的检测、报警和 控制。 煤矿一线从业人员素质偏低，现有煤矿的一线工人大都是 从农村招的农协工，对煤矿的安全认识不足，在瓦斯超限时也不 予理会，认识不到瓦斯的涌出和浓度的增加会导致瓦斯爆炸等危 害，本分站可基本杜绝一线工人对瓦斯超限置之不理的状况。 由于我国的国情，目前我国的煤矿安全管理不够完善，本 分站可将实时数据及时送到地面，并保存2 4 小时乃至更长的时间， 这样当班决策人员就不能随意违反规程指挥。 1 2国内外研究概况、水平和发展趋势 1 2 1国内研究水平及不足之处 我国从2 0 世纪8 0 年代开始引进国外的安全监测系统，在充分 吸收国外先进技术的基础上，结合我国煤矿的特点，国内各大公 司也开发出一批监测监控系统。先后有k j i 、a 1 、k j 6 6 、a 8 0 0 、 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 k j 9 5 等3 0 多种型号的系统通过了技术鉴定，实现了对矿井安全、 生产方面多种参数的连续监测和数据处理l2 1 。这些装置的推广与应 用，改善了煤矿安全技术装备的落后局面，可有效地预防瓦斯爆 炸等事故的发生。目前，我国煤矿监测监控系统中存在的主要问 题： ( 1 ) 网络结构与通信方式不规范 现有的煤矿安全生产监测监控系统都有自己独立的通信系统， 如k j 4 使用总线f s k ，组成主从式通信系统；k j 9 0 使用同步差分四 相码，组成半双工通信系统。网络结构和通信模式多样，每种系 统都需要建立自己的网络，如果更新换代就会造成重复投资，通 信资源利用低下。因为不具备硬件的开放性，使得其它硬件产品 难以接入。 ( 2 ) 缺乏统一的通信协议及信息交换标准 国内生产的安全生产监测监控系统多为封闭系统，使用的通信 协议和信息交换标准由厂商自己制定，严格保密，互不兼容，十 分混乱，各种软件之间难以共享【3 1 。这些原因造成信息化建设滞后 于煤炭经济的建设和发展以及人力、物力的浪费；且因为信息交流 的不通畅，不利于统一调度指挥，不能适应国家的数字化瓦斯监 控系统的建设，给安全带来了隐患。 ( 3 ) 功耗过大 目前的大部分分站没有经过有针对性的优化设计，只是注重监 测作用，因此采用的外围芯片较多，分站的工作电压也高，没有 完全考虑到瓦斯监控的实际情况始终全额供电，也没有很好的利 用可以公用的电源，无形之中浪费了大量的能源 4 1 ，造成在电源器 件方面的重复投入。 ( 4 ) 抗干扰能力差 由于煤矿井下的布电线路比较复杂，用电设备等电压不统一， 以及多方面的原因使煤矿井下的干扰源复杂多变，而目前的大部 分监控分站并没有有针对性的对井下的干扰源进行分析，致使设 备在井下表现出抗干扰的能力差的缺点，经常出现误报、传输数 据丢失或者误码率高等故障，导致分站的错误动作，甚至难以达 到监控的目的。 ( 5 ) 兼容性差 3 黑龙江科技学院硕士学位论文 除了刚刚叙述的网络协议的兼容性之外，目前的分站没有考虑 到不同矿井的电气设备兼容以及对各种传感器的兼容。 ( 6 ) 可扩展能力不强 对于一个瓦斯监控分站，在设计的过程中就已经投入了大量的 人力和物力，如果不具有一定的可扩展性，将会造成资源的浪费， 目前的监控分站普遍存在着这样的问题。 正是基于以上原因，目前国内也有许多厂家和科研机构都在 研究并生产此系统，但从各矿实际使用情况看都存在许多问题， 本项目就是针对现有问题进行研究和设计。 1 2 2国外的先进技术和发展方向 目前，国外煤矿安全监控系统普遍采用的先进技术如下： ( 1 ) 红外瓦斯传感器 传统的黑白元件瓦斯传感器价格便宜，但使用寿命短，每l 2 周需要校正1 次，而且黑白元件传感器量程有限。此外，当遇到 高浓度瓦斯冲击时，传感器存在激活问题，硫化氢浓度过高时还 能使传感器中毒，损坏传感器。因此，催化燃烧型传感器可靠性 不高，使用范围受到限制。红外传感器使用寿命长，安全可靠， 全量程，耐冲击，基本上没有飘移，理论上无需校正，考虑到“煤 矿安全规程”要求，可以在规程允许的最长时间内校正。 ( 2 ) 在线瓦斯浓度校正装置 人工气样校正的优点是设备成本低，人工成本高，需要专职 人员携带气样和工具定期校正。在线气样校正法采用的是自动校 正装置，可以定期通气校验，无需专职人员操作，但设备成本略 高。 ( 3 ) 本安型p l c 分站的应用 ( 4 ) 传感器就地断电功能 采用智能型传感器就地断电和中心分站控制断电双重方式， 智能性传感器在瓦斯超限时，能直接将断电信号传送到相应的断 电设备，可以大大提高断电系统的反应速度和可靠性。尤其对于 高瓦斯矿井和有瓦斯突出危险的掘进面，采用智能型瓦斯传感器， 配置用于断电的控制单元，实行就地断电。 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 ( 5 ) 现场总线在安全监控系统的应用 随着现场总线的应用，其优点更加明显，由于现场总线采用 数字通讯方式，可采用多种传输介质进行双向多点通信，根据不 同的使用地点可选用多种拓扑结构。另外，现场总线采用统一的 协议标准，是开放式的互联网络，对用户是透明的，不同厂家的 设备可以方便地接入同一网络。而传统的d c s 中，不同厂家的产品 是不能互相访问的，伴随着计算机业的发展，要想更大限度的实 现自动化，应首选现场总线。 ( 6 ) 数字通讯方式 采用国际标准的i p 寻址方式，t c p i p 网络协议。t c p i p 网络协 议可与管理信息网进行无缝连接。在多个子系统互连，并在需互 动、互为约束时采用对等通信协议，而在集中控制，无关联子系 统时，可考虑采用主从通信协议。 ( 7 ) 与生产监控系统的互动和网络整合 这些技术都是随着软件和硬件的技术的发展而逐渐更新发 展。从中可以看出，在瓦斯监控分站方面着重体现在红外瓦斯传 感器的应用和t c p i p 网络协议的应用等，这些技术也正是本分站 的研究和追踪重点。 1 3 本文研究的主要目的和研究内容 1 3 1本论文研究的目的 根据煤矿井下瓦斯检测与防治的实际需要和以往分站所 存在的问题，提出切实1 行的瓦斯监控分站的整体设计方案； 根据提出的方案，研制出瓦斯监控分站软硬件平台，完成 系统的软件调试，尤其是使用基于a r m 处理器的嵌入式系统、嵌 入式操作系统和嵌入式t c p i p 的应用： 完成初步实验系统的方案设计，并对该方案提出扩展和改 进的建议。 5 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 3 2 本论文的主要研究内容 经过方案比较和前期研究，提出集数据采集、分析处理、 控制及数据通信等功能于一体的数字化集成系统设计方案，所设 计的方案可以保证系统的高效性、稳定性： 设计出瓦斯监控分站系统硬件电路、主板及相关子板，模 拟现场的实际要求进行瓦斯信号的采集和处理，借助于通信协议 实现上下位机的通信； 用汇编语言和嵌入式c 语言完成微控制器程序的设计； 将软件工程学应用在微控制器的软件设计中，使软件开发 更加规范化、标准化； 对系统的后续发展提出了建议。 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 第二章方案设计和基本工作原理 2 1引言 在设计一个具体系统时，首先对系统的任务、控制对象、硬 件资源以及工作环境作了调查研究，明确软硬件指标的要求。在 总体设计中，对处理器、通信协议、防爆、用户的程序要求等都 要做以大致的规定。对于一个嵌入式系统来说，总体设计主要体 现在硬件和软件的设计上。 2 2 总体设计 在总体设计阶段，不仅要对系统的任务等做认真的调查研究， 还要对工业现场有所了解。故赴七台河精煤集团勘查了煤矿监控 分站的工业现场，对k j 2 0 0 0 等瓦斯监控分站进行研究，明确各项 指标的要求，对现有分站的特点进行了解分析，为设计打下了良 好的基础。对分站的设计由理论上升到与实际工业现场相结合的 设计中。在这个过程中，还涉及到对电路的器件等的选择，如传 感器的选择，通信协议和通信方案的选择，以及软件程序的代码 量的估算等。 ( 1 ) 硬件总体设计 在确定总体方案时，首先确定系统的硬件规模。初步的系统 硬件总体结构框图如图2 1 历示。 从图2 1 中可以看出，a r m 处理器模块是整个系统的核心， 其余各接口都是围绕它而展开。现在m c u 产品很多，选取高集成、 低功耗的a r mm c u ，对整个系统的设计起着至关重要的作用；数 据存储单元根据现场的情况选择8 m 存储器；数据通讯接口是本分 站设计的重点，它完成了上位机和下位机的数据通信，采用t c p i p 协议 s l ；输出控制接口是完成瓦斯超限时的声光报警控制；显示接 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 口用来显示各工作面的瓦斯浓度值；设置接口完成对分站监控数 据显示等设置；传感器接口可根据需要灵活的采用传统的黑自传 感器或者红外传感器，例如在瓦斯浓度较低的矿井中采用黑白原 件的传感器，而在高瓦斯浓度的矿井中采用红外传感器；最后用 低功耗、高性能电源模块来完成对系统各模块的供电，保证系统 的正常运行。 声光 报警 控制 信号 光 电 耦 系统电源ll 网络接口 a r m 处理器及存储器 渊苛 正矿 滤波电路i 液 晶 屏 与 触 摸 屏 阿匿i i 网噬堕纠 图2 1系统硬件初步设计总体框图 f i g 2 - 1m a i nd i a g r a mo ft h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ( 2 ) 软件总体设计 当硬件规模确定之后，软件框架也就随之确定。硬件和软件 是嵌入式系统的两个重要方面，硬件是基础，软件是关键，但两 者又具有一定的互换性，因此应认真考虑软、硬件的分工与配合。 本阶段还包括拟定程序的总体方案、画出程序流程图、编制具体 程序以及程序的检查修改等。 ( 3 ) 系统的调试、运行和维护 程序的上机调试是检验程序正确性的一个重要标志，包括分 块调试和系统联调两个阶段。程序上机调试完成后，还要进行一 段时间的试运行，以验证程序功能是否满足设计要求，是否达到 预期效果。 8 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 3主要功能及工作原理 2 3 1系统主要功能 通过瓦斯传感器进行瓦斯浓度测量； 将所有检测数据进行存储和显示； 用t c p i p 协议将数据打包传输至上位机； 具有看门狗的功能，在系统故障或死机时提供系统复位； 瓦斯超限时声光报警； 使用触摸屏与l c d 作为便捷的人机交互界面。 2 3 2 系统工作原理 如前所述，瓦斯监控分站主要有系统主板、液晶显示屏、传 感器、触摸屏等组成。 首先传感器将现场的瓦斯浓度信号转换为a d 转化器可接收 的电压或电流信号，输入到m c u 中，m c u 完成对输入信号的控 制及对数据的处理，并根据处理结果完成对外围相关设备的控制； 通过网卡与上位机进行通信，在液晶显示屏上显示数据，在存储 器中存储数据。一旦发现瓦斯浓度达到预先设置报警值，报警电 路启动，发出相应的声光报警信号，提醒值班人员及时处理和采 取对策。 系统设有看门狗电路，当由于电源干扰等原因造成系统故障 时，看门狗电路启动，系统自动恢复运行。 2 4 主要技术指标 通过瓦斯传感器进行瓦斯浓度的测量，精度可根据传感器 调整： 将所有的检测数据进行存储和显示，采用液晶显示，显示 精度为四位数字并可调，监控数据在分站中存储2 4 小时； 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 当通信发生故障时，仍可保存数据达2 4 小时； 瓦斯超限可声光报警，报警浓度可按规定调整，但不得超 过1 5 ： 当电源发生故障时，后备电源仍使分站可工作8 小时左右。 1 0 黑龙江科技学院硕士学位论文 3 1引言 第三章系统硬件设计 硬件和软件是单片机系统的两个重要方面。本章主要论述该 系统的硬件电路设计。本分站在硬件电路设计时，主要从以下原 则出发： ( 1 ) 采用硬件电路设计与软件设计相结合的方式 优化硬件电路，一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过 来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现硬件 的功能时，其响应时间比用硬件实现长，还要占用m c u 时间。但 是用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可 靠性，还可有效地降低成本，因此在本分站的设计过程中，在满 足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件实现。而 且本分站在设计中使用了高速高集成度的器件，可充分发挥硬件 和软件相结合的优点。 ( 2 ) 可靠性及抗干扰设计 根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均 无故障时间越长；而且所用芯片数量越少，地址总线和数据总线 在电路板上受干扰的可能性也就越少，因此嵌入式系统的基本设 计思想是在能够满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片。本 分站采用了高集成度的m c u ，因此从元件数、电路板空间、功耗、 抗干扰及系统成本上都得以大幅度改善。 ( 3 ) 灵活的功能扩展 仅仅一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需 要不断完善，必要时还需要进行功能升级及维护。在功能升级， 以及系统扩展时，系统应该在原有设计不需要很大改变的情况下， 主要通过修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成，这才是 具有灵活性的标志。功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重 要指标。 黑龙江科技学院硕士学位论文 3 2中央处理器单元及存储器单元 3 2 1中央处理器简介 目前的瓦斯监控分站主要是基于5 l 系列的单片机，功能比较 单一，由于5 1 系列单片机的资源有限，使分站扩展受到很大限制。 国家正在推行的数字化的瓦斯监控系统【6 。，对中央处理器的要求也 更高。 中央处理器是整个系统的核心，由于本分站的设计初衷是使 分站具有低功耗和抗干扰的特点，同时考虑到瓦斯监控系统的实 时性要求，并且要将t c p i p 协议引入本分站中，所以本分站需要 采用高性能、高集成的m c u 。 据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过 1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列。在嵌入式的m c u 中， r i s c ( 精简指令集) 从生产成本和性能上，都具有很高的竞争力，因 为r i s c 可以通过指令密度来节省存储器空间，从价格和稳定性考 虑，应选用高集成度的芯片。而本分站所采用的a r m 芯片也有多 达十几种的芯核结构，7 0 多个芯片生产厂家，以及于变万化的内 部功能配置组合。在这么多类型的m c u 中，要根据产品的不同需 要选用不同的m c u ，a r m 提供一系列内核、体系扩展、微处理器 和系统芯片方案。a r m 的众多厂商开发了集成不同单元的芯片， 例如：带m m u 单元，内部集成以太网卡，内置存储单元等。最后 本分站从开发的难易程度和性价比的角度选择了三星公司的 s 3 c 4 4 8 0 x 。 3 2 2 微控制器 s 3 c 4 4 b o x 芯片是三星公司生产的一款适用于手持设备和一 般嵌入式应用的m c u ，因其易用性和高性价比在国内占了很大市 场，相对于其他芯片，资料也容易查找。 s 3 c 4 4 b o x 采用a r m 7 t d m ic p u 核，带有8 k 字节的4 路集 1 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 联指令与数据统一s r a m c a c h e 。地址空间被分为8 个b a n k ，每 个b a n k 为3 2 m b ，共计2 5 6 m b 。每个b a n k 都支持8 1 6 3 2 位数据 宽度1 7 。 s 3 c 4 4 b o x 支持多种低功耗模式，不同模式下需要不同的电压 供电，这为分站的低功耗设计提供了基础。处理器核的核电压为 2 5 v ，i o 端口电压为3 0v 3 6 v ，典型的i o 端口为3 3 v ，最 高可运行于6 6 m h z 。 s 3 c 4 4 b o x 集成许多的外设控制器，包括时钟和电源控制器、 存储控制器、中断控制器、定时计数器、看门狗、实时时钟、d m a 控制器、u a r t 控制器、a d 控制器、液晶控制器、i i c 控制器、 i i s 控制器、s i o 控制器1 7 】等。由于s 3 c 4 4 b o x 集成的逻辑部件主 要用于控制，因此被称为微控制器。 s 3 c 4 4 b o x 带有强大的中断控制系统，来管理众多外设产生的 中断。 3 2 3存储器模块 存储器也是嵌入式系统的重要组成部分，程序和数据都是保 存在存储器当中的，尤其本分站要对相关数据进行2 4 小时以上的 保存，并且引入了嵌入式操作系统和嵌入式t c p i p ，所以对存储 器的要求相对于现存的监控分站来说比较高，存储器的种类有很 多种，本分站主要用到s d r a m 和f l a s h 两种存储器。 s d r a m 是同步动态存储器，从技术的角度上来讲，同步动态 存储器( s d r a m ) 是在标准动态存储器中加入同步控制逻辑，利用 一个单一的系统时钟同步所有的地址数据和控制信号。使用 s d r a m 不但能提高系统速度，还能简化设计，提供高速的数据传 输，在功能上，它类似常规的d r a m ，且也需时钟进行刷新，可 以说，s d r a m 是改善了结构的增强型d r a m 。目前的s d r a m 刷 新频率通常为8 n s 和1 0 n s 。目前在p c 机市场，由于d d r 内存的 出现，s d r a m 正慢慢的退出主流市场。但是在嵌入式领域，由于 嵌入m c u 的速度要求远不如p c 机和服务器，仍然有着广泛的市 场。 f l a s h 存储器更像是一种存储装置，因为当电源关掉后存储在 1 3 黑龙江科技学院硕士学位论文 f l a s h 中的资料并不会马上流失掉，如若再写入资料时必须先将原 来的资料清除掉，它的缺点是写入资料的速度太慢。 f l a s h 有n a n df l a s h 和n o rf l a s h 两种。n a n df l a s h 的读写速 度比n o r 的快，大多数写入操作要先进行擦除操作，n a n df l a s h 的擦除单元更小，相应的擦除电路更少【8 】。n o rf l a s h 带有s d r a m 接口，线性寻址，可以很容易的存取内部的每一个字节。n a n df l a s h 使用复用接口和控制i o 多次寻址来存取数据，读和写操作采用 5 1 2 字节的块，这一点类似硬盘操作。 在市场份额上，n o rf l a s h 占据了容量为1 m b 1 6 m b 闪存市 场的大部分，而n a n df l a s h 只是用在8 m b 1 2 8 m b 的产品当中1 9 1 。 综上所述，s d r a m 具有运行速度快的优点，但是不具有掉电 保持数据的功能；而f l a s h 芯片虽然存取速度慢，但是却可以像硬 盘一样保持数据。根据系统要求，要选择适当的存储系统来存储 程序数据，同时为程序的运行提供足够的内存空间。在瓦斯监控 分站系统中，s 3 c 4 4 b o x 微处理器通过运行嵌入式操作系统 “c l i n u x 来进行多任务的调度和管理。肛c l i n u x 内核代码一般有几 百k 大小( 通常7 0 0 k 左右) ，包括文件系统及应用程序在内，同时 考虑以后的扩展情况，一般可以控制在2 m b 以下，因此本分站选 择2 m b 的n o rf l a s h 芯片a m 2 9 l v l 6 0 b 作为f l a s h 存储单元。在 系统运行过程中，包括操作系统内核在内的程序都将在s d r a m 中 运行，这样可以提高程序的执行速度，因此，需要选择容量较大 性价比较高的s d r a m 内存，这里选用型号为h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的 s d r a m 芯片用来作为系统的内存，其容量为8 m b i l 0 1 。 1 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 3 2 4 存储器与微处理器的硬件连接图 图3 - 1h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 与s 3 c 4 4 b o x 的硬件连接图 f i g 3 - 1c i r c u i to fh y 5 7 v 5 6 16 2 0a n ds 3 c 4 4 b o x 如图3 1 所示，s r a m 芯片采用h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ，h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 是h y n i x 公司生产的4 b a n k s x l m x l 6 位的s d r a m 芯片，存储容量 为8 m b ，支持自动刷新，1 6 位数据宽度，地址线为1 2 位，引脚 b a 0 、b a i 位b a n k 选择，共4 b a n k s 。使用支持b a n k 的芯片能更 好的发挥3 2 位m c us 3 c 4 4 b o x 的数据处理能力。当v s s 参考电 压为地时，芯片的工作电压为3 3 v ，与s 3 c 4 4 b o x 的i o 口电压 相同，可直接驱动。片选端接s 3 c 4 4 b o x 的n s c s 0 。通过连接n r a s 和n c a s 2 ，n c a s 和n c a s 3 ，确定s d r a m 的行扫描和列扫描的时 间。查阅其d a t a s h e e t 可知该芯片为低功耗的型号，可以更好的完 成低功耗设计。 1 5 黑龙江科技学院硕士学位论文 图3 - 2a m 2 9 l v l 6 0 b 与s 3 c 4 4 b o x 的硬件接口电路 f i g 3 - 2c i r c u i td i a g r a mo fh y 5 7 v 5 6 16 2 0a n ds 3 c 4 4 b o x a m 2 9 l v l 6 0 b 是美国超微半导体( a m d ) 公司生产的 2 m x s b i t 1 m x l 6 b i t 的f l a s h 存储芯片，容量为2 m ，地址线2 0 位， 数据线1 6 位；典型工作电压也为3 3 v ，可与s 3 c 4 4 b o x 很好的配 合使用；具有低功耗的工作模式。在本分站中，将引脚丽接高 电平，使芯片工作于数据线为1 6 位的模式中；片选端接s 3 c 4 4 b o x 的n g c s 0 ，其余如读( n o e ) 写( n w e ) 、复位( n r e s e t ) 等信号分别与 s 3 c 4 4 b o x 的相应信号连接即可。 3 3 显示模块 3 3 1显示模块概述 用来作为显示屏的器件的种类很多，如阴极射线( c r t ) 、发 光二极管( l e d ) 、液晶显示器( l c d ) 等传统器件，同时也有光电组 合器件( c l ，c m o s - - l e d ) 等新型器件不断问世，它们均在不同的 领域获得了应用。目前，智能仪器仪表和监控系统大多采用l e d 或l c d 器件，这二者各有优缺点。 1 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 传统的瓦斯监控分站由于软硬件资源以及m c u 的限制，而且 没有完全考虑到煤矿井下的特殊环境，大部分采用的是l e d 进行 显示输出，因为l e d 控制电路和编写控制程序都比较简单，但是 l e d 相对于l c d 来说功耗大的多，不符合本分站的设计要求。在 井下的特殊环境中，光照是必需的，无须时刻让分站自己保持l e d 那种发光的状态，l c d 的反光显示正好满足这一条件。分站的智 能化设计也将尽量减少人与分站的接触时长，所以本分站采用低 功耗的l c d 显示器。 液晶显示器( l c d ) 是一种被动显示技术。这就是说l c d 本身 不发光，而是利用周围的光，正是因为这样，通过这些光，l c d 可以利用非常低的能量来显示图象。只要在显示像素上施加很低 电压的电场，就可以达到使液晶显示的目的，因此在要求低功耗 的情况下，l c d 的这些特点倍受人们喜爱，l c d 是一个反射体， 它需要把周围的光反射到用户的眼睛中，尤其适合在煤矿井下等 长时间需要光照或对低功耗有要求的场合。不过现在大部分的液 晶屏为了方便使用，都带有背光，但可以通过相应的设置来决定 是否使用背光以及背光的显示时间间隔等，同样可以达到低功耗 的效果 io l 。 液晶显示器主要用于文本、图形及图像信息的显示。目前由 于其轻薄、体积小、耗电量低、无辐射、平面直角显示以及影像 稳定不闪烁等特点，也取得了广泛的应用，目前笔记本和个人桌 面电脑，液晶屏已成普及趋势。而在嵌入式电子产品和监控设备 中，液晶屏更是最常用的人机界面哺】。 3 3 2l c d 灰度显示原理 当l c d 需要输出不同的灰度等级时，并不需要将l c d 的每个 象素用不同的亮度等级来驱动。实际上，l c d 的每个象素只能完 全点亮或者关闭。l c d 需要一定的响应时间，响应时间就是l c d 的一个像素从关闭到点亮或从点亮到关闭所用时间，一般响应时 间大约几百毫秒左右。灰度输出就是利用l c d 的这一特性，它是 将l c d 的每个象素驱动用不同的响应时间来实现的。在l c d 控制 器内部有一个周期为1 6 的计数器，它可以产生周期为1 6 的时间 1 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 循环。当l c d 控制器需要驱动一个像素的时候，他就根据显示缓 冲区中的数据去读相应调色板寄存器的值。这个调色板寄存器的 值用来决定在这1 6 周期的时间里，每隔多少个周期将这个象素点 亮。例如，这个值为4 ，那么每隔四个周期将这个象素点亮，也就 是4 1 6 个周期的时间。这样，肉眼的感觉就是最大亮度的四分之 一，达到了降低功耗的目的。 由于本分站的显示信息比较简单，而无需进行彩色显示的控 制，所以采用灰度显示控制来降低功耗。 3 3 3l c d 控制器 液晶显示系统仅仅是一个被动显示系统，也就是说，仅有驱 动系统是不能实现让液晶显示器件的显示的，它还需要控制电路 提供驱动系统所必需的时序扫描信号和显示信号，这种控制电路 称为液晶显示控制器。因此液晶显示的应用框架有两种，如图3 3 所示【9 1 。 基于图3 3 中的应用电路，有两种液晶显示模块，一种是带 l c d 驱动器的显示模块( 通常l c d 控制器芯片都集成有l c d 驱动 器) ；另一种是只带l c d 驱动器的显示模块。s 3 c 4 4 b o x 本身集成 了l c d 控制器，因此可以选用不含l c d 控制器只含驱动器的l c d 模块，以有效节省成本和降低功耗。 液晶屏 d 液晶铲制 液晶屏液晶屏驱动 器 图3 - 3液晶显示的应用框架 f i g 3 - 3a p p l i c a t i o nf r a m e w o r ko fl c dd i s p l a y s 3 c 4 4 b o x 内置的l c d 控制器主要由传送l c d 映像数据的逻 辑电路组成。l c d 映像数据是指从系统存储器的视频缓冲到外部 l c d 驱动器的数据。 1 8 黑龙江科技学院硕士学位论文 对于单色l c d ，l c d 控制器通过基于时问的抖动算法和 f r c ( f r a m er a t ec o n t r o l ，帧速率控制) 方法支持单色的、2 位像素 ( 四级灰度扫描) 或4 位像素( 1 6 级灰度扫描) 的显示模式。 s 3 c 4 4 b o x 内置的l c d 控制器也支持8 位像素( 2 5 6 级彩色) 彩色 l c d 屏接口。l c d 控制器通过编程支持显示屏上的不同需求，例 如与之相关的水平垂直的像素数、数据接口的线宽、接口时序以 及刷新频率j 。 s 3 c 4 4 b o xl c d 控制器主要有以下的特性： 支持彩色灰度单色的l c d 板； 支持三种类型l c d 板：4 位双扫描，4 位单扫描，以及8 位单扫描； 支持多路虚拟显示屏( 支持硬件的水平垂直移动滚读) ： 系统存储器可被用作显示存储器： 专用的d m a 支持从系统存储器的视频缓冲中读取映像数 据； 支持多种荧屏：典型的荧屏尺寸：6 4 0 x 4 8 0 、3 2 0 x 2 4 0 、 1 6 0 x 1 6 0 ；最大虚拟荧屏尺寸( 彩色模式下) ：4 0 9 6 x 1 0 2 4 、2 0 4 8 x 2 0 4 8 、 1 0 2 4 x 4 0 9 6 等： 对于彩色s t nl c d 板，支持2 5 6 级彩色； 支持单色、4 级、1 6 级灰度； 支持电源节省模式( s li d l e m o d e ) 。 3 3 4e g l1 4 7 简介及硬件接口电路 e g l l 4 7 是e p s o n 公司生产的，分辨率为2 4 0 x 3 2 0 、带b l u e g r e e ne l 背光的s t n ，e l 背光相比于l e d 等背光的l c d 背景灯 功耗最低，所以更适合本分站。它是1 6 级灰度的黑白l c d 显示模 块，不带l c d 控制器，可采用s 3 c 4 4 b o x 内置的l c d 控制器。 e g l l 4 7 的模块尺寸为：6 6 5 x8 9 5 x 4 5 ( m m ) ，可视面积：5 6 5 x 7 8 0 ( m m ) 。能满足监控分站对显示功能的设计要求。 由于本分站m c u 自带l c d 驱动器，分站所选用的液晶屏是 可以被s 3 c 4 4 b o x 所驱动的，所以硬件接口电路比较简单。但是 e g l l 4 7 采用的是5 v 的逻辑，而s 3 c 4 4 b o x 的i o 输出为3 3 v 的 】9 黑龙江科技学院硕士学位论文 逻辑，由于e g l l 4 7 大部分时候是显示数据，主要是接收m c u 发 送的数据，而s 3 c 4 4 b o x 从e g l l 4 7 读取数据的时候较少，所以从 成本和功耗的角度，省略专用的3 3 v 5 v 芯片驱动电路，如 7 4 l v t 2 4 4 等，而用0 5 k q 的电阻进行引脚驱动。还可根据现场环 境设置显示时间范围和显示时长，在一定的时间段内分站无触摸 屏中断和复位现象时，vp w r e n 为低电平，l c d 不再显示，以 降低功耗。图3 - 4 就是s 3 c 4 4 b o x 与e g l l 4 7 的硬件电路图。 图3 4s 3 c 4 4 b o x 与e g l l 4 7 的硬件电路图 f i g 3 - 4c i r c u i td i a g r a mo fs 3 c 4 4 b o xa n de g l1 4 7 在图3 4 中，由于e g l l 4 7 的e l 背光驱动需要2 3 v 的高电压 才可以发光，所以分站需要设计背光驱动电路。产生单路高压直 流电一般可以采用可升压的开关电源芯片，分站采用的是m a x i m 公司的m a x 6 2 9 。在较宽输入电压范围内，m a x 6 2 9 组成的升压 d c - - d c 转换器可输出+ 2 8 v 的直流电压，其输入电压为2 7 v 5 0 v ，且m a x 6 2 9 仅有8 0 1 x a 的静态电流，因此功耗很低。m a x 6 2 9 还具有关闭模式，即当引脚s h d n 为低电平时，m a x 6 2 9 进入关闭 状态，在该状态下，反馈和控制电路、参考电路、内设偏置电路 均不工作，芯片电流降到1 u a 以下。在井下的特殊环境中，需要 l c d 背景光的时间很少，所以分站用s 3 c 4 4 b o x 的n g s 3 来控制 该引脚，当l c d 需要背光显示，即触摸屏发出中断时或复位时， 该引脚为低电平，其余时候为高电平，l c d 处于低功耗状态。由 于e g l l