（信号与信息处理专业论文）煤矿瓦斯监测联网系统.pdf

摘要 摘要 开发本系统的目的是建立一个煤矿井下瓦斯监测的联网系统，为煤炭安全 生产管理部门提供监督、管理的平台，有助于提高现场管理人员的安全意识和重 视程度，有助于预防重大瓦斯事故的发生。 该课题完成的任务是，设计一个数据采集传输模块，客户端读取井下实时监 测数据上传到煤管局的中心工作站，服务器端接收数据并进行分析处理；设计一 个数据库，用于存储监测数据；设计一个数据库管理维护模块，给用户提供查询、 浏览和分析监测数据的平台。 通过两种方法从原系统读取监测数据：统一通讯协议，并联一根串口线到井 下监测分站读取数据；或者由原系统生产厂家按指定格式生成实时数据文件。数 据采集传输模块采用c s 模式，客户端定时主动上传数据，服务器端被动接收、 处理。 该系统需要2 4 7 不问断的采集和存储数据，而且要保证数据的安全性，因 为有效利用这些数据是预防煤矿瓦斯爆炸的前提，也是事故责任认定的依据。在 分析了o r a c l e 9 i 的体系结构和传统的数据库设计理论后，针对本系统的特点和 实际，设计和开发了基于o r a c l e 9 i 的数据库。 关键词：煤矿监测；通讯协议；o r a c l e 9 i a b s t r a c t t h ea i mo fd e v e l o p i n gt h i ss y s t e mi st ob u i l dan e ts y s t e mf o rm o n i t o r i n gg a so f c o a lm i n e s oa st op r o v i d ea d m i n i s t r a t i o no fc o a lm i n es a f e t yw i t hap l a t f o r mt o s u p e r v i s ea n da d m i n i s t r a t e i th e l p st oe n h a n c el o c a lm a n a g e r ss a f e t yc o n s c i o u s n e s s a n d p r e v e n ta c c i d e n t t h et a s ki st od e s i g nam o d u l ef o rt r a n s m i t t i n gr e a lt i m ed a t a ，f r o mc l i e n tt o s e r v e ri na d m i n i s t r a t i o no fc o a lm i n es a f e t y , a n dad a t a b a s ef o rs t o r i n gm o n i t o r i n g d a t a ，a n dam o d u l ef o rm a n a g i n ga n dm a i n t e n a n c ed a t a b a s e ，i tp r o v i d eap l a t f o r mt o u s e l sf o rq u e r y i n g ，b r o w s eo ra n a l y s i sm o n i t o r i n gd a t a t h e r ea r et w ow a y st o g e tm o n i t o r i n gd a t a f r o mf o r m e r s y s t e m ：u n i t e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，p a r a l l e lc o n n e c tas e r i a ll i n et oo b t a i nd a t af r o mm o n i t o r i n g s i t e i nt h ec o a lm i n e ；o rm a k ear e a lt i m ed a t af i l eb yf o r m e rs y s t e mp r o v i d e r d a t a t r a n s m i t t i n gm o d u l ew o r ki nc sm o d e ，c l i e n tu p l o a dd a t ai n i t i a t i v e l ya c c o r d i n gt ot h e f i x e dt i m e ，s e r v e rr e c e i v ep a s s i v e l y t h es y s t e mn e e dt ou n i n t e r r u p t e d c o l l e c ta n ds t o r ed a t ai n2 4 x 7 ，a n de n s u r e s e c u r i t yo ft h ed a t a ，f o ri t sp r e m i s et op r e v e n tf i r ed a m pe x p l o s i o na n dg i s t o f a c c i d e n tr e s p o n s i b i l i t yc o g n i z a n c e w ea n a l y s i so v e r a l la r c h i t e c t u r eo fo r a c l e 9 i a n dc l a s s i ct h e o r yo fd a t a b a s e ，t h e nd e s i g nad a t a b a s eb a s e do no r a c l e 9 ia c c o r d i n g t oc h a r a c t e r i s t i ca n dp r a c t i c a l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：c o a lm i n em o n i t o r i n g ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，o r a c l e 9 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。也不 包含为获得丞洼王些太堂或其他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。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 目 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云 洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阋。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做作者虢姗饲导师躲乃。彩u 签字闩期：刃订年专月 日签字日期：矽7 年彳月fe l 学位论文的主要创新点 一、通过两种方法从原系统读取监测数据：统一通讯协议，并联一根串口线到井 下监测分站读取数据；或者由原系统生产厂家按指定格式生成实时数据文 件。 二、利用o r a c l e 9 i 的触发器，提高了数据库的安全性和完整性。 第一章绪论 第一章绪论 我国是个煤炭大国，近年来，随着煤炭市场的供不应求，煤矿的开采强度 不断加大，加上多年以来安全投入不足，安全监测系统落后，事故隐患长期存 在。 在煤矿安全事故中，瓦斯事故发生起数最多，死亡人数占到煤矿事故的 8 0 0 , 6 。特别是去年8 月山西省连续3 次特大瓦斯事故，9 8 名矿工遇难，给企业 和国家造成了严重损失。3 月1 9 日1 2 时2 0 分，朔州市平鲁区白堂镇细水煤矿 井下发生瓦斯爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成了不可估量的损失。 1 1 煤矿监测系统现状 我国煤矿监测监控技术应用较晚，8 0 年代初，从波兰、法国、德国、英国 和美国等引进了一批安全监控系统( 如d a n 6 4 0 0 、t f 2 0 0 、m i n o s 和 s e n t u r i o n - 2 0 0 ) ，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国 煤矿的实际情况，先后研制出k j 2 、k j 4 、k j 8 、k j i o 、k j l 3 、k j l 9 、k j 3 8 、k j 6 6 、 k j 7 5 、k j 8 0 、k j 9 2 等监控系统，在我国煤矿己大量使用“4 。实践表明，安全监 控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各局矿已作为一项重大安 全装备。由于当时相当一部分监控系统由于技术水平低、功能和扩展性能差、现 场维修维护和技术服务跟不上等原因，或者已淘汰、或者停产。因此造成相当一 部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。特别是近年来由于老系统服务年限将 至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇“ 随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内 各主要科研单位和生产厂家又相继推出了k j 9 0 、k j 9 5 、k j l 0 1 、k j f 2 0 0 0 、 k j 4 k j 2 0 0 0 和k j g 2 0 0 0 等煤矿安全监控系统和监测管理系统。 目前煤矿监控系统存在的问题包括： ( 1 ) 通信协议不规范 由于现有厂家的监测系统几乎都采用各自专用通信协议，所以，很难找到两 个相互兼容的系统目前，信息传输系统的兼容性已成为装备监测系统的各集团 公司、矿井进一步补套和扩充系统功能的制约因素，主要是用户在装备了某厂家 的系统后，在众多型号、价格不同、功能各具特色的监测系统的软件、硬件( 如 分站) 的补套以及服务等方面，就别无选择地依赖于这个厂家。有些矿井为了安 全生产的需要，在系统存在严重问题和得不到技术服务的条件下，不得不废弃原 有系统而另选择其他的系统。因此，通信协议不规范的后果是造成设备重复购置、 第一章绪论 系统补套受制于人和不能随意进行软硬件升级改造。 ( 2 ) 现场管理和维护水平有待于加强 尽管国家和各省、地、市煤炭管理部门强制性要求各大、中、小煤矿的高 瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统，并加大了对矿井安全生产的管 理力度，但一些地方国有煤矿，特别是乡镇小煤矿，多数由于缺乏专业技术人员 而不能正常使用和维护已装备的系统，甚至对系统配接的传感器根本不进行调 校。 随着国家对煤矿安全生产工作的日益重视，以及矿务局自身现代化管理的需 求，煤矿安全监测系统越来越体现出其重要性0 1 。从技术和管理的角度出发，煤 矿系统联网安全监测已是必然趋势。系统必须由早期的地面单微机监测监控己发 展成为网络化监测监控以及不同监测监控系统的联网监测嘲。 但是目前我国的生产安全监控系统往往是针对单个矿而设立，没有在矿务局 一级联网；信息平台已经建立，但是没有真正有效利用各类信息。而且在我国的 煤炭安全监测行业，有多家公司涉及这一行业，煤矿安全监控系统并没有统一的 通信协议，系统各自处于封闭状态，系统问无法实现信息共享，很难实现全局或 更高级别的联网，实现系统的实时监测和管理”1 。 1 2 课题研究意义 为贯彻落实国务院关于进一步加强安全生产工作的决定( 国发 2 0 0 4 2 号) ，国家发展改革委和国家安全监管总局于2 0 0 5 年3 月2 2 日联合召开全国煤 矿安全改造和瓦斯治理工作，尽快实现矿井安全监测监控集中联网监控，逐步构 建云南省煤矿安全信息体系；云南煤矿安全监察局、云南省煤炭工业局信息调度 中心编制了云南省煤矿安全信息体系总体方案( 以下简称“总体方案”) 和 云南省煤矿矿井安全监控网络系统建设技术指导意见书( 一) ( 以下简称“指 导意见书”) ，各级煤炭主管部门要按总体方案的要求，在2 0 0 5 年年底之前 做好辖区煤矿安全信息体系的总体规划，用现代科技手段来促进煤矿安全的根本 好转。 为建设好矿井安全监测监控集中联网系统，最终实现省、州( 市) 、县( 区、 市) 及全国联网集中监控，要求已在云南省内销售矿井安全监测监控系统的有关 厂商，一定要在2 0 0 5 年6 月1 5 日前，按指导意见书及其附件一云南省 煤矿矿井安全监控系统实时远程数据提供规范的要求，做好软件更换准备工作。 云南省富源县的煤矿多属高瓦斯矿井，煤矿企业安全管理体制不完善，开采 方法原始，生产管理技术水平落后。虽然各煤矿的矿一级安全监控系统已经基本 安装到位，但由于各级管理部门缺乏有效的监管手段，加上煤矿分布广、管理人 2 第一章绪论 员少、行业管理难度大，使煤矿安全监控系统不能充分发挥应有的作用。因此除 了在矿一级安装安全监控系统外，采用全县安全监控系统联网方式，对煤矿安全 监控信息进行集中监管，成为我们应该重视和亟待解决的一个问题。 根据总体方案，天津工业大学对富源县瓦斯远程监控系统进行设计，经 过专家评审、招标过程，承担了此工程任务。 根据项目要求，整个工程包括以下几大体系：煤矿瓦斯监测联网系统，煤矿 资源配置、调度管理，煤矿企业综合管理信息系统。本人负责其中煤矿瓦斯监测 联网系统的研究与设计，并以此作为毕业设计的课题。 第一二章监测系统整体设计 第二章监测系统整体设计 本课题主要研究如何建立一个煤炭瓦斯监测联网系统，该联网系统由监测联 网中心站、数据传输系统和各煤矿安全监测系统子站组成。各煤矿安全监测系统 子站通过数据传输系统与监测联网中心站进行通讯。 监测联网中心与各矿安全监测系统子站互联，采集各矿现场单元的监测信 息，并对监测信息进行处理、查询、分析、发布等。系统显示各监测点的实时数 据，对各种超出煤矿安全规程规定的异常情况，实现自动报警，使管理人员 及时发现各矿井生产环境的安全隐患，以便及时采取措施给予解决。 2 1 监测系统的总体结构 整个煤矿瓦斯监测联网系统由三部分组成： ( 1 ) 数据采集系统 数据采集系统负责采集、分析、处理各类传感器的信号，同时与地面的工作 站进行数据通讯。 该系统包括传感器，供电电源、数据监测分站，传输接口及传输电缆。 传感器将被测物理量转换为电信号，经传输电缆将信号传送给监测分站。传 感器的稳定性和可靠性是煤矿监测监控系统能正确反映被测环境和设备参数的 关键技术和产品0 1 。目前国内生产和用于煤矿监测监控系统的传感器主要有瓦 斯、一氧化碳、风速、负压、温度、煤仓煤位、水仓水位、电流、电压和有功功 率等模拟量传感器，以及机电设备开停、机电设备馈电状态、风门开关状态等开 关量传感器，以上传感器的开发和应用基本满足了煤矿安全生产监测监控的需 要，但国产传感器在使用寿命、调校周期、稳定性和可靠性方面与国外同类产品 相比还有很大差距，某些传感器( 如瓦斯传感器) 的稳定性还不能满足用户的需 要。 监测分站为该系统的中心，是一种数据采集和控制装置，它以微处理机为核 心，将各传感器采集的数据集中起来打包后经传输电缆传输到地面的现场工作 站。数据传输接口是一种数据信息转换传输装置，是该系统的主要配套设备。 井下主要的监测分站有： 电力监测分站，主要监测各供电回路的电流、电压、功率、功率因数、电量 以及开关通断状态等参数，为全面掌握矿井并下供电状态和供电质量提供准确数 据。 皮带集中运输分站、采煤工作面分站、总回风巷分站和掘进头分站等，主要 监测c h 4 ，c o ，环境温度、风速、烟雾、水仓水位、煤仓煤位、风筒开关、局扇 4 第二章监测系统整体 殳计 开停等参数。 ( 2 ) 现场工作站 现场工作站的主要功能是集中、连续的对地面及井下的各种环境参数、工况 参数和监测分站的信息进行实时采集、分析处理、动态显示、统计存储、超限报 警、断电控制和统计报表的查询、打印，同时将采集到的数据传送到煤管局的中 心工作站上。 现场工作站主要由监控主机、数据传输接口、网络集线器、打印机、u p s 电 源、监控软件等组成。 ( 3 ) 中心工作站 中心工作站位于煤管局，从现场工作站接收实时数据，超限报警，并进行各 种信号分析，动态显示，供管理部门决策使用。 中心工作站建有数据库服务器，数据库中存放报警数据，实时和历史数据， 形成系统运行的历史档案，供各部门对系统进行监视，分析时调用历史数据使用。 中心工作站还建有w e b 服务器，作为发布相关信息使用。 该监测系统的功能模块如图2 - 1 所示，分为两大模块：数据采集传输模块和 数据库管理维护模块。 2 2 网络设计方案 图2 - i监测系统的功能模块 在经过充分的市场调研和用户需求分析的基础上，依据系统的实现原则和系 统要完成的任务，得出系统的网络拓扑如图2 2 所示。 5 第二章监测系统整体设计 务 煤矿 2 2 1 骨干传输部分 图2 - 2监测系统拓扑图 1 传输网络构架 主干网络系统是一切应用系统得以发挥作用的基础设施条件，因此我们设计 主干网络考虑的首要因素是网络安全、稳定叫。其次，主干网络必须满足各种应 用对网络平台的要求，包括流量、服务的优先级、网络级的信息安全“”。再次， 主干网络必须要有足够的扩展能力。骨干传输从富源县煤炭局到各乡镇主干实现 光纤互联互通。 2 传输网接入 借用富源电信s d h 的透明通道，补充少量的s t m l 数据传输，通过有源通信 传输设备接入，实现e i - 2 m 线路的独立性。 2 2 2 二级网络传输 二级网络传输是由富源乡镇机房到各煤矿接入点的网络传输部分。使用有源 通信传输设备灵活、稳定的传输各个接入点的综合业务，提供最后一公里的解决 方案。电信机房到每个网点采用串行连接，充分发挥有源通信传输设备的灵活性， 使煤矿之间形成传输环，最大限度保证线路的稳定性。 2 3 数据库服务器的选择 数据库服务器的选择是选择数据库管理系统软件( d b m s ) 的过程。现在主导 的关系型数据库管理系统有o r a c l e 、s y b a s e 、i n f o r m i x 、s q ls e r v e r 等，还有小 型数据库软件a c c e s s 和m y s q l 。 6 第二章监测系统整体设计 数据库管理系统软件的选择，可以从用户对数据存储的要求，数据库性能， 数据库的应用平台，以及开发者水平等角度进行考虑。 工作站要求全天不间断的处理数据，同时为保证对历史数据的查询处理，数 据库需要存储多个监测点、多种信号量以及多个时期的历史数据。为存储这些数 据，在数据库里建立了几十个表格，一般每个表要存储几万条的记录，这使得数 据库的存储容量要求达到几十万到几百万条记录的水平。这些情况部对数据库性 能提出了较高要求。 综合考虑，我们最后选定o r a c l e 作为数据库管理系统软件应用在系统设计 过程中。o r a c l e 数据库是在世界上占有重要份额的数据库管理系统，它具有以 下特点： ( 1 ) 支持客户机服务器体系结构及混合的体系结构( 集中式、分布式、客 户机服务器) 。 ( 2 ) 支持多种系统平台( u n i x ，s u n o s ，vm s ，w i n d o w s ，0 s 2 等) 。 ( 3 ) 采用标准的s o l 结构化查询语言，还有增强型的s q l 语言( p l s q l ) 。 ( 4 ) 具有丰富的开发工具，覆盖开发周期的各阶段。包括第四代语言的开 发工具( s q l f o r m s ，s q l * r e p o r t s ，s q l * m e n u 等) ，以及丰富的编程接口工具如 p r o * c 。 ( 5 ) 支持大型数据库，数据类型支持数字、字符、大至2 g b 的二进制数据， 为数据库的面向对象存储提供数据支持。数据库支持多字节码制，支持多种语言 文字编码，其中包括对中文字符的支持。 ( 6 ) 具有字符界面和图形界面，易于开发。o r a c l e 可通过s q l * d b a 控制用户 权限，提供数据保护功能，监控数据库运行状态，调整数据缓冲区的大小。 ( 7 ) 具有数据透明、网络透明，支持异种网络、异构数据库系统。并行处 理采用动态数据分片技术。 ( 8 ) 数据安全保护措施。没有读锁，采取快照s n a p 方式完全消除了分布读 写冲突。自动检测死锁和冲突并解决。数据安全级别为c 2 级( 最高级) 。 ( 9 ) o r a c l e 可以在绝大多数流行的网络系统上运行。支持w e b 技术，用户能 够很容易地将数据库中的数据发布至w e b 页面上。 2 4 开发工具的选择 开发工具和编译器的选择，主要是通过设计软件的应用领域、编程的复杂程 度、软件运行环境和开发者水平等方面进行考虑。 d e l p h i 是著名的b o r l a n d ( 现在已和i n p r i s e 合并) 公司开发的可视化软件开 发工具。“真正的程序员用c + + ，聪明的程序员用d e l p h i ，这句话是对d e l p h i 最 7 第二章监测系统整体设计 经典、最实在的描述。d e l p h i 被称为第四代编程语言，它具有简单、高效、功能 强大的特点。和v c 相比，d e l p h i 更简单、更易于掌握，而在功能上却丝毫不逊 色；和v b 相比，d e l p h i 则功能更强大、更实用。可以说d e l p h i 同时兼备了v c 功能强大和v b 简单易学的特点。它一直是程序员至爱的编程工具。 d e l p h i 具有以下的特性：基于窗体和面向对象的方法，高速的编译器，强 大的数据库支持，与w i n d o w s 编程紧密结合，强大而成熟的组件技术。但最重要 的还是o b j e c tp a s c a l 语言，它才是一切的根本。o b j e c tp a s c a l 语言是在p a s c a l 语言的基础上发展起来的，简单易学。 d e l p h i 提供了各种开发工具，包括集成环境、图像编辑( i m a g ee d i t o r ) ， 以及各种开发数据库的应用程序，如d e s k t o p ，d a t a b a s ee x p e r t 等。除此之外， 还允许用户挂接其它的应用程序开发工具，如b o r l a n d 公司的资源编辑器 ( 1 z e s o u r s ew o r k s h o p ) 在d e l p h i 众多的优势当中，它在数据库方面的特长显得尤为突出：适应于 多种数据库结构，从客户机服务器模式到多层数据结构模式；高效率的数据库 管理系统和新一代更先进的数据库引擎：最新的数据分析手段和提供大量的企业 组件。 d e l p h i 发展至今，不断添加和改进各种特性，功能越来越强大。因此，本 系统采用d e l p h i 作为系统开发工具。 8 第三章数据采集传输模块的设计 第三章数据采集传输模块的设计 3 1 系统数据通讯 在数据采集传输系统中含有通讯程序，通讯程序的设计是为了保证系统数据 传送和信息交流顺利进行的核心环节，在系统中具有十分重要的位置。通过通讯 程序，数据采集系统可以向现场工作站发送基础数据，现场工作站可以向中心工 作站发送数据，以实现整个监测系统的信息交流。 终端设备和计算机之间的通讯或计算机和计算机之间的通讯，通常称为数据 通讯。进行数据通讯的双方必须遵守相同的传输控制规程( 或通讯协议规程) 才 能协调可靠的工作。数据通讯系统的基本构成如图3 - 1 所示。图中的数据通讯系 统中传输控制器和通讯控制器主要功能是完成数据通讯的传输控制规程。数据电 路和传输控制规程称为数据链路。 图3 - 1 数据通讯系统的基本构成 3 1 1 同步通讯和异步通讯 数据通讯方式有两种：同步通讯方式和异步通讯方式。 同步通讯( s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n ) 方式要求通讯双方以相同的速率 进行，而且要准确协调。它通过共享一个单个时钟或定时脉冲保证发送方和接收 方准确同步。其特点是允许发送一个字符系列，每个字符数据位数相同，没有起 始位和停止位，效率高。同步通讯以多字节组成的数据块( 几十至几千个字节) 为单位进行传输，并在数据块前加上标识序列组成帧( f r a m e ) 。同步方式分字节 同步和位同步两种，通常采用后一种形式。 异步通讯( a s y n c h r o n o u sc o m u n i c a t i o n ) 方式不要求双方同步，收发方可 采用各自的时钟源。双方都遵守异步通讯协议，以字符为数据传输单位，发送方 9 第三章数据采集传输模块的设计 传送字符的时问间隔不确定。每个字符的传输都以起始位开始，以停止位结束。 通讯双方所指定的字符的数据位数，奇偶校验方法和停止位数必须相同，传输效 率比同步通讯方式低，成本也低。异步通讯以字符为单位，长度为5 8 位。 异步通讯是“起一止”( s t a r t s t o p ) 同步方式通讯，即在以起始位开始， 停止位结束的一个字符内按约定的频率进行同步接收每个字符之间允许有间 隔，而且两个字符之间的问隔是不固定的。而在同步通讯方式中，不仅同一字符 中的相邻两位间的时间间隔要相等，而且相邻字符问的间隔也要求相等，这就是 同步与异步通讯方式的区别。 3 1 2 异步串行通讯协议 通讯协议也叫通讯规程，是指通讯双方一种格式上的约定。数据通讯中，在 收发器之间传送的是一组“0 ”、“l ”位串，但它们在不同的位置可能有不同的 含义，有的只是用于同步，有的代表了通讯双方的地址，有的是一些控制信息， 有的则是通讯中真正要传输的数据，还有的是为了差错控制而附加上去的冗余 位。这些都需要在通讯协议中事先约定好，以形成一种收发双方共同遵守的格 式。 在逐位传送的串行通讯中，接收端必须能识别每个二进制位从什么时候开 始，这就是位定时。通讯中一般以若干位表示一个字符，除了位定时外，还需要 在接收端能识别每个字符从哪位开始，这就是字符定时。 异步串行通讯时，每个字符作为一个独立的信息，可以随机出现在数据流中， 即每个字符出现在数据流中的相对时间是任意的。然而，一个字符一旦开始出现， 字符中各位则是以预先固定的时钟传送。因此，异步通讯方式的“异步”主要体 现在字符与字符之问，而同一字符内部的位与位问是同步的。为确保异步通讯的 正确性，必须找到一种方法，使收发双方在随机传送的字符内部实现同步。这种 方法就是在字符格式中设置起始位和停止位，即在一个字符正式发送之前先发一 个起始位，该字符结束时再发一个停止位。接收器检测到起始位便知道字符到达， 并开始接收字符，检测到停止位则知道字符传输结束。由于这种通讯协议是靠起 始位和停止位来实现字符内部同步的，所以有时也称为起止式协议。 异步通讯的传输格式如图3 2 所示。每个字符由4 部分组成： 第三章数据采集传输模块的设计 l i 第n 个，谗l7 列1 2 诬，l 籀n ! l s b m s b l 。 0 ，1 0 1 o ，1o ，10 ，o ，1111 o ：起 停j i n审 l 篓 一5 到8 俄致搿斑f 亢遵皱低侥)憾 f 1 1 5阑 i i r 白 成2 髓)傲 丘) 图3 - 2 异步串行通讯格式 ( 1 ) 1 位是起始位，规定为低电平“0 ”。 ( 2 ) 5 _ 8 个数据位，它紧跟在起始位后面，是要传送的有效信息。规定从低 位到高位依次传递。 ( 3 ) 0 - 1 个奇偶校验位。 ( 4 ) l 位、1 5 位或2 位停止位，规定为高电平。 异步通讯格式中起始位和停止位至关重要，起始位标志每个字符的开始，通 知接收器开始装配一个字符，以便和发送器取得同步。停止位标志每个字符的结 束。通过起始位和停止位的巧妙结合，事先异步字符传输的同步。由于这种同步 只需在一个字符间保持，下一个字符又将包含新的起始位和停止位，所以发送器 和接收器不必使用同一个时钟，只需分别使用两个频率相同的局部时钟，使它们 在一个字符时间内收发双方的串行位流能保持同步，即可做到正确可靠的传输。 进行异步通讯时，关键是接收器必须能准确地发现每个字符开始出现的时刻，为 此，协议规定起始位和停止位必须采用相反的极性，前者为低电平“0 ”，后者为 高电平“l ”。利用前一个字符的高电平停止位到后一个字符的低电平起始位的 负跳变，接收器知道这是一个字符的开始，可以以此作为新字符内位检测与采样 的时间基准。为了让一个字符到另一个字符的转换总是以负跳变开始，通讯协议 规定在字符与字符之间出现空闲状态时，空闲位一律用停止位的“l ”填充。 停止位长度规定可以取i 位、1 5 位或2 位。一般有效数据为5 位( 称为5 单位字符码) 时停止位取1 位或1 5 位，其他单位的字符码停止位取l 位或2 位。至于有效数据后面的奇偶校验位，协议规定可有可无。 在数据通讯中，按照i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m u n i c a t i o nu n i o n ，国际 电信联盟) 的建议，通常将逻辑“0 ”称为“空号”( s p a c e ) ，将逻辑“l ”称为 “传号”( m a r k ) 。按这种叫法，在异步串行通讯中，每个字符的传送都必须以“空 号”开始，以“传号”填充空闲位。 第三章数据采集传输模块的设计 3 1 3 自定制通讯协议 在异步传输中，通讯协议的数据字符格式为“起始位+ 数据位+ 校验位+ 停止位”。常用的格式有： 1b i t 起始位+ 8b i t 数据位+ lb i t 停止位( 无校验位) ： lb i t 起始位+ 7b i t 数据位+ l b i t 偶校验位+ l b i t 停止位。 1 个字符通常用1 0 位表示。数据格式可在通讯软件中设置。 现在，自动化控制系统常采用单片机作为下位机，p c 机( 或服务器) 为上位 机，二者通过r s - 2 3 2 串行口接收或发送数据和指令上位机和下位机的通讯协 议定制在系统设计中很重要。 3 i 4 各监测系统问通讯协议的分析 目前云南省富源县各煤矿所使用监测系统的厂家不同，使用的通讯协议也不 一样，如何读取和分析各系统测得的数据，是一个需要解决的问题。 有两种方式可解决这一问题： ( 1 ) 制定统一的通讯协议，各监测系统的生产厂家均按照该协议传送数 据。在原有的瓦斯监测系统的井下监测分站上并连一个串口线，连接 到现场工作站上，将数据处理分析后，在现场工作站的某一目录下生 成一个实时数据文件，该文件按照一定格式记录了井下各监测点的实 时监测数据，每1 0 秒钟刷新一次。利用客户端传输软件将该文件上传 到煤管局服务器上，原监测系统与现场工作站之间数据传输不存在干 扰。 ( 2 ) 生产厂家若不提供通讯协议，则必须按照同样格式在现场工作站生成 一个实时数据文件。 在云南省煤矿安全监察局的大力配合下，目前各厂家正在改造系统以采用统 一的通讯协议。 实时数据文件的格式如下： ( 1 ) 文件头( 一行) ：矿编号( c h a r ( 7 ) ) ，日期( 格式为：y y y y m - d dh h ：m m ：s s ) ( 2 ) 数据体( 每监测项目一行) ：矿井编号( c h a r ( 7 ) ) ，监测点编号( c h a r ( 7 ) ) 。 监测项目编号( c h a r ( 7 ) ) ，监测值 监测项目编号与名称对应如表3 - 1 所示： 第三章致据采集传输模块的设计 3 1 5 通讯的编程实现 表3 - 1 监测项目编号与名称对应表 名称编号 一氧化碳 l 风速 2 温度 3 瓦斯 4 正压 5 负压 6 水位 7 速度 8 烟雾 9 主扇开停 1 0 风门 1 2 水泵开停 1 4 皮带开停 1 5 实现整个系统的关键是通讯，单元微机与监测分站的通讯实现了数据采集及 实时监测数据的数据传输，在单元微机上主要体现为对串口的通讯编程上。 无论在d e l p h i 还是v b ，v c 等可视化开发工具中对串口进行读写都有两种方 式m 1d 3 。一种是利用w i n d o w s 的a p i 函数，另一种是直接利用封装好的可视化 控件。但基本的操作都是打开，关闭串口，初始化串口参数设置，以及等待事件 发生，处理事件的过程1 。 1 w i n d o w sa p i 的串行通讯 利用w i n d o w s 的a p i 写串行通讯涉及到的函数有c r e a t e f i l e ，r e a d f i l e ， w r i t e f i l e ，s e t u p c o m ，w a i t c o m m e v e n t 等“”。虽然串行口属于硬件，但在w i n d o w s 中却将它当成一个文件来操作。因此，打开串行通信端口时，就必须像打开文件 那样操作另外，使用完串行端口还必须使用关闭文件的函数将串行端口关闭。 ( 1 ) 打开端口 函数c r e a t e f i l e 原本用于打开文件，但它同样可用于打开一个通信端口，打 开端口函数c r e a t e f i l e 声明如下： h a n d l ec r e a t e f il e ( l p c t s t rl p f il e n a m e ， 文件名指针 d w o r dd w d e s i r e d a c c e s s ， 存取( 读写) 模式 d w o r dd w s h a r e m o d e 。 共享模式 l p s e c u r i t ya t t r i b u t e sl p s e c u r it y a t t r i b u t e s 。结构指针 d w o r dd w c r e a t i o n d i s t r i b u t i o n ， 打开文件的方式 第三章数据采集传输模块的设计 d w o r dd w f l a g s a n d a t t r i b u t e s ， 文件属性 h a n d l eh t e m p l a t e f il e) 带属性复制的文件句柄 当用c r e a t e f il e 打开串行口时，参数l p f il e n a m e 是指打开的文件名称，对串 行口来说就是c o m l ，c o m 2 等。参数d w d e s i r e d a c c e s s 是读写模式设置，对串口设 为g e n e r i cr m a d 及g e n e r i c _ w r i t e 常数，其余参数l p s e c u r i t y a t t r i b u t e s ， d w c r e a t i o n d i s t r i b u t i o n 设置为n i l ，d w s h a r e m o d e 设为0 ，串行口不支持共享模 式。由于使用的是串行通信端口，因此，参数h t e m p l a t e f i l e 也是0 。 ( 2 ) 关闭端口 函数c l o s e h a n d l e 用来关闭文件，关闭文件可被用来关闭串行通信端口，亦 释放所使用的系统资源，函数声明如下： b o o lc l o s e h a n d l e ( h a n d l eh o b j e c t ) ；要关闭的对象的句柄 该函数只有一个参数，即以c r e a t e f i l e 函数打开通信端口是所返回的h a n d l e 值，函数返回t r u e 表示成功。 ( 3 ) 端口设置 第一次打开端口时，串行口的设置为系统默认值，函数g e t c o m m s t a t e 和 s e t c o m m s t a t e 可用于检索和设定端口设置的d c b 结构，该结构中b o u n d r a t e ， b y t e s i z e ，s t o p b i t s 和p a r i t y 字段含有串行口波特率、数据位、停止位和奇偶校 验控制等信息，程序中一般先捡索端口的当前设置，修改其中的部分字段后再进 行端口的设置，这样可不必构造一个完整的d c b 结构，还可以避免对其他字段的 影响。 ( 4 ) 读写端口 函数r e a d f i l e 和w r i t e f i l e 用于对端口的读写操作，它们分别声明如下： b o o lr e a d f i l e ( h a n d l eh f i l e ， l p v o i dl p b u f f e r 。 d 霄0 r dn n u m b e r o f b y t e s t o r e a d ， l p d w o r dl p n u m b e r o f b y t e s r e a d 。 l p o v e r l a p p e dl p o v e r l a p p e d ) b o o l w r i t e f i l e ( h a n d l eh f i l e ， l p v o i dl p b u f f e r ， d w o r dn n u m b e r o f b y t e s t o w r it e ， l p d w o r dl d n u m b e r o f b v t e s w r i t t e n ， 第三章数据采集传输模块的设计 l p o v e r l a p p e dl p o v e r l a p p e d ) 读写函数中第一个参数h f i l e 为使用c r e a t e f i l e 函数后返回的值，参数 l p b u f f e r 为指向发送或接收数据的地址。第三和第四个参数分别为接收或欲发送 数据的字节数和总的字节数，参数l p o v e r l a p p e d 在串行通信中若不同时进行后台 工作，则可不使用，设为n i l 即可。 2 d e l p h i 控件实现串口通讯编程 由于用a p i 进行串口编程比较繁琐，采用的函数调用也比较多，所以可采用 d e l p h i 下现成的封装好的串口通讯控件，这样编程比较简单“” d e l p h i 拥有丰富、强大的可视化组件库( v c l ) ，在d e l p h i 中利用控件与串口 进行通信是一种方便、实用的方法。常用的第三方控件有m s c o m m 控件、p e o m m 控件、s p c o m 控件、a p r o 控件“”。其中t u r b o p o w e r 公司的a p r o 组件是公认的专 业通讯控件，该组件功能强大、使用灵活、应用广泛，a p d c o m p o r t 控件是a p r o 组件中的基本控件，可以用来控制串口。 ( 1 ) a p d c o m p o r t 控件常用属性、 c o m n u m b e r 属性：c o m n u m b e r 属性决定了a p d c o m p o r t 控件所使用的串口号，值 为l 、2 时分别设置c o r n l 、c o m 2 。c o m n u m b e r 并不校验串口号的有效性。当打开串 口时，w i n d o w s 通信驱动程序将决定串口号是否有效，若无效则出错“”。当改变 c o m n u m b e r 的属性时，如果端口已经打开，则会关闭已有的端口，用新的串口号 重新打开。 b a u d 属性：b a u d 属性决定端口的波特率。可接收的值是3 0 0 、1 2 0 0 、2 4 0 0 、 4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 、3 8 4 0 0 、5 7 6 0 0 和l1 5 2 0 0 ，默认值是1 9 2 0 0 。 p a r i t y 属性：p a r i t y 属性决定端口的奇偶位校验模式。可选值为p n o n e ( 无校 验) 、p o d d ( 奇校验) 、p e v e n ( 偶校验) 、p m a r k ( 标号校验) 和p s p a e e ( 空格校验) 。 d a t a b i t s 属性：d a t a b i t s 属性决定了数据位的个数。允许值是5 、6 、7 、8 。 如果在端口打开后改变d a t a b i t s 属性，线路参数会立即更新。在把d a t a b i t s 属性 值传递给通信驱动程序前，d a t a b i t s 不会校验所赋的值。驱动程序可能拒绝这个 值，并将产生一个异常。 s t o p b i t s 属性：s t o p b i t s 属性决定了端口的停止位的个数允许的取值是1 、 2 。如果在端口打开后改变s t o p b i t s 属性，线路参数会立即更新。在把s t o p b i m 属性值传递给通信驱动程序前，s t o p b i t s 不会校验所赋的值，驱动程序可能拒绝 这个值。并将产生一个异常。 o p e n 属性：o p e l l 属性决定了是否打开端口。控件发送或接收字符前，o p e n 属性必须设定为t r u e 。当o p e n 属性值设定为t r u e 时a p d c o m p o r t 控件将用所有当 前属性初始化该端口。 第三章数据采集传输模块的设计 o u t p u t 属性：o u t p u t 属性用于向输出缓冲区写入数据。 ( 2 ) a p d c o m p o r t 控件常用方法和事件 f i e t c h a r 方法：g e t c h a r 方法将返回接收字符中的第一个字符。 p u t c h a r 方法：p u t c h a r 方法用于复制一个字符至输出缓存中。 o n t r i g g e r a v a i l 事件：在控件获取了一定的串口输入数据时，该事件会被触 发，传入数据的个数会存放在参量c o u n t 中。 o n t r i g g e r 事件：只要有串口的触发器就会触发该事件，然后才是特定的触 发器事件，它可用于处理各类触发器事件。 o n t r i g g e r d a t a 事件：在控件发现了目标字符后，该事件会触发。 3 2 设计模式选择 3 2 1b s 模式 b s 模式，即浏览器服