基于ARM的煤矿安全系统设计_图文

1、南京理工大学硕士学位论文基于ARM的煤矿安全系统设计姓名：杨金壮申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：顾金良20090601硕论文基于的煤矿安全系统设计摘要本文提出的煤矿安全系统由基站、基站控制器、控制中心和安全信息终端组成。本系统能够实时动态监测瓦斯等有害气体浓度，能够人机联防监测矿道中可能存在的安全隐患。井下采用有线网络和无线网络相结合的混合组网方式，通过矿工携带的安全信息终端使监测网延伸到每个采掘工作面，实现动态跟踪。控制中心通过友好的人机界面可以查看瓦斯浓度、温度、湿度的最新数据与历史数据，还可以查看报警记录，并把这些数据以曲线图的形式直观的显示出来。基站和基站控制器是以

2、系列微处理器为核心设计的，完成安全信息终端和控制中心之间的通信任务。基站和安全信息终端采用了基于技术的系列嵌入式无线收发模块进行组网通信，采用语音芯片实现系统的语音功能，基于内置的控制器辅以收发器实现多基站间的网络连接。基站控制器通过总线与基站组网通信，监测基站工作状态，协调各基站与移动终端之间的信息传输，通过与控制中心机进行信息交互。在此硬件平台的基础上，给出了基于微处理器下的软件设计过程，包括初始化、无线通信模块的通信协议制定和通信程序设计、语音功能的软件设计及编程、基站和基站控制器的通信协议制定和主程序设计、系统监控程序设计及控制中心机端人机界面设计等。经多次调试，实现了控制中心机接收安

3、全信息终端检测的环境参数数据并判断瓦斯浓度是否超限，还实现了通过人机界面查询数据、查看曲线图以及发送命令等。关键词：，语音通信，人机界面，总线硕：论文，：，声明尸明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。研究生签名：川年钿帕学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借

4、阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。唧年月日硕士论文基于的煤矿安全系统设计绪论煤矿安全监测监控技术是近年来迅速发展的一个新兴技术和领域，是利用传感器技术、计算机技术、现代控制技术和信息传输技术，实现井上和井下之间的实时数据传输和语音通信。煤矿安全系统的设备实现对瓦斯、温度、湿度等环境参数的实时动态检测，并将采集的现场环境数据和语音信息等通过无线网络和有线网络上传到控制中心，也可以将控制中心的指令下传到井下。语音功能的实现既能实时了解井下动态，又提供了一种特殊情况下的直接通讯方式。煤矿安全系统的预防报警作用能够减少事故的发生，在事故发生的情况下减少事

5、故带来的危害，对改善我国煤矿的安全状况，提高煤矿生产效率和现代化水平起到了重要作用。课题研究背景我国煤矿自然条件复杂，的矿井属于高瓦斯或瓦斯突出矿井【】。矿工不但常年工作在狭窄、黑暗、高温、高湿、有毒有害气体较多的矿井中【】，而且劳动强度大，再加上我国煤矿预防环节薄弱，导致国内煤矿安全事故频繁发生。近年来，国家开始关注煤矿的安全生产问题，引进了国外先进的煤矿监控监测技术，经过改善后应用在我国各大、中、小型煤矿上，市场上各种煤矿监测系统及其配套产品也越来越多【】。煤矿监测监控系统的现场设备为各级生产指挥者和相关部门提供了环境安全参数的动态信息，通过对被测参数的比较和分析，为预防灾害事故提供技术数

6、据，提前采取防范措施；通过对被测参数实时有效的控制，实现自动报警、断电，防止事故的发生或扩大。煤矿监测监控系统的应用对改善我国煤矿的安全状况，提高煤矿生产效率和现代化水平起到了重要作用。煤矿安全系统最重要的两个方面是实时性和准确性。通过对现有煤矿应用的监控网络的综合分析和论证，矿井下有线网络传输介质选用总线。总线是符合国际标准的现场总线，而且具有传输距离远、实时性高、可靠性高和容错能力强等优点【】。安全信息终端被安装在矿帽上，终端内的有害气体探测初级仪表采取和矿工工作周期相适应的自适应校准机制，即矿工在井下工作时能自动进行有害气体探测，矿工回到地面时又能进行自适应校准，加长了校准期，解决了我国

7、现有煤矿监控系统中，初级仪表长期在矿井环境下因诸多因素容易失效的难题【】。所以本设计“基于的煤矿安全系统设计一在我国煤矿上有比较广阔的应用前景。绪论硕上论文国内外发展概况煤矿安全监控技术起步于世纪年代，伴随着信号传输技术的发展，煤矿安全监控技术越来越成熟，已逐步渗透到采、机、运、通、管理各个环节，保证了煤矿安全、高效的生产儿】。）国外煤矿安全系统的现状国外煤矿监测监控技术根据信息传输技术的进步划分为四个阶段巧儿刀：第一阶段：采用空分制来传输信息，年代中期英国和日本煤矿中的控制机大都采用这种技术。典型代表有法国的煤矿监测系统，它可测瓦斯、一氧化碳、风速和温度等参数。第二阶段：采用频分制信号传输方

8、式，它是伴随着以晶体管电路为主的信息传输技术的发展而出现的，这种传输方式使传输信道的电缆芯数大大减少，很快就取代了空分制系统。典型代表有公司的系统和公司的系统，其中系统对今天的煤矿安全监控系统仍有影响。第三阶段：采用时分制信号传输方式，它是伴随着集成电路的出现发展起来的，其结构简单、配置灵活、抗干扰能力强，但是通信规程比较严格。在当时的英国这个技术被普及，具有代表性的系统是以时分制为基础的煤矿监控系统。时分制的出现丌创了煤矿自动化技术和煤矿监控技术发展的新局面，今天国内外各种监控系统的整体结构还是和那时没有太大变化，只是在功能和技术先进性上有了较大的提高。第四阶段：在这个阶段信号的传输方式还是

9、属于时分制范畴，但以分布式微处理机为基础，综合利用了计算机技术、大规模集成电路技术、数据通信技术等现代高新科技技术，开发了全矿井综合自动化监控系统，集语音通信、数据处理、图像识别于一体，融监测、控制、通信功能、无线接入技术于一网，兼容各种专用监控系统功能，覆盖全矿井各生产和生产辅助环节，实现了对综采工作面和矿井运输、通风、排水、供电等设备工况参数以及矿井瓦斯浓度等环境参数的自动化监测和控制。其中有代表性的是美国公司系统。）国内煤矿安全监控系统的现状我国煤矿监测监控技术起步于世纪年代，开始由原煤炭部组织了对国外煤矿监控技术进行大规模考察，然后从波兰、法国、德国、英国和美国引进了一批安全监控系统来

10、装备部分煤矿。随后几十年内在引进国外先进技术的同时，消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，研制出一批女、等具有世界先进水平的监控系统阻。我国目前装备的安全监控系统大约有多种，主要存在以下几点不足脚：）通用性差现有煤矿安全监控系统大多针对某一监控对象（如环境安全、提升运输、设备开停硕士论文基于的煤矿安全系统设计等）开发，各设备生产厂家缺乏统一标准，从而造成设备、配件互不通用，系统扩展和升级能力差。）兼容性差现有煤矿安全监控系统的通信协议和传输设备物理层协议缺乏统一的标准。我国绝大部分监控系统采用串行通信总线的传输方式，监控系统大多是主从结构，无法构建多主冗余系统；现有的各种现场分站采用各自现场总线

11、的专用通信协议，很难相互兼容。）智能程度低现有监控软件均为某一监控目的而开发，难以通过简单的操作实现多方面监控的目的，多数监控系统局限于参数的监测，缺少监控能力，更无监管功能，很难实现煤矿安全集中监控和全矿区的监管陌。为了满足现代煤矿安全生产和信息管理的要求，煤矿监控系统朝着网络化、标准化、智能化的方向发展，并从单一监控功能向性能可靠、功能强大的全矿井综合监控信息系统发展。）网络化现代煤矿趋向于规模化生产，对监控系统的要求也越来越高。现场总线技术在煤矿监控系统中广泛应用，扩展了监控系统的功能，信号传输为时分制或调频信号，由于受现场恶劣环境和电缆带宽的限制，只能传输数字语音信号，通信速率偏低。随

12、着工业以太网技术的迅速发展，它不仅应用于监控系统的监控级，而且已经开始用于现场设备网络。通过基于嵌入式的网络协议转换器将现场总线（与现场设备相连的支路网络）和工业以太网（与管理层相连的主干网络）有机结合应用于监控系统中，充分利用两者的优势，建立基于现场总线和工业以太网的煤矿实时监控综合信息系统，将现场监控层、信息传输层和信息管理层连成一个完善的监控网络，融合各种信息（参数数据、语音信号、图像视频等），共享系统资源和信息，实现整个矿区或更大范围的监测、控制、管理，这是煤矿监控技术发展的必然趋势。）标准化目前，信息传输系统的兼容性已成为矿井进一步引进和扩充系统功能的制约因素。现有的监控系统几乎都采

13、用各自专用的通信协议，互不兼容。通信协议不规范的后果是设备购置重复、不能随意进行软硬件升级改造。为了制定统一的专业技术标准，国家出台了很多规范性规程和标准对监控系统及信息传输协议等进行规范，促进了矿井监控技术发展和系统的推广应用。标准化和通用性是煤矿监控系统的发展趋势之一。）智能化影响煤矿安全与生产的两个主要因素是突发事故、生产设备故障。突发事故由于其突发性给我们带来重大损失，如果将现代的预测理论（灰色理论、混沌理论等）与专家决绪论硕：论文策智能模块引入监控系统，使之形成状态监测、灾害预报与处理决策支持功能智能系统，就能更加有效地防止事故的发生。煤矿安全监测系统通过对工况的监测，判断故障的发生

14、，发生故障后，找出故障源，确定故障的原因，判断故障的严重程度，采取断电、启动保护系统等必要的措施。将专家系统和网络技术引入到生产设备故障监控系统中，构建远程故障诊断专家系统，建立相关煤矿知识库，共享网络数据和更多的技术支持，使实时监控系统采集的参数数据、视频和音频信号得到专家和相关技术人员的综合推理和诊断，更加及时准确的找到故障源并采取相应措施。因此，智能化是煤矿监控系统的又一发展趋势。研究内容本学位论文的研究课题是基于构建煤矿安全系统。安全信息终端被安置在矿工的矿帽上，由传感器、检测微处理器和无线收发模块组成，有害气体传感器实时检测周围环境参数，检测微处理器电路控制各个传感器，并将传感器测得

15、的数据和语音信息通过基于的无线通讯模块发送给基站。是一种用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术，而且是现有的各种无线通信技术中功耗和成本最低的技术。矿道内分布的基站内嵌的无线通讯模块保持和安全信息终端的无线通讯，各个基站之间及基站和基站控制器之间以总线连接，总线具有很强的可扩展性，数据传输速率可达到兆四。控制中心接收到上传的数据并存储在数据库中，在机上运行的人机界面下实现数据查询、数据显示、自动报警等功能。基站和基站控制器都是基于系列的微处理器设计开发的。因此本课题研究的主要内容有以下几个方面：）煤矿安全系统的总体设计：包含系统概述、系统设计原则、系统构成；）硬件设

16、计：包括基站和基站控制器的即的外围电路设计、语音电路设计和无线通信模块接口电路的设计；）软件设计：包括基站控制器系统程序设计、基站系统程序设计、控制中心监控软件设计和通信协议制定等。论文的结构本学位论文共分为六章：第一章：介绍论文的研究背景、研究内容以及国内外的发展概况和论文结构。第二章：主要阐述了煤矿安全系统的总体设计思想：包含煤矿安全系统概述、系统设计的原则和软、硬件系统的构成。第三章：在阐述了煤矿安全系统的硬件总体设计的基础上，详细介绍了微处理器及其外围电路设计、总线通信控制电路、语音电路和无线通信模块接硕士论文基于的煤矿安全系统设计电路的设计。第四章：详细介绍了基站和基站控制器的通信协

17、议和系统主程序设计、系统主要功能模块的程序设计和控制中心人机界面设计。第五章：详细阐述了系统的调试过程和结果，提出了经调试发现的系统设计的不足和改进方法。第六章：总结指出了煤矿安全系统设计取得的初步成果、创新、不足和发展趋势。煤矿安全系统总体设计硕：论文煤矿安全系统的总体设计煤矿安全系统概述煤矿安全系统融合了计算机技术、网络技术、通信技术、传感器技术等，实时采集现场数据，全方位检测识别，全天候处理，通过基于无线技术的井下无线局域网将安全信息终端采集的现场环境数据发送到基站，再通过有线网络上传到控制中心。井下基于无线传输的网络平台，为不具备有线传输条件的煤炭企业，特别是地域跨度较大的煤炭企业，提

18、供了成本低、见效快、高效率的数据传输平台，为煤炭企业安全生产提供强有力的监测手段。煤矿安全系统的结构框架如图所示，由安全信息终端、基站、基站控制器和控制中心组成。安全信息终端的功能是采集瓦斯气体浓度、温度和湿度等数据，由终端控制器对数据进行初步处理打包成符合无线传输协议的数据包，通过基于的无线发射模块广播发送到最近的基站：基站的功能是通过内嵌的无线通信模块接收安全信息终端发送的数据，并将带有终端地址编号信息的数据加上基站地址等信息再打包，通过总线上传到基站控制器；基站控制器的功能是控制基站、监测基站工作状态、提供信令转换、分配话音和信令时隙、提供话路的集线处理，并通过串口将数据上传到控制中心的

19、机；机分析、处理、存储数据，在检测到接收数据超限时自动报警。如果瓦斯浓度超过规定数值，安全信息终端会初步判断并发出报警音，提示工作人员及时撤离现场。控制中心机也会对超限的有害气体浓度，透水事故做出判断，发出指令指导工作人员安全撤离并展开相应的救援工作。围囤匡图煤矿安全系统结构简图硕士论文基于的煤矿安全系统设计系统具有语音功能，控制中心可以请求和矿工通话，也可以接收井下矿工的通话请求，直接了解井下安全动态。系统定义了一些控制字，代表各种特定的含义，例如命令安全信息终端发出报警音等控制终端状态的情况都可以发送事先定义的控制字来使终端执行相应的操作。系统还可实现矿工初步定位功能，矿工的矿帽上安装的安

20、全信息终端中的无线通讯模块将检测数据和终端编号打包发送到附近的基站，基站解析数据包后取出有用的数据和基站编号打包，通过有线网络发送至控制中心，控制中心通过解析数据包获得终端编号和基站编号，经查询基站和终端标号表就厶厅匕断出是哪一个矿工和他目前所处的大概位置。煤矿安全系统的主要特征有以下几点：）满足煤矿监测监控系统对实时性、可靠性的要求。本系统实现了实时检测矿井中环境参数、实时可靠传输数据、自动报警等功能。）采用简单友好的人机界面的管理终端，操作简单，适应智能化、开放化、集成化的发展趋势。）本系统的投入使用将使我国煤矿安全监控系统进一步标准化、网络化。将来所有煤矿的控制中心联网，国家煤碳部门可以

21、统一管理所有煤矿。煤矿安全系统的设计原则煤矿安全系统是为了满足煤矿安全和生产的需要而设计的。煤矿安全系统的硬件平台是系列微处理器（）的一个典型应用，系统的总体设计是根据系统应用目标来确定系统的各个组成部分，并详细阐述了各个功能模块在系统中的作用和相互联系。总体设计的原则为：）可行性：系统能够满足煤矿这个特殊环境下的数据传输的实时性、可靠性的要求，还要考虑矿井中瓦斯易爆等问题。）实用性：系统功能完备、可靠性高，能够应用于实际煤矿上。）可扩展性：现有煤矿规模大小不一，各个煤矿环境存在差异，煤矿安全系统应在规模和功能上可扩展，以适应于所有煤矿。硬件系统的构成煤矿安全系统主要由以下几个模块组成：）安全

22、信息终端：由矿工携带的设备，完成瓦斯浓度、温度和湿度的数据采集，通过内置的无线通信模块向最近的基站发送采集数据。）基站：包含无线收发模块、微处理器及其外围电路、语音电路、接口电路。无线收发模块选用系列无线通信模块，它集成了符合协议标准的射煤矿安全系统总体设计硕士论文频收发器和微处理器，可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构。既可以作为终端节点用于终端数据收发，也可以作为中心协调器节点用于基站数据收发，还可以配置为路由器节点用于无线路由节点负责数据存储转发。微处理器选用基于的微控制器，内嵌控制器的，实现将无线通信模块接收的数据和基站编号重新打包后上传、控制无线通信模块向安全信息终端发送数据、控制语

23、音电路保证安全信息终端一基站一控制中心之间的顺利通话等功能。）基站控制器：包括微处理器及扩展的总线接口、串口和接口。微处理器选用系列芯片。的设计实现了小体积但高性能的结构，处理器的结构简单使的内核非常小，这样它的功耗非常低，是精简指令集计算机，它集成了典型的结构特性哼。本设计中选用处理器作为基站控制器的控制主芯片，既满足了实时性和可靠性的要求，还具有良好的可扩展性。）控制中心及其外围部件：包括机、打印机和报警设备（扬声器）。控制中心是煤矿安全系统的核心，机是控制中心的主要设备，主要功能是接收、存储、分析和显示安全信息终端检测的数据、自动报警和向下发出指令。软件系统的构成无线局域网目前绝大多数煤

24、矿安全系统井下通信方式采用的是有线方式，多采用电力线缆、信号线缆或者光缆等。传统的矿井下有线通信方式具有布线复杂繁琐、线路的依赖性强、覆盖区域有限、难以达到动态全方位的监测等缺点【】。所以无线通信技术逐渐被应用到煤矿上，其典型应用有手持式无线电对讲机系统、甚低频寻呼机应急系统、泄漏电缆通信系统、中频无线通信系统、高频井下无线定位系统、非接触式定位和考勤系统、无线局域网等。无线局域网是近年来发展较快的无线宽带技术，其优点是成本较低，非常适合以基础设施建设的方式大范围地铺设。现有的短距离无线通讯技术主要有、等（】【】。是一种用于短距离范围内、低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术，它工作

25、于无需注册的频段【】，传输速率为一，传输距离大于。可组建一个多达个无线模块的无线数传网络。矿用无线局域网技术主要采用和两个标准，它可以为井下提供高达的信号覆盖和接近米的定位精度【】，技术能够比较好地胜任煤矿安全系统的井下无线通讯功能。本系统在矿井下由基站和安全信息终端组建基于技术的星型无线局域网，无线通讯设备选用系列嵌入式无线通信模块。硕：论文基于的煤矿安伞系统设计控制中心监控软件控制中心监控软件是整个系统的核心，它的功能多、控制能力强、处理数据量大、实时性要求高。控制中心监控软件结构复杂，所以在软件开发过程中，采用模块化的程序设计方案。监控软件按功能划分为串口通信模块、系统设置模块、语音通信

26、模块、数据库模块、曲线显示模块和报警记录处理模块控制中心监控软件体系结构框图如图所示。图控制中心监控软件体系结构框图控制中心的机端人机界面设计以作为软件开发工具。是微软公司提出的可视化、面向对象和事件驱动方式的结构化程序设计语言，使用它开发下的监控应用软件使用简单、开发效率高。提供了串口通信控件，通过对此控件的属性和事件进行相应的编程操作来实现串口通信。控件是既可以提供简单的串行端口通信功能，也可以用来创建功能完备、事件驱动的高级通信工具。通过控件建立与串行端口的连接，通过串行接口连接到其他通信设备，发出命令，交换数据，以及监视和响应串行连接中发生的事件和错误。控件处理通信的方式有两种，分别是

27、事件驱动方式和查询方式【。事件驱动方式是利用控件的事件捕获并处理通信事件，事件也可以检查和处理通信错误：查询方式通过检查属性的值来查询事件和错误。系统开发调试软件基站和基站控制器都是基于开发的嵌入式系统，主要完成对系统相关部分的控制，任务的管理和调度，对接收的各类数据进行初步的处理，打包后再按协议发送出去。基于的芯片多数为复杂片上系统，需要由软件来设置其需要的工作状态。系煤矿安全系统总体设计硕士论文统启动时在进入语言的函数之前，需要有一段启动程序来完成对芯片内部集成外围功能初始化、存储器配置以及地址重映射等任务。选用开发环境来完成基站和基站控制器的软件设计。（）支持所有系列处理器，是公司推出的

28、新一代集成开发工具【。现代集成开发环境的一些基本特征（如源文件编辑器语法高亮和窗口驻留等功能）在中都得以实现。由代码生成工具、集成开发环境、调试器、指令模拟器、开发包和应用库组成。除了支持支持的运行操作系统，还可以在及上运行。在开发初期使用中的调试软件，调试器是扩展调试器，包括的所有特性，支持硬件仿真和软件仿真（）。能够装载映像文件到目标内存，具有单步、全速和断点等调试功能，可以观察变量、寄存器和内存的数据等。仿真器选用，它是一款新型的仿真器。目前，可以支持大部分微控制器和部分芯片，支持集成丌发环境，支持下载程序到片内和特定型号的片外，采用公司提出的标准脚仿真调试接口。这款仿真器需要软件（调试

29、代理）的支持。硕士论文基于的煤矿安全系统设计煤矿安全系统硬件设计煤矿安全系统按功能划分为控制中心、基站、基站控制器、安全信息终端四大部分。硬件设计工作主要是基站和基站控制器的硬件电路设计，基站和基站控制器都包括及其外围电路和总线接口电路，另外基站还包括语音电路和无线通讯模块接口电路。基站和基站控制器总电路图见附录，其硬件电路结构图如图所示。图基站和基站控制器的硬件电路结构图基站是矿井下无线网络的中心节点，其控制无线通信模块收发数据，提供接口接入有线网络，还控制语音芯片实现语音通信功能；基站控制器控制总线上的所有基站完成信息传输，并监测基站工作状态，它除了提供接口外还提供串行口来和机通信。本设计

30、选用低电压、低功耗的内核的处理器作为基站和基站控制器的，最小系统外接无线通信模块、语音电路和收发器能实现基站的功能，最小系统外接收发器并接出一个串行口能实现基站控制器的功能。基站和基站控制器调试时使用仿真器，所以需要在设计时扩展出接口。最小系统包括电源电路、时钟电路和复位电路。上述各部分电路的具体功能如下：电源电路：为整个系统供电，要求稳定性高；时钟电路：使用外部晶振起振，提供时钟信号；复位电路：完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能；接口电路：系统调试与测试接口，控制芯片的运行并获取内部信息；接口电路：实现与机之间的串口通讯；总线接口电路：对总线提供差动发送能力，对控制器提供差动

31、接收能力。煤矿安全系统硬件设计硕：论文及其外围电路微处理器是基于一个支持实时仿真和跟踪的位，并带有字节（）嵌入的高速存储器。位宽度的存储器接：和独特的加速结构使位代码能够在最大时钟速率下运行，对代码规模有严格控制，可使用位模式将代码规模降低超过，而性能的损失却很小。有极小的脚封装、极低的功耗、多个位定时器、路位、路以及多达个外部中断【】。内部包含一个支持仿真的、与片内存储器控制器接口的局部总线、与中断控制器接口的高性能总线（）和连接片内外设功能的外设总线（，总线的兼容超集）。外设分配了字节的地址范围，它位于字节存储器空间的最顶端。每个外设都分配了字节的地址空间。的外设功能（中断控制器除外）都连

32、接到总线。到的桥将总线与总线相连。外设也分配了字节的地址范围，从地址点开始。每个外设在地址空间内都分配了字节地址空间。片内外设与器件管脚的连接由管脚连接模块控制，通过软件控制该模块以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求【】。内部集成的存储器可用作代码和数据的存储。对存储器的编程方法有通过内置的串行接口、通过串口进行在系统编程（）和在应用编程（）】。使用在应用编程的应用程序也可以在应用程序运行时对进行擦除或编程，这样就为数据存储和现场固件的升级带来了极大的灵活性。煤矿安全系统的设计编程是通过的在系统编程，通过引脚接一个上拉电阻（一个连接到的电阻）可以禁止功能。具有字节静态洲，也可用作代码或数据的

33、存储。支持位、位和位访问。控制器包含一个回写缓冲区，它用于防止在连续的写操作时停止运行。回写缓冲区总是保存着软件发送到的最后一个字节。该数据只有在软件请求下一次写操作时才写入（数据只有在软件执行另外一次写操作时被写入）。如果发生芯片复位，实际的内容将不会反映最近次的写请求（即在一次“热芯片复位后，不会反映最后一次写入的内容）。任何在复位后检查内容的程序都必须注意这一点。通过对一个单元执行两次相同的写操作可保证复位后数据的写入，或者通过在进入空闲或掉电模式前执行虚写操作来保证最后的数据在复位后被真正写入到。共有“个引脚，多数引脚可被配置成具有多个功能，这通过管脚连接模块来完成，模块必须由软件进行

34、控制以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求，没有硕上论文基于的煤矿安伞系统设汁连接到特定外设功能的引脚由寄存器进行控制。管脚连接模块包含个寄存器：管脚选择寄存器（）、管脚选择寄存器（）、管脚选择寄存器（）。配置寄存器控制多路开关来连接管脚与片内外设。外设在激活和任何相关中断使能之前必须连接到适当的管脚。任何使能的外设功能如果没有映射到相关的管脚，则被认为是无效的。有个位的通用口，使用了个管脚，有多达个管脚可用作功能。和由组（个）寄存器控制，即、。具体管脚配置的功能由目标板初始化函数来实现。及扩展管脚如图所示，未使用的管脚引出连接到插座、上，以便今后扩展使用。电容、的作用是滤波，经滤波电路后，输

35、入稳定的电压。矗，朗鲫图及扩展管脚图电源电路电路板上主要需要种电压：、和。芯片需要双电源供电，内核电压和功能外设电压，接口电路和语音电路需要电源供电。在设计电路板时把电源引出至供扩展或调试时使用。是电源指示灯，用来直观的显示电路板的供电状态。二极管在电源反接时不导通，防止电源反煤矿安全系统硬件设计硕：二论文接时烧坏电路中的元器件。输入的电源经滤波后再输出，为电路板上元器件提供稳定的工作电压。电路采用系列芯片和将电压转换为和，的输出电容可有效地保证和的稳定性。电路板上电源电路的原理图如图所示。陆鼢图电源电路时钟电路微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，通过片内电路可实现最大为的操作频率。当频率范围

36、内的一个占空比因数为的信号从脚输入到时，微控制器的内部振荡电路支持一的外部晶体。如果片内系统或引导装载程序被使用，输入时钟频率将被限制到。在本设计中，使用外部晶振，用电阻并接到晶振的两端，电容与大小为，使系统更容易起振，波特率更精确，同时能支持微控制器片内功能。时钟电路如图所示。图时钟电路图（，在系统中编程）是一种无需将存储芯片从嵌入式设硕二论文基十的煤矿安全系统设计备上取出就能对其进行编程的过程。的应用使我们可以在一定的硬件平台上开发运行不同的工程程序，而且某些难以直接在硬件上实现或者实现起来比较复杂的功能，可以通过软件编程再依托硬件平台来实现。处理器通过内部的装载程序和串口来实现对片内存储

37、器进行编程和再编程。电路板上的功能是通过跳线来控制的。当使用下载程序时，上电前需要将脚拉低，将短接；不使用功能时，上电前需要开路，否则系统无法进入调试状态。如图所示。图跳线电路带总线的复位电路在设计调试阶段，需要使用在线仿真调试和功能，因此选择带手动复位的复位电路。将来投入煤矿具体应用时，手动复位电路不存在。复位电路主要完成系统的上电复位和在调试电路板时的按键复位功能。芯片因其高速、低功耗和低工作电压的工作特性，对电源纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控的可靠性等有更高的要求。有两个复位源：管脚和看门狗复位。管脚为施密特触发输入管脚，带有一个额外的干扰滤波器。任何复位源提供的芯片复位都

38、会启动唤醒定时器，复位将保持有效直至外部复位撤除，振荡器开始运行。复位干扰滤波器使处理器可以忽略非常短的外部复位脉冲并决定保证芯片复位所必须保持的最短时间。一旦有效，只有当晶振运行稳定并且的脚上出现适当的信号时才能撤除。当内部复位撤除时，处理器从地址开始运行，此处为映射的复位向量。此时所有的处理器和外设寄存器都恢复为默认状态。外部复位和内部复位有一些小的区别。外部复位使特定管脚的值被锁存以实现配置。外部电路无法确定内部复位什么时候发生进而对特定管脚的值进行配置，因此那些锁存在内部复位过程中不会重新装载。在外部复位时对管脚，和以实现不同的目的。当复位后执行引导装载程序时，片内引导装载程序将对进行

39、检测。芯片复位可以发生在编程或擦除操作过程中，存储器会中断正在进行的操作并使复位延迟到内部高电压降低后才完成。煤矿安全系统硬件设计硕士论文基站和基站控制器的设计采用了带手动复位输入的复位芯片，它内嵌有一个位的串行，具有的总线接口，因此在系统中还被用来存储基站的地址，即系统分配的基站标号。的引脚连接到微处理器的复位引脚。当复位按键按下时，的引脚的输出信号使芯片复位。总线需要外接上拉电阻、。另外注意芯片的引脚的上拉电阻是不能省略的。其电路原理如图所示。图复位电路图接口电路接口是电路板调试时的调试接口，是用来完成烧写操作的。仿真器是通过芯片的边界扫描口进行调试的，它通过现有的边界扫描口与核通信，属于

40、完全非插入式（即不使用片上资源）调试。本设计中选用仿真器，它是一款新型的仿真器，需要软件（调试代理）的支持。信号接口定义如下：返回的测试时钟输出。它是加载在接口的额外信号。辅助调试器与处理器频率的变化同步，双向引脚带内部上拉。为低时，该引脚线上的低电平使复位后用作一个调试端口；接口的测试数据输出；接口的测试数据输入；接口的测试时钟；兀接口的测试方式；瓜接口的测试复位。调试接口与微处理器之间的连接如图所示。硕：论文基于的煤矿安伞系统设计图调试接口电路接口电路系统通过的（，）与机进行数据交换，但由于输出的信号电平（电平）和机的接信号电平不一致，所以必须进行电平转换。基于系统低功耗的设计要求，这里采

41、用芯片来实现这一功能，芯片所需的供电电压低，其外围电路连接简单，仅需几个电容即可。是机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。电平转换电路如图所示。±、一。邑，一一？瓜口宰一一。，厂。厶，巳图接口电路按键显示电路）按键电路电路板提供了三个功能按键和。个芯片复位按键，基站中为通话功能按键，用于请求通话和接听通话，通话过程中按下则结束通话；基站中为广播功能键，在通话过程中按下它则进行广播通话。基站控制器中使用作为查询基站工作状态的功能按键，按下就发送查询命令。其它按键主要在测试时使用。由于煤矿安全系统硬件设计硕：论文微处理器芯片的引脚、配置为功能时，内部没有上拉电阻，需要外接上拉电阻、和。按键电路如图所示。图按键电路）显示电路电路板提供了个发光二极管来显示系统的工作状态，指示灯指示状态以及表示意义如表所示。使用微处理器的引脚、控制闪烁。采用灌电流方式来驱动，即输出低电平时点亮。程序首先设置、进行引脚连线，然后由设置、为输出模式，即可通过对和寄