（微电子学与固体电子学专业论文）应用于煤矿安全的arm7平台设计.pdf

应用于煤矿安令的a r m 7 甲台设计 摘要 煤矿安全无疑已成为社会关注的热点，不仅对社会经济有影响，更关乎矿业 人员的生命安全。产生煤矿安全隐患的原因之一是对有害情况的监测和控制存在 一些缺陷；并且，煤矿中各种类型系统相互独立，信息不互通，也是造成统一管 理不便的原因。随着国家对煤矿安全生产的管理越来越规范，加强了对煤矿安全 生产的监管力度，要求对矿井设备不仅有更全面的功能，通讯也要更加的实时可 靠，以便及时了解与查询现场安全监测监控信息。 在此，根据一些煤矿领域的相关应用，提出一种性价比非常高的现场总线通 讯系统，即c a n b u s 总线方案，用来解决煤矿系统的通讯问题。c a n b u s 用于煤 矿井下通讯系统当中，不仅可以增强系统的通讯可靠性、延长系统的距离、扩充 系统的节点数，还能增强系统的实时性。同时基于以太网的局域网络技术，和前 端c a n 总线互连中心节点或网关的嵌入，不仅使管理深入到控制现场，同时增大 了系统最大的c a n 节点数，扩大了系统的组网范围。这也是本文的创新点。 在基于a r m 7 内核l p c 2 2 9 2 芯片的嵌入式硬件平台基础上，用g c o s i i 实时操 作系统开发应用程序有其独到之处，用户可以直接利用系统的接口函数编写自己 的应用程序，不用另行开发，大大方便了用户编程，缩短了软件开发周期，提高 了开发效率。基于a r m 7l p c 2 2 9 2 核心控制器的c a n 总线和以太网间的通信，在 实验调试过程中运行良好，工作稳定。 关键词：煤矿安全；a r m ；c a n 总线；以太网；中心节点；肛c o s i i 实时操作 系统 l l 硕十学位论文 a b s t r a c t n od o u b tt h a tc o a lm i n es a f e t yh a sb e c o m eah o ts p o to fs o c i a lc o n c e r n ，n o to n l y f o rt h es o c i o e c o n o m i ci m p a c t ，am o r ed i r e c tb e a r i n go nt h es a f e t yo fm i n i n gp e r s o n n e l c o a lm i n es a f e t yp r o b l e m sa r i s i n gf r o mo n eo ft h er e a s o n sw h yt h es i t u a t i o ni s h a r m f u lt ot h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，t h e r ea r es o m es h o r t c o m i n g s ；i na d d i t i o n ， v a r i o u s s y s t e m i nc o a la r em u t u a l l yi n d e p e n d e n t ，n o t o n l y c a u s e di n f o r m a t i o n e x c h a n g ep r o b l e m ，b u ta l s oc a u s e di n c o n v e n i e n c ef o rt h eu n i f i e dm a n a g e m e n t w i t h t h es t a t e sc o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o nm a n a g e m e n tm o r ea n dm o r es t a n d a r d i z e d ， e n h a n c e dp r o d u c t i o no fc o a lm i n es a f e t ys u p e r v i s i o n ，e q u i p m e n tr e q u i r e m e n t so ft h e m i n en o to n l ym o r ec o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n ，t h ec o m m u n i c a t i o na l s om u s te v e nm o r e r e a l - t i m er e l i a b l e ，i no r d e rt ok e e pa b r e a s tw i t ht h eq u e r yi n f o r m a t i o nt om o n i t o rs i t e s e c u r i t ym o n i t o r i n g a tt h i sp o i n t ，a c c o r d i n gt os o m ea p p l i c a t i o no fm i n ef i e l d s ，p r o p o s eav e r yh i g h c o s t - e f f e c t i v ef i e l d b u sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h a ti sc a n b u sp r o g r a m ，t oa d d r e s s t h ei s s u eo fm i n ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m c a n b u sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o r u n d e r g r o u n dc o a lm i n e sw h i c hc a nn o to n l ye n h a n c et h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n s y s t e mt oe x t e n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h es y s t e m ，t h ee x p a n s i o no ft h es y s t e mn o d e s ， b u ta l s ot oe n h a n c er e a l - t i m es y s t e m s m e a n w h i l el o c a la r e an e t w o r kb a s e do n e t h e r n e tt e c h n o l o g y ，a n dt h ef r o n tc e n t e rc a nb u si n t e r c o n n e c t i o nn o d eo rg a t e w a y e m b e d d e d ，n o to n l yi m p r o v e st h ec o n t r o lo fm a n a g e m e n td e p t ha tt h es c e n e ，b u ta l s o i n c r e a s e st h em a x i m u mn u m b e ro fn o d e si nt h ec a n ，t h ee x p a n s i o no ft h es y s t e m n e t w o r ks c o p e t h i si sw h e r et h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e r b a s e do na r m 7 c o r el p c 2 2 9 2c h i pe m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h er t c o s i i r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e md e v e l o p m e n th a si t s o w nu n i q u ef e a t u r e s ，u s e r sc a n d i r e c t l yu s et h es y s t e mf u n c t i o no ft h ei n t e r f a c et ow r i t et h e i ro w na p p l i c a t i o n p r o g r a m ，w i t h o u tf u r t h e rd e v e l o p m e n ts u b s t a n t i a l l ym o r ec o n v e n i e n tf o rt h eu s e rt o p r o g r a mt h es o f t w a r e ，t os h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h e d e v e l o p m e n t a r m 7l p c 2 2 9 2c o n t r o l l e rb a s e do nt h ec a n b u sa n de t h e r n e t c o m m u n i c a t i o n ，i nt h ec o u r s eo ft h ee x p e r i m e n tr u n sw e l la n dw o r k ss t a b l e k e yw o r d s ： c o a lm i n es a f e t y ；a r m ；c a n - b u s ；e t h e r n e t ；i n t e r c o n n e c t i o nn o d e ； i - t c o s - i ir e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：了及篷良日期：矽叼年石月if j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密战 ( 请在以上相应方框内打叫”) 作者签名：可砭臣受日期：知q 年6 月f 日 导师 ：卅年6 月日 硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 煤炭是我国的主要能源，煤炭行业的安全生产工作一直是我国安全工作的重 中之重。随着经济的快速发展，能源工业对煤炭的需求日益增长，然而由于煤层 的贮存条件和地质情况差别很大，很多矿井自然环境恶劣，受到水、火、瓦斯、 粉尘、顶板事故等自然灾害的威胁。特别是矿井瓦斯爆炸等突发性事故严重威胁 了煤矿的安全生产。 近几年，全国煤矿安全生产形势总体稳定和好转，但安全生产的形势仍然十 分严峻，瓦斯事故成为煤矿的第一杀手。仅2 0 0 9 年1 月10 日至2 月2 2 日一个多月时 间就发生大小6 起煤矿瓦斯爆炸事故，其中又以2 2 2 屯兰矿难伤亡最为惨重，造成 7 4 人死亡( 其中，井下遇难6 1 人，送医院过程中死亡1 3 人) 。住院治疗11 4 ) k ，其 中危重伤员5 人。6 起矿难共造成9 8 人死亡。矿难! 不断发生的矿难，不断侵入着 矿工的安危，煤矿“吃人 已经到了无法忍受的地步。 目前，我国煤矿约半数矿井为高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井，瓦斯始终是我国 煤矿安全的最大威胁。欲改变这种落后的局面最有效的办法就是采用计算机监控 系统，利用煤矿监控系统可准确、及时的监测井下各种工矿参数( 尤其是瓦斯) 的 大小，并及时作出处理，帮助有关人员及时采取措施预防突发性事故的发生，对 于煤矿生产和矿井工人的安全具有重要的意义。 1 2 我国煤矿瓦斯监测监控技术现状 1 2 1 发展过程 8 0 年代初，我国煤矿从波兰、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 等) ，装备了部分煤矿。在 引进先进技术的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际，先后研制了k j 2 、 k j 4 、k j 8 、k 儿0 、k j l 3 、豳1 9 、k j 3 8 、l e d 6 6 、k j 7 5 、k j 8 0 、k j 9 2 等监控系统， 并在我国煤矿大量使用，为煤矿安全生产和管理起了十分重要的作用。由于当时 相当一部分监控系统技术水平低、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 常使用己装备的系统。特别是近年来由于老的监控系统服务年限将至，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速发展和企业自身发展的需要，国内 ! 些：! ! ：! 些：! ! ! 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 等监控系统，以及m s n m 、w e b g l s 等煤矿安全综合化和 数字化网络监测管理系统。同时。在“以胍定产，先抽后采，监测监控”十二字方 针和煤矿安全规程有关条款指导下规定了我国各丈、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。因此，大大小小的系统生产厂家如雨后 春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择机会、也促进了各厂家在市场竞争 条件下不断提高产品质量和服务意识。 122 系统组成 系统由早期的地面单微机监测监控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。主要由监测终端、监控中心站、通信接口装置、井下分站、 传感器组成1 1 】。如图il 所示。 图11 企业局域同系统结构圈 1 3 我国煤矿监测监控系统的技术水平 13 1 系统中心站 1 环境监测 主要监测煤矿井下各种有毒有害气体及工作面的作业条件，如高浓度甲烷气 体、低浓度甲烷气体、一氧化碳、氧气浓度、风速、负压、温度、岩煤温度、顶 硕十学位论文 板压力、烟雾等。 2 生产监控 主要监控井上、下主要生产环节的各种生产参数和重要设备的运行状态参数， 如煤仓煤位、水仓水位、供电电压、供电电流、功率等模拟量；水泵、提升机、 局扇、主扇、胶带机、采煤机、开关、磁力起动器运行状态和参数等。 3 中心站软件 具有测点定义功能；具有显示测量参数、数据报表、曲线显示、图形生成、 数据存储、故障统计和报表、报告打印功能。其中，部分系统可实现局域网络连 接功能，并采用国际通用的t c p i p 网络协议实现局域网络终端与中心站之间实时 通信和实时数据查询。 随着计算机软件技术日新月异的发展，目前，各厂家的系统应用软件正不断 更新版本，如k j f 2 0 0 0 系统中心站应用软件版本2 4 0 和m s n m 局域网络终端应用软 件版本1 1 的操作界面全部实现了可视化和图形化功能，而且具备矿井采空区火灾 早期预测预报和专家决策分析功能；具备皮带运输机全线火灾监测功能；具备井 下瓦斯抽放监控功能。 1 3 2 局域网络 网络系统应用软件。抚顺分院开发率先开发的w e b g i s 数字化矿山安全监测 监管网络系统应用软件版本1 1 0 ，采用人性化设计，利用w e bg i s 技术使得大到省 煤矿安全生产监督管理局、矿业集团公司所辖各矿井分布位置，小到各矿采区工 作面实际尺寸及设备实际使用位置，以任意无限缩小或无限放大图形的形式达到 图形和数据的无缝集成和浏览；提供完备的安全监测与安全信息管理和监管功能； 建立煤矿基础数据库、对主要图纸( 通风系统图、采掘工程平面图、井下运输系 统、抽排水管路系统图、电气系统布线图等) 实现动态浏览；实现安全信息的共 享和设备隐患排查；安全信息的网上公开( 公司内部) ；安全隐患排查及信息发布 ( 如对各矿下达整改通知) 等。与w e b g i s 安全监测系统相配合，可实现对矿井 通风系统安全性分析、诊断、评价、管理及通风网络调整的科学决策。 1 3 3 煤矿监控系统井下分站 尽管各厂家的监控系统井下分站形式多样，但基本上具备了如下功能： 1 开机自检和本机初始化功能。 2 通信测试功能。 3 分站设程控功能( 实现断点仪功能、风电瓦斯闭锁功能、瓦斯管道监测功 能和一般的环境监测功能等) 。 4 死机自复位功能并且通知中心站。 5 接收地面中心站初始化本分站参数设置功能( 如传感器配接通道号、量程、 应用于煤矿安伞的a r m 7 。r 台设计 断电点、断电点、报警上限和报警下限等) 。 6 分站自动识别配接传感器类型( 电压型、电流型或频率型等) 。 7 分站本身具备超限报警功能。 8 分站接收中心站对本分站指定通道输出控制继电器实施手控操作功能和 异地断电功能。 1 3 4 系统配接的各种传感器控制器 传感器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。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、机电设各馈电状态、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。 实践表明，综合评价我国现有煤矿监测监控系统及配套传感器等设备的现场 应用效果，煤炭科学研究总院重庆分院的k j 9 0 、天地科技股份公司常州自动化分 公司的k j 9 5 、煤炭科学研究总院抚顺分院的k j f 2 0 0 0 和北京瑞赛公司的 k j 4 k j 2 0 0 0 等系统无论在软硬件功能、稳定性和可靠性、专业技术服务能力、企 业性质和生产规模等方面几本代表了我国煤矿监测监控系统的技术水平。 1 4 主要工作和论文结构 煤矿井下的环境是非常复杂和恶劣的，需要的工作设备和监测设备也非常之 多。井下检测环境的主要特点有【2 】： ( 1 ) 环境异常恶劣。系统的观测点多数都在井下和高压设备的环境中，受到较 强的电磁辐射和耐潮湿耐腐蚀的考验，不仅检测的准确度受到一定的干扰，而且 数据的传输也变得不那么可靠。 ( 2 ) 检测对象种类繁多。矿井下的很多环境参数都会牵涉到事故的发生。比如 通风不足造成瓦斯浓度过大可能导致瓦斯爆炸。一氧化碳浓度过大会导致井下工 作人员中毒，等等。所以每一项相关的参数都得测量并及时准确的传输到控制中 心，便于分析当前井下环境的安全程度，尽可能的避免煤矿事故。 ( 3 ) 测点分布广。测点分布不仅广，而且分布不均匀，从而使传感器信号和各 种检测信号传送变得复杂和困难。 ( 4 ) 需要中央监控室集中监测。系统观测项目多，测点分布广，一般设置在煤 矿调度室进行集中监测与控制，所以需要安全可靠的远距离传输。 这里列出部分的重要煤矿设备及其相关的测量控制参数【l 】： 4 硕l - 学位论文 ( 1 ) 考勤和巡检系统：实际上可以将考勤和巡检功能用一个系统来完成，不必 分成独立舯i 个系统。该系统已使用到射频读卡技术。整个系统用于人员安全和 记录管理。 ( 2 ) 安全环境监测系统：主要用于测量自然环境参数，如甲烷( 瓦斯) c h 4 浓 度、一氧化碳c o 浓度，二氧化碳c 0 2 浓度、风速风向、负压、温度、湿度、粉尘 浓度等。 ( 3 ) 变电所电力采集器：采集的电气参数为功率、电压、电流、电能等。非电 气参数为水仓液位、变压器油温、抽风机负压、料位等。 ( 4 ) 泵房控制器：泵的开停控制，甲烷( 瓦斯) c h 4 浓度、水位、湿度、粉尘 浓度和风门等。 ( 5 ) 皮带机：因皮带机埋机头、拉断皮带等事故时有发生，所以对其保护应加 强，实时监控煤位、防滑、巷道通讯、烟雾浓度等。 ( 6 ) i 作面：开停控制、甲烷( 瓦斯) 浓度、一氧化碳浓度、湿度、粉尘浓度 和风门等。 ( 7 ) 掘进头：开停控制、一氧化碳浓度、湿度、粉尘浓度、风速、风筒和风门 在盘 寸。 这些系统可能来自不同的厂家，有不同的通讯接口，控制方式各异，给整体 的管理带来了极大的不便。即使采用统一的接口，传统的r s 4 8 5 方式也已经不适 合如此大型的整体项目，当前形式迫切需要我们提出新的通讯解决方案。 本文介绍的就是基于以上情况设计了应用于煤矿安全的a r m 7 平台，针对当 前煤矿通讯的现状，提出了一种性价比非常高的现场通讯系统，即c a n b u s 总线 通讯方案，以解决煤矿监测系统的通讯问题。同时嵌入了c a n 总线和以太网互连 的中心节点或网关，极大的提高了总线的最大节点数和通讯范围。 第l 章绪论，技术背景和我国目前煤矿安全监测水平，一步一步分析，说明了 设计思想的来源；第2 章主要介绍了设计中所选取的芯片，c a n b u s 通信协议；第 3 章从整体上介绍了设计的最初考虑，以及电路原理设计，p c b 设计等；第4 章介 绍在i a re w 软件环境下基于uc o s i i 实时操作系统相关传感器的数据处理和总 线通信的实现，第5 章阐述软硬件调试的结果及遇到问题的解决方案；最后是全文 的结论，对电路的优缺点进行了介绍，指出了今后改进的方向。 应用于煤矿安全的a r m 7 平台设计 第2 章应用于煤矿安全的a r m 7 平台规划 2 1 系统设计初考虑 煤矿监控系统的设计原则： 1 开放性原则：设计的现场总线结构是开放性系统，实现与未来设备的更多 互连和互操作，且能方便地融于城市信息网络中。 2 先进性：煤矿监控系统应尽量采用先进技术产品设备，只有采用先进技术 设备，才能保证系统先进性。 3 可靠性：系统的可靠性是第一位的，在方案设计中必须充分考虑系统的安 全，依照安全国家标准采取安全管理措施，保证监控系统安全可靠运行。 4 经济性：系统的经济性是一个重要因素，使系统具有良好的性能价格比是 共缆监控系统设计的一个重要原则。 5 可扩展性：在系统需要扩展时，前端设备数量将灵活增加，不改变系统的 运行方式，以保证用户的投资安全。 6 实用性：采用高科技手段，进行智能化设计，尽量减少系统操作的复杂性， 并做到系统工作稳定可靠，维护简单：软件使用界面友好，完全达到智能化控制。 根据煤矿监控系统建设的要求和国家有关法规，煤矿监控系统的建设方案要 具有性能稳定、质量可靠、经济实用等特点，具有方便扩展、与数字电子信息系 统实现无缝连接，为实现高科技可视化安防系统的管理奠定基础。 2 2 方案确定 随着矿难的频发，煤矿安全问题已成为社会关注的热点。产生煤矿安全隐患 的原因有两个：一是对有害情况的监测和控制存在缺陷，二是煤矿中各种类型系 统相互独立，信息不互通。欲加强对煤矿生产的监管，就不仅对矿井设备的功能， 更对其通讯的实时性和可靠性提出更高要求。 但煤矿分为井上和井下，井下是没有信号的，如何处理井下信息呢? 可以使 用国际标准的工业级现场总线c a n b u s 。c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线最 早由德国b o s c h 公司提出，主要用于汽车内部测量与控制中心之间的数据通信。 由于传输可靠、实时性高，现已广泛应用于其他领域当中，如工业自动化、汽车 电子、楼宇建筑、电梯网络、电力通讯和安防消防等诸多领域，并逐渐成为这些 6 形! - j 学位论文 = 皇= = = = = = = = 窖_ _ _w_a一_l - - - - mm-mmw 暑= = = = = = = = = = = = = = = = = = = 皇= = = ! = = = = = = = = 行业的主要通讯手段。c a n b u s 用于煤矿井下通讯系统当中，不仅可以增强系统 的通讯可靠性、延长系统的距离、扩充系统的节点数，还能增强系统的实时性。 当井下监控装置检测到瓦斯浓度、风速超过限定值或主扇开、停或运行负荷变化 较大时，可以让管理者和主控设备能及时了解和及时处理，避免事故发生。 以煤矿领域的相关应用位背景，综合考虑各项要求，通过方案比较，采用基 于l p c 2 2 9 2a r m 7 控制器的嵌入式系统，在通讯方面，采用c a n 总线和以太网互 连系统的设计方案，实现c a n b u s 总线网和以太网的数据互连，以解决煤矿系统 的通讯问题。目前，c a n 总线与以太网连接方法有两种，一种是采用工业控制机 + 以太网，再加上p c 机插槽上的接口卡或并行打印口的e p p 接口卡来实现，该方法 的缺点是成本高且开发时间长。另一种是采用嵌入式网关( 中心节点) 来实现两 种网络的连接。第二种方法具有处理速度快、功耗小、可靠性高和价格低等优点， 设计采用第二种方法设计了一种c a n 总线与以太网互连系统。系统结构如图2 1 所示。 广域网或局域同 譬 图2 i 系统结构功能框图 整个监控系统又分为现场传感器监测点如图2 2 所示、监控中心( 中心节点) 如图2 3 所示以及远程监控管理中心。现场传感器监测信息与监控中心通过c a n 总 线通信进行信息交换，监控中心与远程监控管理中心通过以太网局域网交换信息。 现场传感器监测点有l p c 2 2 9 2 核心控制器、电源电路、传感器信号采样处理 电路、人机接口电路、复位存储电路、声光报警电路和双路继电器输出电路组成。 中心节点包括l p c 2 2 9 2 核心控制器、电源电路、c a n 总线接口、以太网接口、 人机接口和复位存储几个方面。用中心节点连接c a n 现场总线和以太网不仅使管 理深入到控制现场，同时给系统组网带来了很大的方便。不仅增加了现场传感器 应用于煤矿安伞的a r m 7 甲台设计 监测的节点数，还扩大了系统的组网范围。 图2 2 现场传感器监测点功能框图 c a n h c a n l 图2 3 中心节点结构框图 系统设计选用的主要芯片有a r m 7 内核的核心控制器芯片l p c 2 2 9 2 、高速 c a n 隔离收发器c t m l 0 5 0 t 、1 0 m 1 0 0 m 以太网通信控制器d m 9 0 0 0 、带e 2 p r o m 的手动自动复位芯片、低功耗且高效率的d c d c 电源芯片l m 2 6 7 4 和低压差l d o 硕十学位论文 稳压器s p x l1 1 7 系列芯片。前端传感器主要有一氧化碳c o 、甲烷c h 4 、氧气0 2 、 大气压力和温湿度等。 2 3 主要芯片介绍 2 3 1l p c 2 2 9 2 核心控制芯片 主控制器c p u 芯片l p c 2 2 9 2 是飞利浦公司生产的基于一个支持实时仿真和跟 踪的a r m 7 t d m i sc p u 的微控制器，其结构框图如图2 4 所示。 测试调试接口 系统时钟 部s r a m 控制器 1 6 k b s r a m 图2 4l p c 2 2 9 2 结构框图 c p u 内核工作电压1 8 v ，引脚工作电压3 3 v 。l p c 2 2 9 2 带有2 5 6 k b 的高速f l a s h 存储器，完全可以满足系统代码的容量，无需外扩存储器。l2 8 位宽度的存储器接 口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行，可以实现t c p i p 协 议栈中的a r p 、t c p 、u d p 、i c m p 等网络协议。l p c 2 2 9 2 内部集成了两个c a n 控 9 应用于煤矿安伞的a r m 7 平仃设计 制器，方便系统采用冗余设计【3 巧】。c a n 控制器主要特性有：单个总线上数据传输 速率高达1m b s ；3 2 位寄存器和r a m 访问；兼容c a n 2 ，0 b 和i s 0 118 9 8 1 规范；全 局验收滤波器可以识别所有1 1 位和2 9 位r x 标识符；验收滤波器为选择的标准标识 符提供了f u l l c a n s t y l e 自动接收。c p u 夕b 部静态存储控制器为c p u 内部总线和外 部存储器或外部i o 器件提供了一个接口，利用这种外部总线可以方便的与以太网 控制器进行连接。此外，a r m 7 t d m i s 处理器使用了一个被称为t h u m b 的独特的 结构化策略，它非常适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量 产品的应用。t h u m b 指令集的】6 位指令长度使其可以达到标准a r m 代码两倍的密 度，却仍然保持a r m 的大多数性能上的优势，这些优势是使用1 6 位寄存器的1 6 位 处理器所不具有的。这是因为t h u m b 代码和a r m 代码一样，在相同的3 2 位寄存 器上进行操作。t h u m b 代码仅为a r m 代码规模的6 5 ，但其性能却相当于连接到 1 6 位存储器系统的相同a r m 处理器性能的1 6 0 。 由于l p c 2 2 9 2 较小的14 4 脚封装、极低的功耗、2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和 4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、实时时钟和看门狗，多个串行接口，包括 2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0 k h z ) 和2 个s p i 接口。通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率，8 路1 0 位a d c 、2 路c a n 以及多达9 个外部 中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和p o s 机。在1 4 4 脚的封装 中，可使用的g p i o 高达7 6 ( 使用了外部存储器) 112 个( 单片应用) 。由于内置 了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软 m o d e m 以及其它各种类型的应用。 2 3 2c a t l0 2 5 带1 2 c 串j t 2 k 位e 2 p r o m 幂i ：i 手动复位监控芯片 c a t l 0 2 5 是基于微控制器系统的存储器和电源监控的完全解决方案。它利用 低功耗c m o s 技术将2 k 位的串行e 2 p r o m 和用于掉电保护的系统电源监控电路集 成在一块芯片内1 6 。存储器采用4 0 0 k h z 的1 2 c 总线接口。其功能框图如图2 5 所示。 c a t l0 2 5 包含1 个精确的v c c 监控电路和2 个开漏输出：r e s e t 和r e s e t 。 当v c c 低于复位门槛电压时，r e s e t ；3 i 脚将变为高电平，r e s e t 将变为低电平。 c a t l 0 2 5 还包含一个写保护输入( w p ) 。如果w p 接高电平，则写操作被禁止【6 j 。 c a t l0 2 5 的电源监控电路和复位电路可在系统上、下电时保护存储器和系统微控 制器，防止掉电条件的产生。c a t l0 2 4 2 5 都能够提供5 种不同的复位门槛电压， 可支持5 v ，3 3 v 和3 v 的系统。如果系统电源超出范围，复位信号有效，禁止系统 微控制器、a s i c 或外围器件的操作。在电源电压超出门槛电压后的2 0 0 m s 内，复 位信号仍保持有效。高电平有效和低电平有效的复位信号使c a t l 0 2 4 2 5 与微控制 器和其它i c 器件的连接变得很简单。另外，r e s e t 管脚或者独立的复位输入管脚 m r 都可以用作手动按键复位输入。 l o 硕j j 学位论文 v o c v s s s d a o o d o t r r a c k 起始停止 逻辑 复位控制器 精确的v o c 监视 监$ ! i j a m p s 移位寄存器 状态计数器 从地址比较器 r e s e ti r e s e ts c l 图2 5c a t l 0 2 5 功能框图 c a t l0 2 5 片内2 k 位的串行e 2 p r o m 构成l6 字节的页。另外，v c c 电压监控电路 提供了硬件数据保护功能，防止在v c c 降到低于复位门槛电压或上电时v c c 上升到 复位门槛电压之前对存储器的写操作。 2 3 3 电源芯片 1 l m 2 6 7 4 5 0 高效d c d c 转换器 l m 2 6 7 4 系列稳压器内置了l m d m o s 电路，包括获得专利的内部频率补偿( 专 利号5 3 8 2 9 1 8 和5 5 1 4 9 4 7 ) 和固定频率振荡器【7 j 。这些调整电路提供所有功能灵活 的开关降压( b u c k 型) 稳压器，能够驱动5 0 0 m a 的负载电流具有优良线路和负 载调节。仅需要少量的外围器件，简单易用，且效率高达9 6 。具有极宽的输入 电压范围( 8 v 至4 0 v ) ，t t l 关机功能，低功耗待机模式，热停机和电流限制保护 功能等。其典型应用如图2 6 所示。 2 s p x l l l 78 0 0 m a 低压差( l d o ) 稳压器 s p x l1 l7 为一个低功耗正向电压调节器，可以用在一些高效率，小封装的低功耗 设计中。这款器件非常适合便携式电脑及电池供电的应用【引。s p x l1 17 有很低的 静态电流，在满负载时其低压差仅为1 1v 。当输出电流减少时，静态电流随负载 变化，并提高效率。s p x l1 17 可调节，以选择1 5 v ，1 8 v ，2 5 v ，2 8 5 v ，3 0 v ， 3 3 v 及5 v 的输出电压。 为了确保s p x l1 17 的稳定性，输出端至少需要一个2 2 u f 的钽陶瓷电容或10 u f 应用于煤矿安全的a r m 7 平台设计 图2 6l m 2 6 7 4 典型应用 铝电容。其值可以根据输出负载温度范围的要求变动。e s r 的值取决于用来保持 稳定的电容类型。建议e s r 选取0 5q 或更小的值。也可以选用一个更大的输出电 容值( 1 0 0 u f ) 以增长负载瞬态响应。 2 3 4c t m l 0 5 0 t 高速c a n 隔离收发器 c t m l 0 5 0 是一款带隔离的高速c a n 收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需 的c a n 隔离及c a n 收、发器件1 9 】，这些都被集成在不到3 平方厘米的芯片上。无需 外加元件即可直接应用，非常方便简单。芯片的主要功能是将c a n 控制器的逻辑 电平转换为c a n 总线的差分电平并且具有d c 2 5 0 0 v 的隔离功能及e s d 保护作用。 其功能框图如图2 7 所示。 c a n g i 8 i s o d c 2 5 0 0 v( r m l 0 5 0 t 7 c a n 一 、 u 掣。忾 ” cv 烈6 。跫。 一 、0 v 洲。 一 6 c a n 肿 2 一1 一 、 c a n g ” cv c c t 柬x d 4 t _ j 。u 暖p啊厂 1 - 一r 硝v 0 i t a g c 圭 2【 i n，警滤驾r 一jn 叫 - f 品烹： 、苌滞 “ r r l i 工 g 1 如3 r jn f m me 踢覆i lr 。 一l 1 ) d o m i h h 蹦v iy c 墨边翟一ly 天 t i i l l e - o u tl l l n g l l c 一。一，意g c t m 0 5 0 t 芯片功能框图 合i s 0 1 1 8 9 8 标准，因此，它可以和其他遵从i s o l l 8 9 8 标准的c a n 收 发器互操作。该芯片可以连接任何一款can协议控制器，实现can节点的收 发与功能。在以往的设计方案中需要光耦、dcdc隔离、can收发器等其他 元器能实现带隔离的c a n 收发电路，但一片c t m l0 5 0 口芯片就可以实现带 隔离a n 收发电路，隔离电压可以达到d c2 5 0 v ，其接口简单，使用方便，是 嵌入统的理想选择。1 2 硕士学位论文 2 3 5d m 9 0 0 0 快速以太网控制处理器 要实现小型嵌入式设备的i n t e r n e t 接入，t c p i p 首先要解决的是底层硬件问 题，即协议的物理层。e t h e r n e t 具有成熟的技术、低廉的网络产品、丰富的开发工 具和技术支持，当现场总线的发展遇到阻碍时，以太网o 】控制网络技术以其明显 的优势得到了迅猛的发展，并逐渐形成了现场总线的新标准e t h e m e t 。考虑到 国内局域网大部分是以太网，随着交换式网络、宽带网络的发展，基于以太网的 嵌入式设备i n t e r n e t 接入应用有着现实意义。 在现有嵌入式系统中，大多数选用的是10 m b s 的以太网卡，其传输速率慢， 己不能再适应现在人们的要求。而其它1 0 1 0 0 m b s 网卡芯片或工艺复杂或成本较 高，不适应工业制造。而d m 9 0 0 0 是完全综合的、成本较低的单一快速以太网控 制器芯片，具有通用的处理器接口。它被设计为低功耗、高处理性能，而其设计 又非常简单，所以可以容易的完成不同系统的软件驱动开发。 d a v i c o m 公司的d m 9 0 0 0 ( a ) 是一个全集成、功能强大、性价比高的快速 以太网控制处理器，合成了m a c 、p h y 和m m u 。该处理器配备有标准1 0 m 1 0 0 m 自适应，16 k b 的s r a m ( 其中13 k b 作为接收f i f o ，3 k b 作为发送f i f o ) ，4 路多功 能g p i o ，掉电，全双工工作等功能。它采用单电源供电，可兼容3 3 v 、5 v 的1 0 接 口电平【1 1j 。其组成模块如图2 8 所示。 图2 8d m 9 0 0 0 ( a ) 功能框图 d m 9 0 0 0 ( a ) 物理层支持以太网接口协议。由于数据有时是以猝发形式收到 的，因此，d m 9 0 0 0 还集成有接收缓冲区，以便在接收到数据时能把数据放到这 个缓冲区中，然后由数据链路层直接从该缓冲区里取走数据。链路层通常包括操 作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，它们一起处理与电缆的 应用于煤矿安伞的a r m 7 平台设计 物理接口细节数据，它的缓冲区可用来暂时存储要发送或接收的帧。 d m 9 0 0 0 ( a ) 同样支持m i i ( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e 介质无关) 接口， 连接 ! 1 h p n a ( h o m ep h o n e 1 i n en e t w o r k i n ga l l i a n c e 家用电话网络联盟) 设备上 或其它支持m i i 的设备。 d m 9 0 0 0 ( a ) 包含一系列可被访问的控制状态寄存器，这些寄存器是字节对 齐的，他们在硬件或软件复位时被设置成初始值。 2 4 前端传感器介绍 2 4 1m j c 4 3 0 催化燃烧式气敏元件 加强对甲烷的监测监控，是煤矿安全生产非常重要的环节。甲烷检测的传感 器直接关系到煤矿安全监控系统的可靠性和灵敏度，是煤矿安全监控系统的眼睛， 对甲烷监测监控起着关键作用。 目前，国内煤矿所用的甲烷传感器绝大部分采用载体催化型，m c l12 型催化 元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个 臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压呈线性变化，该电压变量 随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参照比较及温湿度补偿作用。具有 响应速度快，良好的重复性和选择性，工作稳定可靠，并且抗h 2 s 中毒等特点【1 2 】。 广泛应用于工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃性气体和汽油、醇、 酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度监测。其典型应用电路如图2 9 所示。 图2 9m c 系列工业、便携、矿用电路 图中r w 为零点调节电位器，r 为增益电阻，调节r 可得到不同的放大倍数。 2 4 2c o m f 5 0 0 高灵敏度c o 传感器 c o 传感器采用瑞m e m b r a p o r 的c o m f 5 0 0 ，c o m f 5 0 0 与英国c i t y 的 1 4 硕】：学位论文 4 c f 、4 c 0 和a l p h a s e n s e 的c o - a 1 可以互换。内置过滤器，