（电力电子与电力传动专业论文）井下人员定位系统软件研究与开发.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 为适应煤矿安全生产的要求，结合煤矿生产实际，我们开发了一套井下人员 射频识别定位管理系统、该系统具有性能稳定，人员识别率高，误码率小，使用 方便，成本低等优点，对于煤矿安全生产，具有很重要的现实意义。 本文首先介绍了井下人员定位系统的概念，简述了其发展历程和工作原理。 结合我国井下人员工作现状阐述了井下人员定位系统对于现实煤矿生产的重要意 义及开发井下人员定位系统的紧迫性。说明了本人所从事的主要研究工作：井下 人员定位系统上位机软件设计( 包括数据集中器与上位机之间的串口通信、上位机 数据库建设) 。对于数据集中器与上位机之问的通信类型、通信标准、存取控制方 式与选择访问数据库技术方面提出了自己的设计思路并在实际工作中实现了自己 的设计方案。 接着，本文详细介绍了井下人员定位系统的软件设计关键技术，包括循环冗 余校验、串口通信实现过程中使用的多线程技术以及数据库建设当中使用的a d o 数据库访问技术，并且讨论了数据通信中校验方法、串口通信协议、a d o 操作数 据库的流程等问题，并给出了常见的数据库操作的实现模型。 第三，本文从软件部分设计的角度详细分析了井下人员进入某区域、离开某 区域、串口信息处理等三个关键方面的程序设计思想。同时对监测查询功能部分 设计思想及实现，统计考勤功能部分设计思想及实现，模拟显示功能进行了简要 介绍。 最后，就自己所从事的软件程序设计的调试过程作了简要的介绍，并就自己 所从事的井下人员定位系统的前景及工作中的不足进行了总结，提出了自己的一 些意见和建议。 关键词：定位，上位机，多线程，a d o 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o ra d a p t i n gt h er e q u e s to fs a f e t yp r o d u c t i o no fc o a lm i n e ，w eh a v ed e s i g n e das e t o fm i n ep e r s o n n e lp o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e do hr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 1 1 1 e s y s t e r nh a sa s t a b l ef u n c t i o n , a n dp e r s o n n e l - i d e n t i f y i n gr a t ei sh i g h , m i s t a k ec o d er a t ei s l o w u s a g ew i t ht h es y s t e mi sc o n v e n i e n t ，t h ec o s to ft h es y s t e mi sl o wc t c f o rs a f e t y p r o d u c t i o no f c o a lm i n e ，t h es y s t e mh a s av e r yi m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n g t 1 1 i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ec o n c e p to fp o s i t i o n i n gs y s t e mo fp e r s o n n e lu n d e r m i n e ，d e p i c t si t sd e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eb r i e f l y a n dc o m b i n i n g w i t h t h ee o n d i t i o no fo u rc o u n t r ym i n ew o r kp r e s e n t l y , t h i sa r t i c l ee x p a t i a t e st h ei m p o r t a n t m e a n i n gf o rr e a l i s mc o a ln t i n ep r o d u c t i o na n dt h ep r e s s u r et od e s i g nt h ep o s i t i o n i n g s y s t e mo fp e r s o n n e lu n d e rm i l l e t h e nt h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h em a i nr c s c a r e ht a s ko f m y s e l f ：u p p e rc o m p u t e rs o r w a r ed e s i g n , i n c l u d i n gs e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n d a t ac o l l e c t i o nd e v i c ea n d u p p e rc o m p u t e r a n d u p p e rc o m p u t e rd a t a b a s e c o n s t r u c t i o n f o rt h ec o m m u n i c a t i o nt y p eb e t w e e nd a t ac o l l e c t i o nd e v i c ea n du p p e r c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d , k e e p i n ga n dg e t t i n gc o n t r o lm o d ea n dc h o o s i n go n e t e c h n o l yo fa c c e s s i n gd a t a b a s e , t h i sa r t i c l eg i v e si t sd e s i g nt h o u g h tm e t h o d ，a n dh a s r e a l i z e dt h ed e s i g np r e c e p ti np r a c t i c a l i t yw o r k t h e nt h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ek e ys o r w a r ed e s i g nt e c h n o l o g yo fp o s i t i o n i n g s y s t e mo f p e r s o n n e lu n d e rm i n ei nd e t a i l ，i n c l u d i n gc y c l er e d u n d a n c yc h e c l m u l t i - t h r e a d t e c h n o l o g yu s e di ns c r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o na n da d od a t a b a s ea c c e s st e c h n o l o g y u s e di nd a t a b a s e c o n s t r u c t i o n , a n d d i s c u s s e s c h e c k i n g m e t h o do nd a t a c o m m u n i c a t i o n ，s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h ef l o wa b o u to p e r a t i n gd a t a b a s e 诵t ha d o a n dg i v e sa ni m p l e m e n tm o d e lo f c o n n n o nd a t a b a s eo p e r a t i o n s h la d d t i o n , t h i sa r t i c l ea n a l y s e si nd c t a i la b o u tp r o g r a md e s i g nt h o u g h to ft h e s e t h r e ek e ya s p e c t s ：p e r s o n n e lu n d e rm i n ee n t e r ss o m ea na r e a ，l e a v e ss o m ea na l g aa n d h o wt od e a lw i t hs e r i a lp o r ti n f o r m a t i o n a tt h es a m et i m et h i sa r t i c l ea l s ob r i e f l y i n t r o d u c e st h ed e s i g nt h o u g h ta n di m p l e m e n ta b o u tm o n i t o r i n ga n dq u e r y i n gf u n c t i o n p a r t ，s t a t i s t i ca n dc h e c k o nw o r ka t t e n d a n c ef u n c t i o np a r t ，a n ds i m u l a t i o ns h o wf u n c t i o n p a r t i nt h ee n d , t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ed e b u g g i n gp r o c e s so ns o f t w a r ep r o g r a mw h i c h iu n d e r t a k ei n e t h et a s k , a n ds u m su pt h ew o r kf o r e g r o u n da n dt h es h o r t a g ei nt h ew o r k o f p o s i t i o n i n gs y s t e mo f p e r s o n n e lu n d e rm i n e ，a n dg i v e sm yi m p r o v e m e n ta d v i c e k e y w o r d s ：p o s i t i o n i n g ，u p p e rc o m p u t e r , m u l t i t h r e a d ，a d o h 佩l j l 童工案火秀 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：弘彳日期：幽习年，月，日 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，即：学校有权保留 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 权湖北工业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。 学位论文作者签名：社；【 日期：如许月y 日 指导教师签名：参竽长幸丰 日期：2 哆年，月2 日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第1 章引言 我国煤炭资源丰富，在未来相当长的时期内，以煤炭作为主要能源的战略地 位不会改变。煤炭的开采分为露天开采和井下开采，当前我国主要是通过井下开 采来生产煤炭。井下工作的危险性相对于其他工作方式要高，虽然近些年来随着 国家对煤矿安全的日益重视和监管力度的不断加强，我国大中型煤矿及众多乡镇 小煤矿均已大量装备了煤矿安全生产监控系统，极大地改善了我国煤矿安全生产 状况，有效遏制了重特大瓦斯煤尘爆炸事故的发生。但煤炭安全生产的形势依然 比较严峻，几乎每年都有特大煤炭安全事故发生，严重制约我国社会经济的发展， 同时给国家、社会带来了巨大的损失，增加了社会的不稳定因素。事故随时都有 可能发生，事故发生后必须采取果断措施进行处理，但鉴于目前国内煤矿生产的 现状，井上与井下的监控、通讯手段由于受各种条件的限制，还很不完善。目前 还普遍存在着井下人员管理困难，井上管理人员难以及时准确掌握井下人员的分 布及作业情况，一旦发生事故，抢险救灾、安全救护的效率低，特别是事故发生 后对矿井人员的抢救缺乏可靠的位置信息；同时对矿井的一些关键岗位也不能有 效监督，时有瓦斯检测员不按规定时问、地点检测瓦斯，甚至人为填报瓦斯数据 的情况，给煤矿安全生产带来隐患i l 】。由于不能及时了解井下的情况，导致不能及 时、准确地得到事故发生时井下人员的信息，无法做出正确的决策，以致于导致 抢救作业时的盲无目的，往往耽误了宝贵的抢救时机。 井下人员定位系统就是基于上述原因提出的，经过我们的调研以及武汉兴业 华德威消防安全检测有限公司工程师的介绍，我们国内的现代化矿井当中目前未 见有类似监测系统。我们在广泛调研的基础上，提出了该系统的设计方案，其功 能可以满足现代化矿井的安全监控要求，对煤炭的安全生产可起到促进作用。 我们提出的这套系统设计方案，依靠安置在井下不同位置的身份码监测站接 收井下矿工随身携带的身份码发射器发射的无线信号，经过数据集中器把数据及 时传输到上位机。这样在地面就能及时地了解到井下不同区域的人员活动状况。 平时可以用来调度生产做出优化决策，提高生产指挥效率。如果井下有突发事故， 可以即时通过主机实时查出井下各个位置的人员状况。这样就能够为做出及时的 抢救决策准备可靠依据，减少救援的盲目性，大大减少事故损失。 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 课题的意义 煤矿的现代化管理和安全性生产是煤炭行业举足轻重的大事。在管理和安全 方面，有效的人为管理就转变成了一个关键的问题。长期以来，大部分的矿井井 下都是连续生产，然而煤矿井下的人员工作状况如何，是否疲劳工作等一直都是 不易查清的问题。截止目前，即使是我国的现代化矿井的管理，也只能是依据矿 灯数量来对应判断井下人员的状况。一旦发生突发性事故，由于一时难以掌握井 下人员的分布状况，因而给事故的救援造成困难，甚至于造成不应有的损失。井 下人员定位系统，是煤矿井下安全管理向科学化、信息化方向发展的需要，每个 煤矿都有安装该系统的必要性 2 1 。目前我国有1 0 0 0 多个矿井以及其它类型的矿井 需要安装该系统，因而本套系统国内的需求量十分可观。设计本套系统时我们尽 可能地使用性价比高的电子类芯片产品，成本较低，煤矿企业更容易接受，我们 估计会取得较好的经济效益。将本系统应用到煤矿的生产调度、抢险救灾和寻找 失踪人员中，可以大大提高煤矿的生产调度和安全管理水平，使生产调度更加及 时准确，从而减小事故和自然灾害造成的损失，因此矿井的管理水平可以得到大 大提高。 1 3 国内外研究现状 国外研制矿井计算机监控系统始于2 0 世纪6 0 年代，我国则开始于2 0 世纪8 0 年代后期，起步较晚。因为计算机必须发展到微型化，以及价格能够承受的阶段， 才会使得该产品在工业生产中得到应用。为了加快实现煤炭工业现代化管理的步 伐，我国先后从美国、英国、德国、法国、加拿大引进了数十套监控系统，如美 国的s c a d a 系统、英国的m i n o s 系统、德国的t f 2 0 0 系统、法国的c r r 6 3 4 0 u 系统、加拿大森透里昂系统。这些系统在我国煤炭行业中发挥了作用，也为我国 研制矿用监控系统提供了很好的借鉴。上述系统均是综合型监测系统，但侧重于 安全参数的检测和控制。同时，这些系统还存在如下的问题： ( 1 ) 性价比过低，即系统价格过高，难以承受。 ( 2 ) 监测机的系统软件在文档处理上有些不符合中国国情。 ( 3 ) 井下工作站体积、重量比较大。 ( 4 ) 技术服务上有缺憾。 ( 5 ) 有些系统的技术并非一流。 自从我国引入上述系统后，相继出现了仿制国外的系统如k j 4 系统等，以及 湖北工业大学硕士学位论文 我国自研的系统，如k j z 、k j 2 2 ，河南理工大学研制的k 2 9 3 矿井安全生产监控系 统等，只是这些系统主要也是侧重于安全参数的检测。 随着社会的进步，科技的发展和煤矿安全生产的需要，二十世纪末煤矿监控 监测技术有了长足的进步，开始研究井下人员定位技术。1 9 9 1 年南非德比尔公司 的芬什( f i n s c h ) 矿山使用的地下矿铲运机自动测位系统1 3 。该系统使用一种与装在 顶板上的一组红外线邻近效应探测器连接的标志环网络，这些探测器布置在该矿 四周的关键位置，当车辆通过某探测器下面时，装在车上的红外线发射器向该探 测器发射一个识别该机车的数码，这个数码被传到一个控制着调度过程的中央计 算机。红外线探测器之间需要设置识别环网络，这意味着基础设施费用提高，并 且系统的灵活性较差。1 9 9 4 年在南非普雷米尔( p r e m i e r ) 金刚石矿安装了一种微波 信标系统1 4 】。它包括一个车上安装的监测器，该监测器连续探测设在矿山周围各关 键点的微波信标是否出现，该信标为圆柱形，用电池供电，发射超过3 m 范围的统 一调制识别信号。1 9 9 5 年澳大利亚芒特艾萨矿业公司开发了一种基于射频识别 但f i d ) 技术的人员探测系绀5 1 ，用于监测矿工是否进入危险地带。这个系统使用顶 板安装的天线，用来监控装在每个矿工帽上的小型无源信标，进而可以知道各个 天线所覆盖范围内的人员情况。以上这些系统可以在一定范围内实现对机车或者 人员的跟踪，只是昂贵的系统造价是不能接受的，所以我们致力于开发一种价格 低廉，性能可靠的实时人员安全系统。 1 4 系统主要性能 ( 1 ) 人员监测查询功能： 可查询当前井下人员的数量及区域分布情况。 任意指定井下人员在当前或指定时刻所处的区域。 任意指定井下人员当天或指定日期的活动踪迹。 选定某一区域可以获得当前该区域的人员信息。 选定某一监测站可以获得经过该监测站所有的人员信息。 可对特定的人员进行实时跟踪( 其精度与监测分站的多少有关) 。 ( 2 ) 超时报警功能：通过设定下井时间闸，对下井超过一定时间的人员提示报 警，并给出相关人员的名单等信息。 ( 3 ) 统计考勤功能：可具体显示每个下井人员确切的下井时间和上井时间。并 根据岗位( 规定足班时间) ，判断不同岗位的人员是否上足班，从而确定其该次下井 是否有效。在月统计报表中对下井时间、下井次数( 有效次数) 分类统计，便于考核。 湖北工业大学硕士学位论文 1 5 主要技术性能指标 ( 1 ) 主机与分布式系统的技术指标 地面上位机：p c 机 系统网络结构：主从分布式 主机与检测站间的通讯方式：异步半双工 主机与检测站间的通讯速率：1 2 0 0 b i t s 检测站容量数：0 - 1 2 7 个 ( 2 ) 身份码监测站的技术指标 无线频段：4 3 3 9 2 m h z ( 发射) 4 3 4 3 3 m h z ( 接收) 接入方式：时分多址 调制方式：f s k 调制 检测距离：5 0 米 ( 3 ) 身份码发射器的技术指标 无线频段：4 3 4 3 3 m h z ( 发射) 4 3 3 9 2 m h z ( 接收) 调制方式：f s k 方式 发送距离：正常时5 0 米 供电电源：矿灯5 0 v d c 1 6 本文完成的主要工作 井下人员定位系统主要完成的工作是井下的身份码监测站对人员信息进行采 集，然后经过数据集中器将关键数据通过串口通讯传送到上位机，上位机对接收 到的信息进行存储、查询和模拟显示。因此，本系统主要有三个方面的内容：身 份码监测站和身份码发射器的设计( 主要完成无线数据发送与接收) 、身份码监测站 与数据集中器之间的数据传输、数据集中器与上位机之间的数据通讯、上位机数 据库的建设和管理。本论文主要完成数据集中器与上位机之间的数据通讯，上位 机数据库的建设。 4 湖北工业大学硕士学位论文 2 1 系统概述 第2 章系统总体设计 本系统要可靠地工作、确切完成要求的各项功能，应具备两个条件： l 、当人员经过身份码监测站时，其身份信息必须被身份码监测站检测到，然 后传输到数据集中器的数据缓冲区。 2 、上位机( 监控计算机) 和数据集中器之间进行有效的数据通讯，将数据集中 器缓冲区中的人员信息取出，存放在上位机建立的数据库中，并存储人员的历史 信息，以备日后查询。 要实现这两个条件，本系统必须完成下面的两个部分工作： ( 1 ) 身份码发射器、身份码监测站和数据集中器的硬件、软件设计。 ( 2 ) 上位机和数据集中器的串行通讯以及上位机数据库软件的编制。 井下人员定位系统是确定井下人员活动区域的自动检测系统，系统的总体结 构如图2 1 所示。 由图2 1 可知该系统主要由身份码发射器、身份码监测站、数据集中器、系 统总线、通讯接口、上位机等部分组成。n 台身份码监测站安装于井下各巷道及 工作面附近的关键部位，分别挂接在系统总线上，并通过通讯接口与数据集中器 进而与上位机进行通信，构成一个主从分布式计算机检测系统。 图2 1 井下人员定位系统 5 湖北工业大学硕士学位论文 上位机( 监控计算机) 可采用高性能的工控计算机，以增强其适应工业环境和连 续工作时的可靠性，研究开发一套实时多功能监测软件，操作系统使用多任务、 界面熟悉的w m d o w s 操作系统，实时多功能监测软件的编写采用v c 抖编程语言， 可满足本系统的要求。其显示的主要内容有如下6 类： ( 1 ) 显示被查询人员当前或者指定时刻所处的区域。 ( 2 ) 显示任意指定区域内当前活动人员的数目以及具体信息( 包括姓名、下井 时刻、工作时间等) 。 ( 3 ) 显示经过井下任意指定区域当日或者指定日期的人员踪迹信息。 ( 4 ) 显示井下任意指定区域当日或者指定日期里的人员活动时间信息。 ( 5 ) 显示当前井下超时工作的人员信息。 ( 6 ) 显示指定日期范围内人员的工作信息( 包括下井次数，工作时间等) 。 上述功能可以通过一个功能完备的数据库来实现，同时为了更好地确定人员 位置和人员的分布情况，可以调用矿井的剖面图进行查看，在矿井的剖面图中标 注出不同身份码监测站的具体位置，通过身份码监测站可以查看人员的分布信息。 本文主要针对上位机与数据集中器之间的数据通讯及上位机对于数据的处理 进行讨论。 2 2 方案选择 2 2 1 确定通信类型 数据通信常见有串行通信、r j - 4 5 端口通信、u s b 通信等几种类型。其中r j - 4 5 端口通信使用的双绞线成本较高，同时双绞线及其水晶头在实际应用中容易损坏， 维修时比较麻烦。u s b 通信的通信速率高但是使用的数据线同串口数据线相比多 出2 根，同时u s b 接口技术比较复杂，当前为u s b 设备开发设备驱动技术尚不成 熟。串行通信使用串口数据线构造简单，方便维修，成本低廉，可以传输1 1 0 b i t s 1 9 2 0 0 b i t s 范围内的波特率，上述通信波特率完全可以满足本系统的通信要求。综 上所述，本系统采用串行通信类型。 2 2 2 选择串行通信标准 常用的多点串行通信标准有r s 一2 3 2 c 标准和r s - 4 8 5 标准。 r s 2 3 2 c 标准是美国电子工业协会e i a ( e l e c l r o n i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 与 b e l l 等公司一起开发，于1 9 6 9 年公布的通信协议，它适合于数据传输率在o 2 0 0 0 0 b i t s 范围内的通信。r s 2 3 2 c 通讯标准规定逻辑”l ”为1 5 v 3 v ，逻辑0 为 湖北工业大学硕士学位论文 + 3 v + 1 5 v ，而不采用r r l 逻辑( o 5 v ) 是为了提供抗干扰能力和增加传送距离。 由于传号( 逻辑1 ) 和空号( 逻辑0 ) 状态用相反的电压表示，其间有6 v 的电压差， 这就极大地提高了数据传输的可靠性。r s - 2 3 2 c 标准允许的连接电缆不超过5 0 英 尺( 约1 5 m ) ，若能保证电缆总电容小于2 5 0 0 p f , 贝z je g 缆长度可超过此限定值。这个 电容限制了传送距离和传送速率，且t r l r s 2 3 2 c 转换电路属非平衡电压型线电 路，不具备抗共模干扰特性。因而在一般情况下，r s - 2 3 2 c 只用于短距离( 1 5 m 内) 通讯。当然如果要进行远距离传送，需要加调制解调器。 r s - 4 8 5 接口标准与r s - 4 2 2 a 标准类似，是一种平衡传输方式的串行接口标准。 它与r s - 4 2 2 a 兼容，并且扩展了r s - 4 2 2 a 的功能。在r s - 4 2 2 a 中只允许电路有一 个发送器，而r s - 4 8 5 标准允许在电路中有多个发送器。它允许一个发送器驱动多 个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器组合单元。r s - 4 8 5 工 作方式是半双工，在任一时刻只允许一个发送器发送数据，其他模块均处于接收 转台，即回路中各发送器都受使能信号控制，当用于多站互连时，可节省信号线， 便于高速远距离传送。因此r s - 4 8 5 标准支持多点连接，允许创建多达2 5 6 个节点 的网络，当然可以在网络中增加中继器，以扩大网络节点数量和系统监控范围。 r s - 4 8 5 标准支持半双工通信，即只需要两根线就可同时进行数据的发送和接收， 系统成本低，线路简单。同时r s - 4 8 5 通信协议属双向、平衡传输线标准，允许在 平衡电缆上连接3 2 个发送器，接收器。在采用双绞线不用m o d e m 时，传输速率为 1 0 0 k b i t s 时传送距离可达1 2 0 0 m ；若传输速率为9 6 0 0 b i 体，传送距离可达1 5 0 0 m 。 在本系统中，身份码监测站位于矿井下，数据集中器位于地面上，两者之间 的距离介于近距离( 2 0 m 内) 和远距离( 2 k i n 外) 之间，此时应选用r s - 4 8 5 串行接口 标准。而数据集中器和监控上位机都位于地面上，两者之间距离完全可以设置在 1 5 m 内，这样就控制在r s - 2 3 2 c 的传输范围内，因此应选用r s 2 3 2 c 串行通信标 准。 2 2 3 选用线电路 数字信号的传输会随着传输距离的增加和信号传输速率的提高，受到传输线 上的反射、串扰、衰减和共地噪声等影响，将会发生畸变，从而限制通讯距离。 普通r r l 电路由于驱动能力差，输入电阻小，灵敏度低以及抗干扰性能差，因而 它的信号传输距离较短。本系统需要在井下与地面之间进行数字信号传输，所以 需要选用适合总线系统能与长距离通信数据线进行接口的专用线路线电路( 线 电路是指一个系统内部或在几个系统之问与总线相接的用于数字通信的专用集成 电路，可以向传输线发送和接收信号) 。 湖北工业大学硕士学位论文 线电路可归纳为三类：单端非平衡型线电路、通讯专用接口电路、差分平衡 型线电路。 单端非平衡型线电路，例如s n 5 4 1 2 8 ，s n 7 4 1 2 8 驱动器等，可与低阻抗的同轴 传输线匹配，信号以下r l 电平传送。这类电路的特点是以非平衡方式传输，流经 的线电流较大，传输距离有限，一般是几十米到上百米。 通讯专门接口电路专用于通讯，例如t t l r s 2 3 2 c 转换电路( m a x 3 2 3 2 等) ， 就属于这一类。这类接口电路适用于r s 2 3 2 c 通讯标准信号的传输。 差分平衡型线电路适合作为r s 4 8 5 瓜s 4 2 2 a 通讯标准的接口电路。这两种标 准规定平衡发送和差分接收：即在发送端，驱动器将r r l 电平信号转换成差分信 号输出；在接收端，接收器差分接收，将差分信号变成r r l 电平。通过平衡发送 器将逻辑电平变成电位差，完成始端的信息传送；通过差动接收器，将电位差变 换成逻辑电平，实现终端的信息接收。由于采用双线传输，大大增强了抗共模干 扰的能力，这弥补了r s 2 3 2 c 的不足，大大提高了传送距离和传送速率。 本系统身份码监测站与数据集中器之间选用r s - 4 8 5 串行通信接口标准的差分 平衡型线电路，抗干扰能力强，接收器可检测低达2 0 0 m v 的信号，传输数据可从 千米以外得到恢复，因此特别适用于远距离通讯，通讯系统能稳定可靠运行。 2 2 4 确定网络拓扑结构 网络拓扑的基本结构包括三种： 星形网 星形、环形和总线形，如图2 2 所示。 环形网 总线形网 o 抖 图2 2 网络拓扑结构图 星形网属于中央控制类型，网上一切通信都要通过中央控制节点控制，当中 央节点发生故障时，整个系统可能瘫痪，并且在大量数据通信时，中央控制节点 将出现通信“瓶颈”阻塞现象，实时性较差。 环形网是网上节点以点对点顺序相连而形成的环路形式，从信源到目的节点 沿单一方向点对点通信。其缺点是当某一节点故障时，会影响信息通路，从而影 响通信的可靠性。另外，要从环形网上加入新节点或撤除旧节点，必须断开网络 而中断通信。 湖北工业大学硕士学位论文 总线形网属于公共通道类型，各节点共享一条物理通道总线，各节点通 过总线直接通信，速度快，开销小，容易加入新节点或撤除旧节点，某一节点故 障时，不影响整个系统通信，两站通信不存在路由选择，传播延迟与站点无关。 但在某一时刻，网上仅由一个站点发送信息，因此对介质访问应规定严格的控制 协议州。 综上分析，根据本系统的实际需要，存在增加或撤除井下身份码监测站的操 作，以及现场对通信系统高可靠性、高实时性的要求，系统现场总线网络的拓扑 结构选用总线形。 2 2 5 选择现场总线网络的存取控制方式 选用总线形式的网络时，必须对介质访问规定某种控制协议，即规定网络的 存取控制方式。网络的存取控制的基本方式有三种：争用传送方式、主从控制方 式、令牌传送方式1 7 j 。 争用传送方式是指总线网中每个节点在任一时刻都可以通过总线传送信息的 一种介质存取控制方式，它包括侦听、访问及冲突检测，协议内容复杂，每个要 求发送的节点须先对总线进行侦听，确认总线上无信息传送时才能发送，如有冲 突则要等一段时间后再行发送。在负载重的情况下，冲突次数将增多，响应时间 长，实时性变差。 主从控制传送方式是指当网络上节点明显具有上下级特征时所使用的信息传 送方式，由主节点控制向指定节点发送或接收信息。 令牌传送是指网络上节点轮流占用总线的信息传送方式，令牌通过网内节点 产生，从一个节点传到下一节点，只有得到令牌的节点才有权使用总线。令牌方 式及主从方式因有令牌或主节点控制，都不存在争用总线的访问冲突问题，但令 牌方式下，要进行令牌产生、令牌丢失及唯一性等维护工作，增加了协议复杂性。 井下人员定位系统中，各个身份码监测站之间相互无关联，因此它们之间不 存在信息交换，仅要求在数据集中器控制下将各个身份码监测站人员信息传送到 监控中心供处理，因此不宜选用令牌方式；采用主从控制传送方式更为合理，主 控计算机为网络主节点，井下各个身份码监测站为网络中的从节点，在数据集中 器的控制下完成信息传送。 2 2 6 选择访问数据库技术 本系统中监控上位机需要处理大量数据，需要进行数据库操作，如数据插入、 数据删除、数据修改、数据查询等。在v c + + 下开发数据库应用程序可以使用的数 9 湖北工业大学硕士学位论文 据库访问技术多种多样，这些技术各有自己的特点，它们提供了简单、灵活、访 问速度快和可扩展性好的开发技术嗍。v c + + 提供的主要访问数据库技术如下： ( 1 ) o d b c ( o p c nd a t a b a s ec o 衄e c t i v 酊，开放数据库互连【9 1 ) ：微软开放服务结 构( w o s a ) 中有关数据库的一个组成部分，它建立了一组规范，并提供了一组 对数据库访问的标准a p i ( 应用程序编程接口) 。o d b c 为不同数据资源提供一 个标准接口，不同的数据库均可用o d b c a p i 进行访问。 ( 2 ) m f co d b c ( m i c r o m f ff o u n d a t i o nc l a s s e so d b c ) ：v i s u a lc + + 的m f c 提供 了一些类，对o d b c 进行了封装，以简化o d b ca p i 的调用，这些m f c0 d b c 类使得o d b c 编程的复杂性大大降低。 0 ) d a o ( d a t aa c c e s so b j e c t ，数据访问对象) ：是一组m i c r o s o f ta c c e s s j e t 数据 库引擎的c o m 自动化接口。d a o 直接与a c c e s s j e t 数据库通信，通过j e t 数 据库引擎，同时能够与其他的数据库进行通信。 ( 4 ) o l ed b ( o b j e c tl i n ka n de m b e d d i n gd a t a b a s e ) ：是u d a ( u m v e r s md a t a a c c e s s ，微软推出的一致数据访问技术【l 川) 的核心，建立了系统级数据访问的 标准c o m 接口，还提供了一组标准的服务组件，用于提供查询、缓存、数据 更新和事务处理等操作。 ( 5 ) a d o ( a c t i v e x d a t a o b j e c t ) ：是应用级的编程接口，以o l e d b 为基础，对 o l ed b 进行了封装i 】。为不同的数据库提供了一个通用接口，适用于单机或 者网络中的接口。 要确定数据库访问应采用的技术一般应该考虑以下因素： ( 1 ) 数据源类型。 ( 2 ) 访问速度。 ( 3 ) 是否需要底层控制。 ( 4 ) 功能，代码比。 各种数据库访问技术之间的比较如表2 1 所示： 表2 1 数据库访问技术性能 o 湖北工业大学硕士学位论文 从上表可以看出，对于需要进行底层控制的情况，当选用o d b c 或者o l ed b 访问技术；d a o 技术在访问m d b 格式文件的数据库( 微软推出的a c c e s s 数据库) 时非常方便，访问其他数据库时要通过a c c e s s j e t 数据库引擎，这种过多的接口层 次严重影响其访问速度；对于无需进行底层控制【1 2 】的情况，a d o 技术优势明显， 如易于使用、兼容性广泛、扩展性良好、支持事务处理和存储过程等。 选择a d o 和m f co d b c ( o d b c ) 时，一般应遵循以下规则： ( 1 ) 如果要访问支持o d b c 的数据库，而该数据库又不在支持o l e 的服务器 上，那么只能选择o d b c 。 ( 2 ) 对于支持o l e 的服务器来说，应首先考虑使用a d o ( o l ed b ) ，除非有 现成的o d b c 驱动程序供使用。 ( 3 ) o d b c 在处理s q l ( s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e ，即结构化查询语言) 时能力 较强，处理非s q l 数据库时，a d o ( o l ed b ) 优势明显。 ( 4 ) 对于访问量很大的数据库服务器以及要求访问速度较快的情况，应使用 a d o ( o l ed b ) 。 ( 5 ) 如果需要客户直接操作数据库，那么只能选择a d o ( o l ed b ) 。 在井下人员定位系统中，可以选用的数据库类型如s q l s e r v e r 、m s a c c e s s 、 o r a c l e 等。考虑到当前办公系统( 包括矿山值班室监控计算机) 中普遍安装了m s o f f i c e 办公软件，而且项目合作方要求使用m sa c c e s s 数据库，因此使用a c c e s s 数据库。本系统需要处理大量下位机传送过来的数据，而且要求更新查询数据速 度快，同时需要客户直接操作数据库进行管理工作，因此我们处理整个数据库都 采用a d o 数据库访问技术。 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章软件设计关键技术 本系统软件部分包括下位机软件程序与上位机软件程序两部分。其中下位机 软件程序设计数据集中器接收身份码监测站发送的身份与区域信息，并且及时将 接收到的信息发送到上位机。上位机完成接收下位机发送的信息，并且将接收到 的信息及时存储到数据库中，同时负责及时数据库数据更新、添加、删除、查询 等任务。本文讨论以下内容：身份码监测站与数据集中器之间数据校验方法一 循环冗余校验( c r c 校验) 、数据集中器与上位机之间串口通信实现和数据库操作。 3 1 循环冗余校验 3 1 1 检错与纠错 在通信线路上传输信息时，往往由于噪声或瞬时中断等干扰，接收端收到的 信息会出现概率性错码。 为了提高通信系统的传输质量而提出的有效的检测错误，并进行纠正的方法 叫做差错检测和校正，简称为差错控制1 1 卦。差错控制的主要目的是减少通信信道 的传输错误，目前还不可能做到检测和校正所有的错误。人们在设计差错控制的 具体方法时提出两种策略：第一是让每个传输的报文分组带上足够的冗余信息， 以便在接收端能发现并自动纠正传输错误，即纠错码方案。第二是让报文分组仅 包含足以使接收端发现差错的冗余信息，但不能确定哪一比特是错的，并且自己 不能纠正传输差错，即检错码方案。纠错码方案虽然有优越之处，但实现复杂、 造价高、费时间，一般的通信场合不易采用。检错码虽然需要通过重传机制达到 纠错，但原理简单、实现容易、编码与译码速度快，目前正得到广泛的使用。 3 1 2c r c 校验原理 常用的检错码有两类：奇偶校验码与循环冗余编码( c r c ) 。 奇偶校验码是一种最常见的检错码，它分为垂直奇偶校验、水平奇偶校验与 水平垂直奇偶校验( a o 方阵码) 。奇偶校验方法简单，但检错能力差，一般只用于通 信要求较低的环境。 c r c 的英文全称为c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ( c o d e ) ，中文名称为循环冗余校 验( 码) 。它是一类重要的线性分组码，编码和解码方法简单，检错和纠错能力强， 湖北工业大学硕士学位论文 在通信领域广泛地用于实现差错控制i i “。 在数据存储和数据通讯领域，c r c 无处不在：著名的通讯协议x 2 5 的f c s ( 帧 检错序列) 采用的是c r c c c i t t ，a r j 、l h a 等压缩工具软件采用的是c r c 3 2 ， 磁盘驱动器的读写采用了c r c l 6 ，通用的图像存储格式g i f 、t i f f 等也都用c r c 进行检错。 c r c 校验码的基本思想是利用线性编码理论，在发送端根据要传送的k 位二 进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的监督码( 既c r c 码) r 位，并附在信息 后边，构成一个新的二进制码序列数共( k + r ) 位，最后发送出去。在接收端，则根 据信息码和c r c 码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错【嘲。 c r c 的本质是模2 除法的余数，采用的除数不同，c r c 的类型也就不同。通 常，c r c 的除数用生成多项式来表示。最常用的c r c 码的生成多项式有 c r c l 6 ，c r c 3 2 。 以c r c l 6 为例，1 6 位的c r c 码产生的规则是先将要发送的二进制序列数左移 1 6 位( 既乘以2 a 1 6 ) 后，再除以个多项式，最后所得到的余数既是c r c 码，如下 式所示，其中k o p 表示n 位的二进制序列数，g 0 p 为多项式，q ( 习为整数，r ( 冯 是余数( 既c r c 码) ，可以表示为k ( ) ( ) 1 6 ：g ( x ) q ( x ) + r ( x ) 。 求c r c 码所采用模2 加减运算法则，是不带进位和借位的按位加减，这种加 减运算实际上就是逻辑上的异或运算，加法和减法等价，乘法和除法运算与普通 代数式的乘除法运算是一样，符合同样的规律。 接收方将接收到的二进制序列数( 包括信息码和c r c 码) 除以多项式，如果余 数为0 ，则说明传输中无错误发生，否则说明传输有误。用软件计算c r c 码时， 接收方可以将接收到的信息码求c r c 码，比较结果和接收到的c r c 码是否相同。 c r c 生成多项式g ( x ) 由协议规定，目前已有多种生成多项式列入国际标准中， 例如： c r c 1 2 c r c 1 6 c r c c c i t t c i 己c 3 2 g ( x ) = x 1 2 + x 1 1 + x 3 + f + x + 1 g ( x 产- - x 1 6 + x 1 5 + x 2 + 1 o ( x ) = x 1 6 + x 1 2 b x 5 + 1 g ( x 产x 3 2 + x 2 6 + x 2 3 + x 2 2 + x 1 6 + x 1 2 + x 1 1 + x 1 0 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 - b x 2 + xq - 1 其中c r c 1 6 和c r c c c i t t 产生1 6 位的c r c 码，而c r c - 3 2 则产生的是3 2 位的c r c 码。生成多项式o ( x ) 的结构及检错效果要经过严格的数学分析与实验确 定。 下面以c r c 1 6 为例，简要介绍一下c r c 校验过程。 湖北工业大学硕士学位论