（电力电子与电力传动专业论文）井下人员定位系统硬件设计与实现.pdf

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 gr e q u e s to fs a f ep r o d u c t i o no fc o a lm i n e ，w ed e s i g nak i n do fm i n e p 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 dr 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 t b cs ) r s t c mh a st h e f u n c t i o ns t a b i l i t y , t h ep e r s o n n e li d e n t l f i e sar a t eh i g h , t h em i s t a k ec o d er a t ei ss m a l l t h e u s a g ec o n v e n i e n c e ，t h ec o s ti sl o we t c a d v a n t a g e ，a n dh a sv e r yb i gr e a l i s t i cm e a n i n 吕 t h i st e x tf i r s ti n t r o d u c e sar a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o no fc o n p t b r i e f l ys a y sa r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o no ft h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dt h ew o r kp r i n c i p l e t h e n c o m b i n i n g t h ec o n d i t i o n o f o u r c o u n t r y m i n e w o r kp r e s e n t l y , w ee x p a t i a t e t h e i m p o r t a n t m e a n i n go fm i n ep e r s o n n e lr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o no r i e n t a t i o ns y s t e ma n dt h e u r g e n c yt od e s i g ni ta n dw ei n t r o d u c et h em a i nr e s e a r c hw o r ko fm y s e l f ：m i n ep e r s o n n e l d a t at oe x c h a n g et h es y s t e mh d w a r ee l e c t r i cd r e n i ts y s t e md e s i g n ( i n c l u d er a d i o f r e q u e n c yc a r d ，r a d i of r e q u e n c yt oi d e n t i f yr e a d i n gb a s e ，t h el o n gd i s t a n c ed a t at r a n s f e r s i n t e r f a c e ) ，t h ec o r r e s p o n d e n c ea f e e m e n te s t a b l i s h m e n ta n d r e l a t e d s i n # ec h i p p r o c e d u r ec o m p i l a t i o n f o rt h em i n ep e r s o n n e lo r i e n t a t i o no fd i r e c t i v ed i s c r e t i o n ，t h e r a d i of r e q u e n c yc a r da n dt h em i n er e a d i n gb a s eo fd a t ae x c h a n g eo fc o n t r l r mm e c h a n i s m , w e p u tf o r w a r do w ni n n o v a t i o na n dc a r r yo u tm yd e s i g ni na a u mw o r k s e c o n d l y , w ei n t r o d u c et h ew o r kb l o c kd i a f a mo ft h em i n ep e r s o n n e lo r i e n t a t i o n s y s t e m ，a n a l y z et h em a i nf u n c t i o no ft h es y s t e m ，a n dd i s c u s sc o m p a r i n gv a r i o u sd a t a c h e c k o u tm e c h a n i s m ，m o d u l a t em a n n e r , d a t ar e s e n dm e c h a n i s m ，t h ei nc o m _ n l m lu s e c h i pa n dt h el o n gd i s t a n c eo ft h ed a t at od e l i v e re t cp r o b l e m w eg e ts y s t e mt 0c h o o s ea c o n e i n s i o na ll a s t t h i r d l y , w ea n a l y z et h er a d i of r e q u e n c yc a r d ，m i n ep e r s o n n e lt h er a d i of r e q u e n c y r e a d i n gb a s ea n dd a t at r a n s f e r si n t e r f a c ef r o mt h eh a r d w a r ed e s i g ni nd e t a i l ，a n dc a r r y o ni n t r o d u c t i o nt h ek e y c h i pc c l 0 0 0 、s p 2 3 3 8 ，i d t 1 3 2 i nt h ee l e c t r i cc i r c u i t f o u a h ly w ei n t r o d u c et h ec o f f e s p o n d e n c * a g r e e m e n to fm i n e p e r s o n n e l o r i e n t a t i o ns y s t e m ，a n a l y z et h ed e s i g np r i n c i p l ea n db l o c kd i a g r a mo fr a d i of r e q u e n c y c a r d ，m i n ep e r s o n n e lr a d i of r e q u e n c yb a s er a d i of r e q u e n c yc e l l ，m i n ep e r s o n n e lr a d i o f r e q u e n c yb a s ec o n t r o lp r o c e d u r e ，m i n ep e r s o n n e lr a d i of r e q u e n c yb a s ef s kc a r r y m o n i t o ra n dt h el o n gd i s t a n c ed a t at r a n s f e r si n t e r f a c ec t cf i v ei n d e p e n d e n c es o f t w a r e p r o c e d u r e s a tl a s t ，w es a mu 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 ka n dp u t f o r w a r dm yi m p r o v e m e n to p i n i o n k e y w o r d s ：r 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 ，m i n ep e r s o n n e lr 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 o r i e n t a t i o ns y s t e m ，c c l 0 0 0 ，m u l t i - s e r i a lp o r t 湖办j 堂大学 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： 秘勋 日期： 7 年多月垆日 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：彳心勋 指导教师签名：l 碧幺- t q , 日期：如d 7 年6 月咋日日期：2 0 。7 年 月妒日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第1 章引言 我国是世界上最大的煤矿生产国，年产量达1 2 亿吨，占世界煤炭总产量的2 7 。 出口量达8 0 0 0 万吨，如按现在的开采规模，还可以开采上百年。同时我国也是煤 炭消耗大国煤炭工业在我国经济建设中占有十分重要的地位，煤炭仍然是最主 要的燃料，占能源消费总量的7 1 ，占发电燃料的八成以上从国内能源生产和消 费情况看，煤炭均占主体地位。 煤矿井下开采作业相对来说是比较危险的行业，我国煤炭安全生产现状与世 界一些发达和发展中国家相比差距很大。2 0 0 3 年全世界产煤约5 0 亿吨，死亡人数 8 0 0 0 人左右。我国煤炭产量1 6 6 亿吨占3 3 2 ，而死亡人数6 4 3 4 人占8 0 4 。煤 矿百万吨死亡率是美国的1 0 0 倍，俄罗斯的l o 倍，印度的1 2 倍。初步测算，我 国安全生产事故经济损失，高达2 5 0 0 多亿元，约占6 d p 的2 。安全生产事故不仅 对经济建设和社会发展造成直接的损失对广大群众、事故的受害者及其家属的 巨大心理创伤更是难以估量，煤矿安全是一个十分重要的社会问题。 为此，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准确、实时、快 速履行煤矿安全监测职能，有效进行矿工管理，保证抢险救灾、安全救护的高效 运作显得尤为重要和紧迫。 近年来，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己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。但目前煤 矿还普遍存在下井人员管理困难，我们在分析近期煤矿发生的事故时发现： ( 1 ) 地面与井下人员的信息沟通不及时。 ( 2 ) 地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，进行精确人员定 位。 ( 3 ) 一旦煤矿事故发生，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差。 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工种和岗位也不能有效监督，时有瓦斯检测员 不按规定时间、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 湖北工业大学硕士学位论文 带来隐患。因此，煤矿现场利用相应的矿井人员跟踪定位设备，全天候2 4 小时对 煤矿下井人员进行实时自动跟踪定位和考勤，随时掌握每个员工在井下的位置及 活动轨迹、全矿井人员的位置分粕情况等很有必要。 因此，要解决煤矿安全生产的问题，除了要加强安全生产法律、法规的建设， 不断完善安全生产制度外，更需要先进技术和设备、设施的强有力支撑。煤矿现 场利用相应的矿井人员跟踪定位设备。全天候2 4 小时对煤矿下井人员进行实时自 动跟踪定位和考勤，随时掌握每个员工在井下的位置及活动轨迹、全矿井人员的 位置分布情况等。对全部下井人员进行有效监测和考勤管理，进一步提高煤矿的 管理水平。发生事故时，可立即从监控计算机上调阅查询事故现场的人员位置分 布情况、遇险人员撤退路线等信息，及时为事故抢险提供准确信息。 1 2 课题的意义 煤矿的现代化管理和煤矿的安全生产是煤炭行业举足轻重的大事。在管理和 安全方面，人的管理变成了一个关键的问题。长期以来，大部分矿井，尤其是现 代化的矿井，井下都是连续生产，然而煤矿井下的员工状况如何，一直是较难查 清的问题。到目前为止，即使是我国的现代化矿井的管理，也只能是依据矿灯数 量来对应井下员工的状况。在煤炭行业历次大型突发性事故发生时，由于一时难 以摸清井下工人的分布状况，给事故的抢救工作造成困难，有时造成不应有的损 失。 煤矿井下人员定位系统，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。目前我国有l o o o 多矿井及其它类型的 矿井需要安装。该系统在国内的需求量相当可观，设计该系统时我们尽量采用性 价比高的产品，成本较低。会取得较好的经济效益。 该系统用于煤矿的生产调度、抢险救灾和寻找失踪人员，大大加强了煤矿的 生产调度和安全管理，使生产调度及时、准确，减小事故和自然灾害造成的损失， 使煤矿的安全生产保障系统大大提高。因此矿井的管理水平大大提高，向现代化、 自动化、科学化逐步发展。 1 3 国内外井下人员定位系统的现状 我国的井下人员定位系统起步较晚，基本是本世纪才开始引入但由于其在 安全生产和煤矿f 1 常管理中优势明显，市场巨大，因此发展迅速，已经经历了3 个阶段。 2 湖北工业大学硕士学位论文 第一阶段：主要是从国外引进现成井下人员定位产品，但由于其价格昂贵 维护费用高，只在山西少数几个大型煤矿试用，基本没有推广。 第二阶段：我国自主开发的第一代井下人员定位系统。我国自主开发的第一 代井下人员定位系统主要以无源射频识别技术为主，给每个井下工人配发一张无 源卡，每次经过井下基站时需要工人自己拿到井下阅读基站上进行识别，或在井 下巷道中做一个大型无线感应线圈。让井下人员从中钻过去，实现井下数据交换。 这种方式的优点是系统开发简单，成本低。但系统使用不方便，且在人员进出矿 井的高峰期容易造成堵塞，因此也只在少数煤矿试运行后及被淘汰。 第三阶段：我国自主研发的新型有源井下人员定位系统。随着我国射频识别 技术的日趋发展，我们在射频识别系统的应用领域己经逐步跟上了国际水平，因 此我国自主开发的新型有源井下人员定位系统也已经达到国际水平。我国现在研 发的新型人员定位系统主要以有源射频卡为基础，它既可加大井下人员阅读基站 数据交换的有效范围( 1 0 2 0 米) ，又可提高射频卡的使用的方便性，解决多人同 时经过井下同一射频阅读基站的人员堵塞和数据冲突问题，大大提高了系统的可 靠性和实用性。 我们开发的井下人员定位系统就是结合现代先进的射频识别技术而成的第三 代井下人员定位系统，系统的可靠性，灵活性，稳定性及射频数据冲突处理、人 员定位方向等方面都处于国内领先水平。 1 4 课题的可行性 在广泛调研的基础上，根据现有的技术条件，我们制定了切实可行的方案。 整个井下人员自动定位系统由地面主机和井下若干身份码检测站及人员随身携带 的身份码发送器组成，身份码发送器采用超高频信号发送。采用无线检测，有线 传输方式构成二级集散式微机监测系统，对井下人员实现自动跟踪定位，实时监 测、显示人员的身份、位置及分布状况。平时用于生产管理，一旦遇到突发事故， 可根据系统主机提供的井下人员情况，做出正确快速的营救决策。 1 5 课题研究的主要内容 我们开发的这套井下人员定位系统主要由人员数据库管理系统和井下人员射 频数据采集系统两部分构成。人员数据库管理系统主要负责将井下阅读基站接收 到的原始人员数据信息进行存储、分析及生成各种报表而井下人员数据采集系 统主要负责井下人员数据的射频采集、存储、传送。由于整个井下人员定位系统 湖北工业大学硕士学位论文 相当庞大，因此是由多人协同完成的，我主要是从事井下人员数掘采集系统硬件 电路系统设计( 包括井下人员身份码发射器、井下身份码监测站、数据集中器、远 程数据传输接口) 。 1 6 系统的主要性能指标 ( 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 ) 数据采集器的技术指标 无线频段：4 3 3 9 2 i z ( 发射) 4 3 4 3 3 姗 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 ) 身份编码器的技术指标 无线频段：4 3 4 3 3 删z ( 发射) 4 3 3 9 2 姗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 vd c 4 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计及方案论证 2 1 井下无线通信方案 2 1 1 井下无线通信现状 井下无线通信一直是世界难题，多年来国内外进行了多次试验，研制了部分 井下无线通信设备，但效果都不理想，相对于地面无线通信来说进展缓慢。9 0 年 代中后期，随着科学技术的进步，尤其是通信技术的发展，井下无线通信逐渐进 入实用阶段。井下无线通信条件复杂，要进行理论研究相当困难，主要以实验为 基础缓慢发展起来的。试验表明，在中短波频段，井下隧道对电波衰减最大通 信距离最近。这可以认为是隧道尺寸与波长比拟产生谐振吸收或电波在有限空间 内多次反射能量消耗的结果。在超短波，通信距离随着频率升高而增加，电波传 播衰减逐渐减小。这种单调的反比变化是由于隧道对更高频率的电波渐呈波导作 用引起的，因而传播条件逐渐改善，通信距离加大。在微波频段，随着频率升高 衰减变得很小，因此隧道可认为是微波通信的波导型通道。这是由于隧道直径远 远大于波长，微波信号在隧道中获得了相对较大的自由传播空间形成的。上述实 验表明，隧道断面尺寸决定了截止频率。断面大，截止频率低，通信效果就好， 断面小，截止频率高，则必须选择更高的信号频率才能实现井下无线通信。 井下无线通信的特点是整个的无线信号的传播都是在井下的巷道，是一个封 闭的环境，与地面无线通信无相互干扰。目l 国内还没有井下无线通信标准，因 此系统可以根据现有的技术条件和实际需要进行开发。但应考虑要适合以后通信 发展的要求，要有利于推广使用。目前井下通信方式主要有以下几种， ( 1 ) 低频导引通信 低频导引通信工作在几百i 【 i z 的低频段，利用同轴电缆引导信号传输。为使 电波向电缆外的巷道内辐射，每隔几百米在电缆上装一个辐射器，以实现井下的 无线移动通信。由于频率低、电缆的传输损耗小( 2 d b i c a n 4 d g k m ) 距离大。低频 导引通信可直接覆盖1 0 i ( 1 i l 左右来满足井下通信的要求，如果加接中继器，通信距 离可继续扩大，因此低频导引通信系统简单实用，造价晟低。低频导引通信的主 要弊端是存在井下的各种低频电磁干扰，数据误码率高，可靠性低。但是由于价 格低廉，仍是一些公司( 如南非的g s t ) 致力研究和发展的一种井下通信系统。 湖北工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 短波漏泄通信 短波漏泄通信使用漏泄同轴电缆引导信号。在短波，漏泄电缆比酱通同轴电 缆的传输损耗略大( 2 0 d b k m 4 0 d b k m ) ：当频率更高时，漏泄能量随频率升高急 剧加大，漏泄电缆的传输损耗比普通电缆大得多，因此为了远距离传输，漏泄通 信的频率选在2 0 m h z 1 5 0 删z 的短波和超短波低端，为了弥补能量损失，每隔几 百米加一个中继双向放大器，以实现井下的远距离无线通信。短波在隧道中传播 条件最差，衰减最大，因此短波信号在井下中产生和受到的干扰也最小，是井下 无线通信中最有利于抗干扰的频段。同时这个频段的地面通信设备和技术非常成 熟，所以短波漏泄通信成为许多国家发展井下无线通信的共同选择，如德国、英 国、美国等；但其缺点是：造价过高，对我们需构建的系统来说难以承受，并非针 对井下无线通信而设计“。 ( 3 ) 红外无线通信 红外线的波长介于红光和微波之间，波长为8 0 0 n m 1 l o o n m ，在红外通信中， 常用的光源中心波长为9 5 0 n t o ，红外光具有可见光的反射及衍射能力。红外光发射 时，可见光对其影响较小，另外红外光的介质吸收能力也强于无线电波，因此红 外光在近距的通信中被广泛应用。但如果用做随身携带的无线数据发送工具，显 然有其致命不足的地方。由于其对接收信号的方向性要求比较高，对微功率系统 来说，若发射和接收之间有人的身体或其它物体遮挡，信号可能就会很难被有效 传输。波兰等一些国家曾在这方面做过尝试，但效果很不理想“1 。 ( 4 ) 微波频段通信 所谓微波是一种具有极高频率( 通常为3 0 0 姗z 3 0 0 g h z ) ，波长很短，通常为 lm lm 的电磁波。在微波频段，由于频率很高，电波的绕射能力弱，所以信号 的传输主要是利用微波在视线距离内的直线传播，又称视距传播。这种传播方式， 虽然与短波相比，具有传播较稳定，受外界干扰小等优点，但在电波的传播过程 中，却难免受到地形，地物及气候状况的影响而引起反射，折射，散射和吸收现 象，产生传播衰落和传播失真“1 。 由于井下隧道对微波频段在一定程度上相当于通道，因此在许多情况下采用 微波直接通信更为简便有利，试验也证明了这一点。微波频段通信适用于直巷道 通信。如铁路、公路隧道和矿山主巷道等，对于弯曲的巷道，在转折点之后，信 号衰减的特别快。通信距离同时取决于隧道的断面尺寸、频率和通信天线的型式 等多种因素。微波频段没有工业设备的电磁干扰，对于抗环境电磁干扰极为有利。 同时电缆对微波信号的传输损耗很大，因此不能采用微波导引方式。这说明微波 是一个有利于通信的频段，但其通信距离被严格限制。目d 口还没有微波频段的无 湖北工业大学硕士学位论文 线数字通信技术在井下无线通信中投入实用。1 。 2 ，1 2 井下无线通信方案的确定 除以上几种方案外我们还考察了采用射频i c 卡的方案，查阅了一些资料这 种方案虽然功耗极低，但依据目前市场上的产品的通信距离远远不能满足我们的 要求，故对该方案没有做过多的考察。 通过以上的比较，我们可以知道井下隧道空间内对无线电波呈高通特性，以 上通信方式各有优缺点。结合所设计系统的实际情况，最后采用了在微波频段进 行信号的无线传输。因为系统并不要求无线信号可靠的传输很远的距离，只要求 在身份码检测站的有效检测范围5 0 米内能进行可靠的数据传输，就可满足系统的 需要。在一个直巷道的范围内，使用微波频段是完全可以实现的。 对于开发设计高频的无线通信产品来说，首先要必须要有必需的高频通信试 验设备，而这些设备是比较昂贵的；其次开发设计人员，需要有较丰富的设计高 频电路的实践经验。即便是以上两点都具备，开发一个高频无线收发产品的产品 周期也是比较长的。资金、经验都是我们缺乏的，时间上也耗费不起。而目前市 场上有很丰富的无线收发品模块，而且都是比较成熟的产品。我们应当利用市场 现有产品缩短我们的开发周期，弥补我们的不足。伴随着科学技术的飞速发展， 无线通信技术的高速发展，微波频段无线通信产品出现了如下趋势： ( 1 ) 采用多层电路板和大规模集成电路技术，使电路简单化、性能稳定、可靠 性提高，设备的体积和重量也得蛆减小。 ( 2 ) 采用多信令形式提高系统的灵活性和抗干扰能力。 ( 3 ) 可通过交换机与地面通信网互联。 ( 4 ) 采用导频技术抑制噪声。 ( 5 ) 采用各种高效天线，减小尺寸，提高通信效率。 ( 6 ) 采用多系统合路技术，使各种井下专用通信系统共网建设”1 。 2 2 系统的整体方案 确定了关键的无线通信方式，我们就可以较容易的构建起整个系统。整个系 统采用无线检测，有线传输的二级网络。在整个矿井下，依据实际情况设置身份 码监测站，每个井下人员随身携带一个身份码发送器。身份码监测站实时的检测 人员信息，然后通过系统的现场总线传输到的地面的主机，由主机来完成对整个 井下人员信息的分析、整理和处理。整个系统结构如图2 1 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 i 上位计算机芝三三 芹 tlt r s - 4 8 5 总线 jl 身份码监测站 身份码监测站 ff 1 区圃 图2 1 系统结构图 2 2 1 现场总线概述 从自动控制系统的发展史来看，曾有过两次大的革新：一次是5 0 年代末由旧 式模拟仪表向电动或气动单元组合仪表的转变；另一次是8 0 年代从电子模拟仪表 到控制器和集散系统( d c s ) 的转变。进人9 0 年代以来，作为工业控制数字化、智 能化与网络化典型代表的现场总线( f i e l db u s f b ) 技术发展迅速、影响巨大，引 起了工程技术界的普遍兴趣与重视，被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。 前两次革新远远不及现场总线对控制系统发展的影响那样深刻。现场总线使控制 系统发生了概念上的全新变化。它使传统的控制系统结构发生了根本的变化，在 某种意义上，可认为现场总线最终将完全代替d c s 。现场总线控制系统( f c s ) ，即 网络集成式全分布控制系统，其特点是控制功能由过去的控制室设备变为智能现 场仪表来承担，控制功能分散化，全数字化，就有可能组成大型的开放式控制系 统。进而实现从最高决策到最低设各层的综合管理和控制。现场总线的有关规范 一经国际公认，通过功能模块参数标准化，用户可以实现不同厂家产品的互操作 择优集成。总之，基于现场总线技术的控制策略和网络结构，引发了工业自动化 装置和控制系统的又一次革命。 现场总线，是指将现场设备( 如数字传感器、变送器、仪表与执行机构等) 与 工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机刚络，具有全数字化、分散、 8 湖北工业大学硕士学位论文 双旬传输和多分支的特点是工业控制网络向现场级发展的产物。可以认为，现 场总线是通信总线在现场设备中的延伸，允许将各种现场设备通过同一总线进行 双向多变量数字通讯。 现场总线使得现场仪表之间、现场仪表和控制室设备之间构成网络互连系统， 实现全数字化、双向、多变量数字通信，为整个工业系统全数字化运行奠定了基 础。 可见应用现场总线，是自动控制系统的一个趋势。目前在井下应用现场总线， 还处于起步阶段。本文准备采用一种比较适合煤矿井上、井下现场总线，做一些 有益的实践”1 。 2 2 2 现场总线的特点 现场总线完整地实现了( 3 c 技术) 控制技术、计算机技术与通信技术的集成， 具有以下几项特点。 ( 1 ) 开放性和可互操作性。f c s 开放性意味将打破d c s 大型厂家的垄断，给中 小企业发展带来了平等竞争的机遇。可互操作性实现控制产品的“即插即用”功 能，从而使用户对不同厂家工控产品有更多的选择余地。 ( 2 ) 彻底的分散性。彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，系 统很容易进行重组和扩建，且易于维护。 ( 3 ) 低成本。衡量一套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，而且应该考察 系统从安装调试到运行维护整个生命周期内总投入。相对d c s 而言，f c s 开放的体 系结构和o e m 技术将大大缩短开发周期，降低开发成本，且彻底分散的分布式结 构将1 对1 模拟信号传输方式变为i 对n 的数字信号传输方式，节省了模拟信号 传输过程中大量的a d ，d a 转换装置、布线安装成本和维护费用。 因此从总体上来看，f c s 的成本大大低于d c s 的成本。可以说丌放性、分散化 和低成本是现场总线最显著的三大特征，它的出现将使传统的自动控制系统产生 划时代的变革“”1 。 2 2 3 串行通信方式的选择 常用的多点串行通信方式有r s 一2 3 2 c 标准和r s 一4 8 5 标准。 r s 一2 3 2 c 通讯标准规定：逻辑1 为一5 v 一1 5 v ；逻辑“0 ”为+ s y + 1 5 v 。 这种电平的抗干扰性能比t t l 强的多。r s 一2 3 2 c 规定最大负载电容为2 5 0 0 p p ，这个 电容限制了传送距离和传送速率，且t t l r s 一2 3 2 c 转换电路属非平衡电压型线电 路，不具有抗共模干扰特性。故在一般情况下，r s - 2 3 2 c 只用于短距离( 1 5 m 内) 通 湖北工业大学硕士学位论文 讯。若要进行远距离传送，需要加调制解调器。 r s 一4 8 5 是r s 一4 2 2 的变型，r s 一4 8 5 为半双工，当用于多站互连时，可节省信 号线，便于高速远距离传送。r s 一4 8 5 通信协议是双向、平衡传输线标准。它支持 多点连接，允许创建多达2 5 6 个节点的网络，并且在传输速率为 o k b p s 和使用双 绞线作为传输介质时，传输距离可以达到1 2 0 0 m ，或者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 一4 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。在人员定位系统中， 传输距离介于近传输距离( ( 2 0 m ) 和远距离( 2 k m ) 之间，这时l i s 一2 3 2 c 不能采用， 而使用m o d e m 也不合算，故选用r s4 8 5 串行通信接口标准。 2 2 4 线电路的选择 数字信号的传输随着距离的增加和信号传输速率的提高，在传输线上的反射、 串扰、衰减和共地噪声等影响将引起信号的畸变，从而限制了通讯距离。普通的 t t l 电路由于它的驱动能力差，输入电阻小，灵敏度不高以及抗干扰性能差，使它 传输信号的距离短。所以需要有适用于总线系统能与长线进行接口的专用线路一 线电路( 线电路是指一个系统内部或在几个系统之间和总线相接的用于数字通讯 的专用集成电路，它是向传输线发送和接受信号的电路) 。 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 传输线配接，信号以t t l 电平传送。这类电路的特点是线上电流较大，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 一2 3 2 c 转换电路( m a x 2 3 2 ，m a x 2 3 3 等) 就属于这一类。这一类接口电路适用于r s 一2 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 一4 8 5 r s 一4 2 2 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t t 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t t l 电平。因此，具有抗 共模干扰的能力。这就弥补了r s 一2 3 2 c 的不足，使传送距离和传送速率大大提高。 本设计选用r s 一4 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 7 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。可组成满足r s 一4 8 5 r s 一4 2 2 标准的通讯网络，通讯系统能稳定 可靠运行”。 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 5 网络拓扑结构选择 网络拓扑的基本结构有星形、总线形和环形三种，如图2 2 所示： o 抖 星型环型 总线型 图2 2 网络拓扑结构图 在三种基本结构中，星形网属于中央控制形，网上一切通信径由中央控制节 点控制，当中央节点故障时，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“瓶颈”阻塞现象，实时性较差。 环形网是由网上节点以点一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 影响通信可靠性。另外，从环形网上加入新节点或撤除旧结点，须断开网络而中 断通信。 总线形网属于公共通道形，各节点共享同一物理通道同一总线，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，总线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。 经以上分析，根据实际需要，同时亦常有增加或撤除井下监控站的操作，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 6 现场总线网络的存取控制方式的选择 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。 争用传送方式是指总线网中每个节点在任何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 湖北工业大学硕士学位论文 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，令牌由网上节点产 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。 人员定位系统中，各检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检测站人员信息传送到上位计算机中供处理，因 此不宜选用令牌方式：采用主从控制传送方式更为合理，数据集中器为网络主节 点，井下各检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。 本系统中，由一台数据集中器控制网络传输距离界于近距离、远距离之间 采用r s 一4 8 5 标准接口电路，构成主从式4 8 5 现场总线，用一对屏蔽双绞线实现多 点联网。构成分布式系统。它设备简单，价格低廉“”1 。 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章身份码发射器的硬件设计 3 1 射频识别技术的概念 射频识别技术简称r f i d ，是英文，“r 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 ”的 缩写，中文称为无线射频身份识别。r f i d 技术是一种无接触自动识别技术，它的 基本原理是利用射频信号及其空间藕合、传输特性，实现对静止或移动的待识别 物品的自动机器识别。与传统的识别方式相比，r f i d 技术无需直接接触、无需光 学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理，且操作方便快捷。同条形码相 比，射频识别标签具有防水、防磁、读取距离大、标签数据可加密、存储数据容 量大、便于改写等优点，而且射频识别标签又克服了接触式i c 卡使用一段时间后 容易发生触点接触不良的缺点，因此被认为将是条形码标签和接触式i c 卡的未来 替代品。 3 2 射频识别技术的发展 射频识别直接继承了雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的新技术r f i d 技术。最初，射频识别技术主要是用于军事卜敌我双方的飞机识别，到了7 0 年代， 美国政府透过l o sa l a m o s 科学实验室将r f i d 技术转移到民阃用于畜牧业，到了 8 0 年代，美国与欧洲的几家公司开始着手生产r f i d 卷标，今天，r f i d 技术已经 被广泛应用于各个领域。 我国政府在1 9 9 3 年制定的金卡工程实施计划，是一个旨在加速推动我国国民 经济信息化进程的重大国家级工程，由此各种自动识别技术的发展及应用十分迅 猛。现在射频识别技术作为一种新兴的自动识别技术，在中国得到了广泛的应 用，如身份识别、防伪应用、公共交通管理应用、物流管理、门禁控制等。 随着全球r f i d 产品大规模应用的开始，制定r f i d 统一标准己经得到业界的 广泛认同，但直到现在为止，由于现行各种标准分别代表不同国家和集团的利益， 因此没能形成全球统一的标准。在所有的标准中，e p cg l o b a l( 电子产品代码环 球协会) 由于综合了美国和欧洲厂商，实力相对占上风。e p cg l o b a l 是由u c c 和 e a n 联合发起的非盈利性机构，全球最大的零售商沃尔玛连锁集团、英国t e s c o 等 1 0 0 多家美国和欧洲的流通企业都是e p c 的成员，同时山美国i b m 公司、微软、 湖北工业大学硕士学位论文 a u t o i dl a b 等进行技术研究支持。此组织除发布工业标准外，还负责e p cg l o b a l 号码注册管理。e p cg l o b a l 系统是一种基于e h n u c c 编码的系统。作为产品与 服务流通过程信息的代码化表示，e a n u c c 编码具有一整套涵盖了贸易流通过 程各种有形或无形的产品所需的全球唯一的标识代码，包括贸易项目、物流单元、 位置、资产、服务关系等标识代码。f a n u c c 标识代码随着产品或服务的产生在 流通源头建立，并伴随着该产品或服务的流动贯穿全过程。e a n - u c c 标识代码是 固定结构、无含义、全球唯一的全数字型代码。在e p c 标签信息规范1 1 中采用 6 4 - 9 6 位的电子产品编码：在e p c 标签2 0 规范中采用9 6 - 2 5 6 位的电子产品编码。 现在国内的射频识别标准就是结合中国实际的改进型e p cg l o b a l 标准“”1 。 3 3 射频识别技术的系统构成 射频识别( r f i d ) 系统总类繁多，但无论何种形式的射频识别系统，都应该至 少包含电子标签和阅读器两部分。 3 3 1 电子标签 电子标签是射频识别系统真正的数据载体。一般情况下，电子标签由标签天 线和标签专用芯片组成( 最新提出的无芯片射频标签以及声表面波s a w 标签未来可 能会有较大的发展，目前还处在产品萌芽初期) 。依据电子标签供电方式的不同 电子标签可以分为有源电子标签( a c t i v et a g ) 和无源电子标签( p a s s i v et a g ) 。有 源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池。对于有源电子标签来说， 根据标签内装电池供电情况不同又可细分为有源电子标签和半无源电子标签。 有源电子标签，标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池也为电 子标签提供与阅读器通讯所需的射频能量。半无源射频标签内的电池供电仅对标 签内要求供电维持数据的电路或者标签芯片工作所需电压的辅助支持。标签未进 人工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源标签，标签内部电池能量消耗很 少，因而电池可维持几年，甚至长达1 0 年有效：当标签进入阅读器的读出区域时， 受到阅读器发出的射频信号激励，进人工作状态时，标签与阅读器之白j 信息交换 的能量支持以阅读器供应的射频能量为主( 反射调制方式) ，标签内部电池的作用 主要在于弥补标签所处位置的射频场强不足，标签内部电池的能量并不转换为射 频能量。 无源电子标签没有内装电池。在阅读器的读出范围之外时，电子标签处于无 源状态，在阅读器的读出范围之内时，电子标签从阅读器发出的射频能量中提取 湖北工业大学硕士学位论文 其工作所需的电源。无源电子标签一般均采用反射调制方式完成电子标签信息向 阅读器的传送。 3 3 2 阅读器 典型的阅读器包含有高频模块( 发送器和接收器) 、控制单元以及阅读器天线。 此外，许多阅读器还有附加的接口( r s 一2 3 2 ，r s 一4 8 5 、以太网接口等) ，以便将所获 得的数据传向应用系统或从应用系统接收命令。完善的射频识别技术标准也包括 阅读器与应用程序之间的标准接口规定。例如：a n s in c i t s 2 5 6 2 0 0 1 i s 0 1 8 0 0 0 系 列射频识别国际标准等均对阅读器与应用程序接口a p i 做出了明确规定”。 3 4 身份码发送数据格式 井下人员定位硬件采集系统主要需要完成两方面的工作，第一，无差错的采 集井下人员随身携带射频卡中存储的信息：第二，将井下基站采集到的井下人员信 息按时间先后顺序传送到井口人员数据库管理系统中，并且能实现井口上位机对 于井下基站数据收发状态的控制。为了实现第一个功能，我们就必须设计一个射 频收发电路，来完成数据的无线交换。由于我们每次需要传送数据的数据量都很 小，所以在设计时必须考虑选择与之适应的数据传送调制方式和数据校验方式。 3 4 1 数据的调制方式 在射频识别中，现行的数据调制方式有以下三种：振幅键控( a s k ) 频移键控 ( f s k ) 和相移键控( p s k ) 。 所谓振幅键控，就是将二进制符号0 、1 组成