上位机设计方案

前言前言 在我国采用斜井开拓方式的矿井中 随着矿井的不断开采和延伸 井下作业地点距 离越来越长 长期以来 职工只能步行 把大量体力和时间消耗在过程中 为此应切实 解决井下作业人员体力和时间的武功消耗 确保井下作业的工作和工程质量 目前随着 科技水平的不断提高 许多矿井都选用架空人车负担煤矿人员的运输 基于物联网的矿山井下架空人车系统的基本功能是通过无线传输对车厢进行实现监 控 车厢内的工作人员可以在意外事故发生后按下紧急按钮通知地面主控制室采取有效 措施 防止灾难发生 本设计是以组态王软件做为矿井架空人车无线监控系统上位机 完成之后 可以实 现对轿厢内情况的视频监控 语音通信 报警以及 MP3 播放等功能 控制室可以通过上 位机来监控轿厢机内的情况以及和任何一个轿厢进行语音通信 以实现控制室对每个轿 厢内状态的监控 1 1 概述概述 1 1 矿用架空人车的概况矿用架空人车的概况 矿用架空人车为矿山长距离安全快速地人员运输提供了经济使用的解决方案 其工 作原理类似于地面旅游索道 它通过电动机传动减速机上的摩擦轮作为驱动装置 以架 空 无极循环的钢丝绳作为牵引承载 此钢丝绳靠尾轮张紧装置进行张紧和绳长调节 沿途采用托绳支撑 以维持钢丝绳在托轮间的贴合力 抱索器将乘人抱索器或物料箱与 钢丝绳连接并循环运行 从而实现运送人员及物料的目的 其优势能长期运输 实现无 人值守和远程智能监控运行 无需专门操作司机 维护工作量较少 这种矿用架空人车 与斜井人车运输相比较 具有更安全使用 运送能力大 动力消耗小 设备结构简单 维护工作量小等优点 深受井下工人的欢迎 大大提高了井下辅助运输的效率 与国内快速发展的煤矿采掘机械化水平相比 矿井辅助运输明显落后 已成为制约 我国煤炭生产发展的主要因素之一 利用架空乘人装置运送井下人员 减少工人上下班 的时间和体力消耗 对矿井的高产高效起到推动作用 矿用架空人车的最新发展方向呈现大运量 高速度 集中控制 稳定安全等特点 具有大运量 连续运输 连续变坡拐弯的特点 而且运行可靠 易于实现自动化和集中 控制 经济效益十分明显 地下矿用架空人车也是煤矿乘人装置最为理想的高效连续辅 助运输设备 特别是煤矿高产高效现代化的大型矿井 地下矿用架空人车已成为矿井辅 助运输机电一体化技术与装备的关键设备 随着高产高效矿井的发展 矿用架空人车的 各项功能指标有了很大提高 1 2 研究目的和意义研究目的和意义 斜井人车是运送现场作业人员的重要设备 其工作性能既关系到安全生产 又影响 设备的效率 传统的斜井人员运输 多是采用斜井绞车拖动斜井人车 工作效率低 影 响行车安全的因素多 运行和维护成本高 因此 采用巷道内的架空运人缆车对原系统 进行改造是一个理想的技术方案 缆车运人系统的电机功率远远小于绞车的电机功率 可节约大量的电能 降低运行成本 系统的结构简单 维护方便 并且能够连续工作 运人效率高 但是 在缆车运人系统中 巷道中设有拉线开关 在紧急情况下需轿厢内 人员将身体探出轿厢拉动拉线 操作人员的人身安全难以保证 存在严重的安全隐患 为进一步提高运人缆车运行与管理的现代化水平和操作的安全性能 应用计算机控制技 术 测控技术和通讯技术 进行了基于物联网的矿山井下架空人车监控系统设计 设计将通过无线通讯技术 计算机技术 网络通讯技术可测控技术的综合应用 形 成一个具有无线操作控制 语音通讯 轿厢检测和独立音乐播放功能的矿山架空缆车无 线通讯与控制系统 项目的研究成果将大大提高架空运人缆车的技术性能和安全性能 可在保证安全生产和提高人车安全及管理水平方面发挥积极作用 物联网技术是一项蓬勃发展的新兴技术 受到国内外测控领域的普遍关注 其应用 可以涉足到社会生产和生活的各个领域 在我国一些在该领域走在世界的前列 在环境 监测和环境控制等领域取得了一些应用成果 但是 这是一项全新的技术领域 与其相 关的很多技术问题需要不断发展和完善 1 3 设计内容设计内容 本次设计的内容是矿井架空人车无线监控系统上位机设计 具体包括以下几个方面 的内容 组态王人机界面 数据处理模块 数据存储模块 接口转换电路 语音通讯模 块五部分 系统结构设计如图 1 1 所示 0 图 1 1 系统结构设计图 组态王人机界面 将窗体 命令按钮 文本框 选择框等对象按照用户的需要有机 的组合在一起 组态王通过和底层单片机通讯 访问相关设备寄存器来获得各设备的运 行情况 并通过动画连接等显示出来 数据处理模块 系统中实时数据由单片机进行采集 转换 并且由单片机通过通用 单片机 ASCII 通信协议和组态王数据共享 当组态王要读取单片机数据时 将会向单片 机发送基于该协议的读命令包 单片机响应后 将数据发送给组态王 进而对数据进行 处理 数据存储模块 组态王可以对单片机采集的数据进行存储 方便日后对数据的整理 和查询 接口转换电路 通过接口转换电路组态王可以与节点机进行通讯和数据交换 语音通讯模块 语音信号的采集与播放采用 AMBE1000 模块 AMBE 是基于 MBE 技术的低比特率 高质量语音压缩算法 具有语音音质好和编码速率低等优点 在芯片 内部有相互独立的语音编码单元和解码单元 可同时完成语音的编码和解码任务 并且 所有的编码和解码操作都能在芯片内部完成 不需要额外的存储器 这些特性使它非常 适合于数字语音通信 语音存储以及其它需要对语音进行数字处理的场合 系统设计完成之后 控制室可通过组态王界面对系统的运行过程进行监控和控制 也可以一对一选择不同缆车进行通讯 每个缆车中工人也可以主动要求与控制室通讯 实现双向通讯 2 2 总体设计方案总体设计方案 本次设计所要设计的上位机 首先要有良好的可视化界面 在完善功能的基础上对 界面进行美观和复杂化 并对各个功能进行扩展 提高其应用的普通型 对各个功能按 钮进行程序设计 实现各部分功能 完成调试 实现 PC 机 与单片机进行通信 最终实 现人机界面 数据的处理和存储都是由组态王软件完成 在与轿厢机语音通信方面 采用 AMBE 1000 模块实现全双工语音通讯 此外在与节点机连接时 需要一个接口转换电路 2 1 系统功能与组成系统功能与组成 2 1 12 1 1 系统所要实现的功能系统所要实现的功能 1 系统能够对人车的运行状态进行监控 2 系统能够对节点机发送来的数据进行接受和处理 并提供相应的可视化菜单 3 系统能够对轿厢机发送相应的控制信号 4 系统能够在遇到异常情况发生报警信号的时候 对报警信息进行处理 5 系统能够一对一选择不同的轿厢进行通讯 每个轿厢中的工人也可主动要求与控制 室通讯 实现双向通讯 2 1 2 系统的组成系统的组成 根据系统的设计及控制要求 系统可分为以组态王为基础的人机界面 接口转换电 路 语音通讯模块三大部分 1 人机界面 人机界面是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介 它实现信息的内部形式与 人类可以接受形式之间的转换 凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面 人机界面 是人与计算机之间传递 交换信息的媒介和对话接口 是计算机系统的 重要组成部分 是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或称界面所说 人机结合面 信息交换 功能接触或互相影响 指人和机器的硬接触和软触 此结合面 不仅包括点线面的直接接触 还包括远距离的信息传递与控制的作用空间 人机结合面 是人机系统中的中心 环节 主要由安全工程学的分支学科安全人机工程学去研究和提 出解决的依据 并过安全工程设备工程学 安全管理工程学以及安全系统工程学去研究 具体的解决方法手段措施安全人机学 它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间 的转换 凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面 现在大量运用在工业与商业上 简单的区分为 输入 Input 与 输出 Output 两种 输入指的是由人来进行机械或 设备的操作 如把手 开关 门 指令 命令 的下达或保养维护等 而输出指的是由 机械或设备发出来的通知 如故障 警告 操作说明提示等 好的人机接口会帮助使用 者更简单 更正确 更迅速的操作机械 也能使机械发挥最大的效能并延长使用寿命 而目前市面上所指的人机接口则多界狭义的指在软件人性化的操作接口上 2 接口转换电路 随着计算机产业的不断发展 USB 接口越来越成为主流 由于其支持热插拔且数据传 输速度越来越快的优点 USB 已经成为计算机的标准接口 然而在工业领域 工业产品的 接口技术发展相对缓慢 工业现场中的许多设备仍然使用 RS485 接口 另外 I2C 和 SPI 也是两种比较主流的串行总线 它们的传输线少 速度快 可靠性高 但是往往工业产 品所需要的控制程序还是在基于计算机的软件里完成 比如可编程控制器 人机界面 变频器等等 需要将计算机里的控制程序下载到工业产品里 目前很多厂家开发了这种转换技术 但很多转换器只提供 RS485 I2C 和 SPI 接口中 的一种或两种 并且大多转换器的 USB 接口都是用 虚拟串口 来实现 在实际应用中 很不方便 为了适应这种现实情况 很有必要使用 USB 到 RS485 I2C SPI 的转换技术 同时提供这三种接口来实现计算机与带有此接口的设备之间的数据传输 3 语音通讯模块 主控制模块AMBE 1000 CSP1027模拟放大 话筒 喇叭 图 2 1 语音通信模块框图 语音处理模块的框图如图所示 其中 AMBE 1000 是语音处理模块的核心 它起到解 压语音信息的功能 当压码时 它通过话筒采集语音信息 将其压缩 然后被主控制芯 片读取 将语音数据必送出去 处于解码状态时 主控制芯片将语音处理发送给语音芯 片 语音芯片解压语音编码 能过 D A 转换器 然后将模拟信号放大 再通过喇叭广播 出去 4 接口转换电路的设计接口转换电路的设计 在微机领域中 USB 是最流行的串行数据总线 而在工业控制领域中 RS485 无疑 是目前最流行不过的串行通讯总线了 在工业应用系统中 常需要解决 USB 和 RS485 相 互通讯的问题 本设计以 CYGNAL 公司的桥接器芯片 CP2101 为核心设计和实现了 USB 和 RS485 的转换器 4 1 串口数据通讯串口数据通讯 4 1 1 USB 总线标准简介总线标准简介 USB 是英文 Universal Serial Bus 的缩写 中文含义是 通用串行总线 它是一 种应用在 PC 领域的新型接口技术 在微机领域广泛应用 主要具有以下优点 可以热插 拔 携带方便 标准统一 可以连接多个设备 USB 在 PC 上往往具有多个接口 可以同 时连接几个设备 如果接上一个有 4 个端口的 USB HUB 时 就可以再连上 4 个 USB 设备 以此类推连下去 4 1 2 RS485 总线标准简介总线标准简介 在工业控制数据通讯中 RS485 通讯数据总线应用最为广泛 RS2485 采用平衡发送 和差分接收 因此具有抑制共模干扰的能力 加上总线收发器具有高灵敏度 能检测低 至 200 mV 的电压 故传输信号能在 1000m 以外得到恢复 RS2485 在 19kpbs 下能传输 120 0m 用于多点互连时非常方便 可以省掉许多信号线 应用 RS2485 可以联网构成分布 式系统 其允许最多并联 32 台驱动器和 32 台接收器 RS2485 只能半双工工作 发收不 能同时进行 但它只需一对双绞线 4 1 3 USB 和和 RS485 的通讯的通讯 在工业控制中 需要在 PC 机上监控远程现场的运行情况 这样 可以通过 USB 接口 转换成 RS485 总线与远程现场的智能仪表进行数据通讯 以下对 USB 和 RS485 通讯接口 进行设计 4 2 USB 和和 RS485 通讯接口的结构通讯接口的结构 USB 和 RS485 通讯接口的结构如图 4 1 所示 我们使用芯片 CP2101 作为 USB 与 UART 的数据转换器 然后再使用 MAX1483 作为 UART 与 RS485 总线的数据转换器 由 CP2101 输出的 UART 信号能够驱动集成器件 MAX1483 因此在 CP2101 与 MAX1483 之间再加上一 个驱动芯片 1G07 详细的电路图如图 4 2 图 4 1 USB 与 RS485 通讯接口结构 4 3 USB 和和 RS485 通讯接口的电路原理通讯接口的电路原理 图 4 2 中详细描绘了 USB 和 RS485 通讯接口的电路原理 图中左边的 CON4 是 USB 总 线的端子 USB 采用的是 4 线结构 其中 1 号线是电源线 VBUS 4 号线是地线 GND 2 3 号线分别是差模信号数据线 D 和 D 图 4 2 USB 和 RS485 通讯接口的电路原理图 4 3 1 CP2101 功能说明功能说明 此通讯接口电路中的核心部件是 CYGNAL 公司的 USB 转 UART 桥接器 CP2101 CP2101 是一种高度集成的 USB 转 UART 桥接器 提供一个使用最小化的元件和 PCB 空间实现 UART 转 USB 的简便的解决方案 该芯片包含一个 USB2 0 全速功能控制器 USB 收发器 振荡 器 512 个字节的 E2 PROM 和带有调制解调器控制信号的通用异步串行数据传输端口 UAR T 所有功能都集成在一个 5mm 5mm MLP228 封装的 IC 中 CP210 的内部结构和引脚定义分别如图 4 3 和表 2 所示 CP210 包含一个 USB2 0 全 速功能控制器 USB 收发器 振荡器 512 个字节的 E2PROM 电压调节器和带有调制解调 器控制信号的通用异步串行数据传输端口 UART CP2101 中的 USB 功能控制器符合全速 12Mbps USB2 0 规范 并且集成了 USB 收发器和片内相应的上拉电阻 USB 功能控制器管 理 USB 和 UAR 间所有的数据传输以及由 USB 主控制器发出的命令请求和用于控制 UART 功 能的命令 图 4 3 CP2101 内部结构图 CP2101 支持 USB 的终止和恢复信号功能 这样便于 CP2101 器件以及外部电路的电源 管理 当在总线上检测到终止信号时 CP2101 将进入终止模式 在进入终止模式时 CP2 101 会输出 SUSPEND 和 SUS2PEND 信号 SUSPEND 和 SUSPEND 在一个 CP2101 复位后也会 输出 直到在 USB 要求的器件配置完成 CP2101 在下述任何一种情况时退出终止模式 1 在 USB 总线上检测到恢复信号 2 在总线上检测到一个 USB 复位信号 3 CP2101 设备硬件复位 有一点要注意的是 SUSPEND 和 SUSPEND 引脚在 CP2101 复位期间均为高 电平 如果此时对设计的电路有影响 可以在 SUSPEND 引脚外接一个 10k 的下拉电阻 CP2101 的 UART 接口包括 TX 发送 和 RX 接收 数据信号以及 RTS CTS DSR DTR DCD 和 RI 控制信号 UART 支持 RTS CTS DSR DTR 和 X2On X2Off 握手协议 CP2101 的 UART 接口支持多种数据格式和波特率 由在微机上通过软件编程设置 所支持的数据 格式和波特率如表 1 所示 CP2101 包括一个内置的 E2PROM 这个内置的 E2PROM 可以用于存储自定义的 USB 设 备供应商身份识别 ID 产品代码 产品描述字符串 功率 设备版本号和序列号等数 据 注意对于连接到同一个 PC 机的多个 CP2101 的设备 需要惟一的序列号 CP2101 从 USB 总线的 VBUS 信号线提取电源 CP2101 片内包括一个实现 5V 转 3V 电 压调节器 电压调节器的 3V 电压从 VDD 引脚输出 使得外部的设备可以从 CP2101 上提 取电源 4 3 2 MAX1483 功能说明功能说明 MAX1483 是 MAXIM 公司生产的低功耗 RS422 485 与 UART 转换器件 其中的 A B 引脚 接 RS422 485 总线 DI 为 UART 信号输入引脚 DE 为 UART 转换 RS422 485 信号允许引脚 RO 为 RS422 485 信号转换 UART 输出引脚 RE 为 RS422 485 信号转换 UART 允许引脚 低电平有效 GND 接地 VCC 接 5V 直流电源 4 3 3 微机与设备通过微机与设备通过 USB 和和 RS485 的数据通讯的数据通讯 图 2 设计的 USB 到 RS485 的转换接口电路 只能进行主从式数据通讯 由微机作为 主机 连接 RS485 的设备只能作为被动传输数据的从机 当主机没有发送数据时 CP210 1 的 TxD 引脚处于空闲状态 为高电平 经反相后为低电平 此时接收允许信号 RE 有效 主机可以接收数据 数据从 RO 引脚输入到 CP2101RxD 引脚 当主机发送信号 1 时 DE 和 DI 同时为高电平 RS485 总线上的数据为信号 1 当主机发送信号 0 时 DE 和 DI 同时 为低电平 MAX1483 没有输出数据的信号 因而 RS485 总线上的数据为信号 0 4 4 USB 和和 RS485 通讯接口软件设计通讯接口软件设计 要使微机通过设计的 USB 与 RS485 的转换电路与设备进行通讯 需要在微机上设计 通讯软件 微机上应用程序访问 CP2101 有两种方式 一是自行编写 USB 设备驱动程序 与 CP2101 通讯 二是通过 CYG2NAL 公司提供的免费的驱动程序与 CP2101 通讯 CYGNAL 公司提供的免费的驱动程序把连接在 USB 总线上的 CP2101 作为一个虚拟的串口 因此对 CP2101 的操作就与操作一个串口一样简单 应用程序访问串口也有很多种方法 可以通 过 MSCOMM 控件或 SPCOMM 控件 也可以使用 Windows 操作系统的 API 来访问 下面使用 微软提供的 MSCOMM 控件介绍微机与转换器通讯软件的设计 要使用 MSCOMM 控件 则首先要安装控件 如果在微机上安装了 Microsoft Visual B asic 则 MSCOMM 控件已经自动安装 否则需要手动安装 在 Microsoft Visual Basic 的光盘上找到 MSComm32 ocx 文件 复制到系统的 System32 目录下 然后在 Windows 的 开始 菜单中的运行中键入 regsvr32MSComm32 ocx 按 确定 按钮 即完成 MSCOMM 控件的安装 安装完成后 MSCOMM 控件可以在 Mi2crosoft Visual C Microsoft Vis ual Basic BorlandC Builder 和 Borland Delphi 中使用 MSComm 控件有很多重要的属性 但首先必须熟悉几个最常用最重要的属性 CommPort 设置并返回通讯端口号 Settings 以字符串的形式设置并返回波特率 奇偶校验 数据位 停止位 PortOpen 设置并返回通讯端口的状态 也可以打开和关闭端口 Input 从接收缓冲区返回和删除字符 Output 向传输缓冲区写一个字符串 RThreshold 触发串口 OnComm 事件接收缓冲区字符数的阈值 当接收缓冲区字符数大 于这个阈值时 将触发 OnComm 事件 SThreshold 触发串口 OnComm 事件发送缓冲区字符数的阈值 当发送缓冲区字符数小 于这个阈值时 将触发 OnComm 事件 在微机上安装了 CYGNAL 公司为 CP2101 提供的免费的驱动程序后 转换器接到微机 上后将以一个虚拟的串口出现 如 COM3 这样与转换器通讯就和串口通讯的操作相同 微机与现场仪表的通讯要根据仪表的通讯协议 目前比较流行是 MODBUS 现场总线协议 5 语音处理模块的设计语音处理模块的设计 5 1 主控电路的设计主控电路的设计 主控电路也可成为CPU模块 是整个设计的核心 负责对整个设计中所有数据的处理 存储 设备控制等工作 主控芯片为意法半导体Cortex M3系列的STM32F103RBT6 这 款芯片因为采用了ARM公司的高性能 Cortex M3 内核 所以比较以往的8位单片机在 性能上有很大的提升 内部资源非常丰富 有2个12位模数转换器 7通道DMA控制器 7个定时器 2个I2C接口 3个USART接口等资源 可以满足设计的需要 系统主控电路 如图5 1所示 图5 1 主控电路 5 2 语音处理模块的设计语音处理模块的设计 根据对语音构成的分析 应运而生了多种对音频信号的压缩编码算法 如 CELP RELP VSELP MP MLQ LPC 10 MBE 等 它们通过不同的算法 实现对音 频信号的压缩 这些压缩编码算法的压缩率 语音质量各有所长 其中美国 DVSI Digital Voice System Inc 公司提出的先进多带激励 AMBE Advanced Multi Band Excitation 压缩编码算法是其中的杰出代表 AMBE 是基于 MBE 技术的低比特率 高质 量语音压缩算法 具有语音音质好和编码速率低等优点 AMBE 1000 是一款高性能多速 率语音编码 解码芯片 语音编码解码速率可以在 2400 9600bps 之间以 50bps 的间隔变 化 即使在 2400bps 的时候 仍能保持自然的声音质量和语音可懂度 在芯片内部有相互 独立的语音编码单元和解码单元 可同时完成语音的编码和解码任务 并且所有的编码 和解码操作都能在芯片内部完成 不需要额外的存储器 这些特性使它非常适合于数字 语音通信 语音存储以及其它需要对语音进行数字处理的场合 7 AMBE1000 的原理图 如图 5 2 所示 图 5 2 语音处理电路 AMBE1000 是 Digital Voice Systems 公司的语音编解码芯片 用来实现双工的语音压 缩 解压缩功能 能实现低传输速率下高质量的通话 它采用先进的 AMBE 压缩算法 压 缩速率最低可达 2 4Kb s 目前 这种算法以其能实现的低传输速率和高通话质量而在世 界范围内得到了广泛应用 甚至用在下一代移动通信系统中 8 具体来说 AMBE 1000 具有如下独特之处 低硬件成本和高通话质量 无需外围辅助设备 比特差错和背景 噪声良好的鲁棒性 可变传输速率 2 4Kb s 9 6Kb s 可自动插入舒适噪声 可选的串行 和并行接口 自带回声抑制功能 DTMF 信号的检测与产生 低功耗 AMBE 1000 最基本的组成部分就是一个编码器和一个解码器 两者相互独立 编码 器接收 8KHZ 采样的语音数据流 16bit 线性 8bit A 律 8bit U 律 并以一定的速率输出 信道数据 相反 解码器接收信道数据并合成语音数据流 编码器和解码器接口的时序 是完全异步的 AMBE 1000 读写一帧数据所需的时间远小于 20ms 也就是说在 20ms 时间内 除 了读 1 帧或写 1 帧数据外 处理器还有大量的时间做其它的事 这使人们有可能在半双 工的低速信道内实现全双工的语音通话 AMBE 1000 采用 A D D A 芯片作为语音信号的接口 输入输出的语音数据流的格式 必须是相同的 16bit 线性的 8bit A 律 8bit u 律 信道接口采用 8 位或 16 位的微控 制器 图 5 3 语音后处理电路 CSP1027 S 是 D A 转换芯片 其主要作用如下所述 芯片可选择的功能包括回声抵 消 VAD 语音激活检测 电源模式 数据 前向纠错速率的选择等 这些功能由外围 管脚或输入到解码器的命令帧数来决定 并且送往解码器用于控制的数据和语音数据是 不同的 A D D A 芯片的选择对所设计的系统的声音质量起着关键的作用 由于 A 律或 U 律 压扩芯片在采样时对数据做了压缩以减少位数 为了声音质量的考虑 建议采用 16 位线 性的芯片 选择芯片时要特别注意信噪比以及滤波器的频率响应特性 A D D A 的硬件接口是很灵活的 时钟和激励信号可以由外部送入也可以由内部产 生给可编程 A D D A 发送控制字需要一个额外的接口 信道接口使芯片易于集成到设计的系统中 基本的信道接口包括串口和并口 它们 都能工作于主动模式和被动模式 模式选择的控制信号可以由芯片内部给出也可以从外 部送入 常规操作时 每 20ms 编码器输出一帧编码过的数据 解码器需接收到这样的数据 编码器和解码器的数据需要格式化 格式化的主要目的就是为编码数据流提供对齐信息 数据的格式包括帧格式和非帧格式 并口模式只工作于帧格式 串口模式既可工作于帧格式也可工作于非帧格式 帧格式和非帧格式两种格式都是为了实现相同的功能 为编码数据流提供定位信息 工作于帧格式时 每 20ms 由编码器送出一帧数据 该帧数据有固定的结构 其中包 含了用于本地控制的状态标志位 实际上按一定波特率的编码数据才是帧格式中需要在 信道间传送的语音数据 帧格式下 系统需要在传送编码数据的同时传送足够的信息 这些信息用于在解码器端重构语音数据流 这些信息可以很具体 但至少要满足用于重 构的要求 非帧格式下 编码器的输出数据可以认为是连续的声音数据流 这些编码数据中包 含了帧的信息 这种格式的优点是不会为信道加重带宽的负载 缺点是解码器在合成语 音波形前需要接收 10 12 帧的数据才能达到与数据流同步的目的 同时 非帧格式下 每 帧只指定一位用于数据的对齐 在更高误码率的信道中 需要增加更多的对齐位才能达 到更高的性能 用帧格式就能很容易实现 当工作于帧格式时 信道数据的接口可以是串行的也可以时并行的 而非帧格式只 局限于串行 另外帧格式使芯片既可以工作于主动模式也可以工作于被动模式 而非帧 格式只能工作于被动模式 总的编码数据由两部分组成 语音数据和前向纠错数据 前向纠错数据加到语音数 据中使解码器能够纠正一定量的错误而使数据帧不至于报废 如果信道传输时可能存在 较多的错误 那么就应当增加前向纠错数据的位数 当然声音要达到高质量的话就必须 有更多的语音数据位 图 5 4 语音处理模块 语音处理模块如图 5 4 所示 就功能来说 AMBE 1000 是一款优秀的语音压缩处理 器 就其能达到的最低压缩速率来看 已达到了世界先进水平 而且能够保证高质量的 通话质量 这使得它在世界范围内得到了广泛应用 但其压缩算法为非标准算法 致使 由 AMBE 1000 构成的语音处理系统只能用在某些专用网上 即使如此 它仍不失为在语 音处理领域一款优秀的处理器 5 2 电源模块电源模块 电源模块原理如图 5 5 所示 电源模块是一个开关电源电路 开关电源是利用现代 电力电子技术 控制开关管开通和关断的时间比率 维持稳定输出电压的一种电源 开关电源一般由脉冲宽度调制 PWM 控制 IC 和 MOSFET 构成 交流输入整流滤波开关电路整流电路稳压电路滤波电路直流输出 取样电路隔离电路 控制电路 PWM 过压保护 过流保 护 图 5 5 电源电路原理图 其整体思路是先整流 PWM 调制 稳压 滤波 直流输出 采用单闭环回路进行控 制 PG 3 V 4 V 5 L 1 N 2 A C D C U 1 C1 220uF 16V 1 2 3 J1 市市220V C2 0 1uF V CC 图 5 6 电源电路 电源部分供电电压是交流 220V 电压 当交流供电电源的电压或输出负载电阻变 化时 稳压器的直接输出电压都能保持稳定 直流稳压电源的参数有电压稳定度 纹 波系数和响应速度等 电压稳定度表示输入电压的变化对输出电压的影响 纹波系数 表示在额定工作情况下 输出电压中交流分量的大小 后者表示输入电压或负载急剧 变化时 电压回到正常值所需时间 以改变调整元件 或开关 的通断时间比来调节输 出电压 从而达到稳压 电源功耗小 效率可达85 左右 只需在电路中加入一定 的滤波电路 即可实现整个电路电压的稳定性 电源电路原理图如图5 6 所示 同时电源电路中还包括稳压电路 其主要构成部分是稳压二极管 稳压二极管 又叫 齐纳二极管 是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管 简称稳压管 此二极管是一种 直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件 稳压管在反向击穿时 在一 定的电流范围内 或者说在一定功率损耗范围内 端电压几乎不变 表现出稳压特 性 因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中 图 5 7 电源滤波电路 电源滤波电路如图 5 7 所示 电源滤波电路滤去电源中的纹波 可保证电源供电的 稳定性 由于电路处于高开关电源的环境下以及电源的质量较差的环境下 通过滤波可 保证电源的质量 以提高电源供电的平稳性 图 5 8 电源模块 电源模块实物如图 5 8 所示 其具有如下的特点 高效率 高可靠性 隔离单电压输 出 体积特别小 功率密度大 占线路板空间小 隔离电压高 耐冲击性好 高低温特 性好 能满足工业级产品技术要求 国际标准引脚方式 阻燃封装 满足 UL94 V0 要求 温升低 自然空冷 无需外加散热片 无需外加元件可直接使用 因此本系统选用此电 源模块 3 组态界面设计组态界面设计 自 2000 年以来 国内监控组态软件产品能 技术 市场都取得了飞快的发展 应用 领域日益拓展 用户和应用工程数量不断增多 充分体现了 工业技术民用化 的发展 趋势 在整个自动化系统中 软件所占比重逐渐提高 虽然组态软件只是其中一部分 但因其渗透能力强 扩展性强 近年来蚕食了很多专用软件的市场 因此 监控组态软 件具有很高的产业关联度 是自动化系统进入高端应用 扩大市场占有率的重要桥梁 在工程实践中 经常要用组态软件完成工业现场的各种集中控制功能 而随着现代 以工业 PC 为核心的自动控制集成系统的日趋完善和工程技术人员使用组态软件水平的不 断提高 用户对组态的要求侧重于实质性的应用功能 而不是过去的画面清晰简洁 而 组态软件的开放性及组态环境的可扩展性为用户提供了其存在的巨大潜力 本设计主要完成用组态王软件构建上位机与单片机之间的通讯 为用户提供更方便 可靠控制操作界面 方便其对工业现场的信号采集与控制 3 1 组态软件的功能特点组态软件的功能特点 组态软件具有数据信号采集 脚本功能 控制功能 支持 Internet 及可扩展性和开放 性等功能特点 3 1 1 性质性质 1 组态软件的可扩展性 可扩展性为用户提供了在不改变原有系统的情况下 向系统内增加新功能的能力 这种增加的功能可能来自于组态软件开发商 第三方软件提供商或用户自身 增加功能 最常用的手段是 ActiveX 组件的应用 目前还只有少数组态软件能提供完备的 ActiveX 组 件引入功能及实现引入对象在脚本语言中的访问 2 组态软件的开放性 随着管理信息系统和计算机集成制造系统的普及 生产现场数据的应用已经不仅仅 局限于数据采集和监控 在生产制造过程中 需要现场的大量数据进行流程分析和过程 控制 以实现对生产流程的调整和优化 现有的组态软件对大部分这些方面需求还只能 以报表的形式提供 或者通过 ODBC 将数据导出到外部数据库 以供其他的业务系统调 用 在绝大多数情况下 仍然需要进行在开发才能实现 随着生产决策活动对信息需求 的增加 可以预见 组态软件与管理信息系统或领导信息系统的集成必将更加紧密 并 很可能以实现数据分析与决策功能的模块形式在组态软件中出现 3 1 2 特点特点 1 数据采集方式 大多数组态软件提供多种数据采集程序 用户可以进行配置 这种情况下 只能由 组态软件开发商提供 或者用户按照某种组态软件的接口规范编写 由 OPC 基金组织提 供的 OPC 规范基于微软的 OLE DCOM 技术 提供了分布式系统下 软件组件交互和共 享数据的完整的解决方案 2 脚本的功能 脚本语言是扩充组态系统功能的重要手段 因此 大多数组态软件提供了脚本语言 的支持 具体实现方式可分为三种 一是内置的类 C Basic 语言 二是采用微软的 VBA 的编程语言 三是少数组态软件采用面向对象的脚本语言 类 C Basic 语言要求用户使用 类似高级语言的语句书写脚本 使用系统提供的函数调用组合完成各种系统功能 微软 的 VBA 是一种相对完备的开发环境 采用 VBA 组态软件通常使用微软的 VBA 环境和组 件技术 把组态系统的对象以组件的方式实现 使用 VBA 的程序对这些对象进行访问 3 对 Internet 的支持程度 现代企业的生产已经趋向国际化 分布式的生产方式 Internet 将是实现分布式生产 的基础 组态软件能否从原有的局域网运行方式跨越到支持 Internet 是摆在所有组态软 件开放商面前的一个重要课题 限于国内目前的网络基础设施和工业控制应用的程度 在较长时间内 以浏览器方式通过 Internet 对工业现场的监控 将会在大部分应用中停留 于监视阶段 而实际控制功能的完成应该通过更稳定的技术 如专用的远程客户端 由 专业开发商提供的 ActiveX 空间或 Java 技术实现 4 组态软件的控制功能 随着以工业 PC 为核心的自动控制集成系统技术的日趋完善和工程技术人员的使用组 态软件水平的不断提高 用户对组态软件的要求已不像过去那样主要侧重于画面 而是 要考虑一些实质性的应用功能 如软件 PLC 先进控制策略等 3 2 设计步骤设计步骤 1 了解设计所需的控制要求 2 使来自单片机的数据与计算机图形画面的各元素关联起来 3 与采集 控制设备间进行数据交换 4 最终生成的应用系统运行稳定可靠 3 3 人机界面的设计思路人机界面的设计思路 本设计是对架空人车的远程监控 所以监控画面需有架空人车的运行状态监控画面 同时在人车运行中 监控画面上还需显示每个轿厢的人员乘坐状态 在运行过程中发生 故障时 监控画面中应有实时的报警信息 同时能对报警信息做出相应的处理 在保证 基本功能的基础上对画面进行美化 3 4 串口调试串口调试 组态王软件作为一种工业控制组态软件在国内已得到了非常广泛的应用 其具有强 大的硬件支持能力 对国内外绝大多数 PLC 变频器 板卡 模块 仪器仪表都编写了相 应的驱动程序 使用起来相当方便快捷 在本设计中 使用的硬件电路都是基于单片机 的电路 选择的软件开发平台是组态王软件 因此 实现单片机与组态王的数据通讯是 一个必须解决的问题 组态王提供了通过 PC 机与单片机串口进行十六进制数据通讯的驱动 而驱动中已经 规定好其通讯协议 所以只需要根据组态王的串口设备配置向导就能完成设备的连接 具体设备配置如 图 3 1 所示 图 3 1 串口设备配置 3 5 变量的定义变量的定义 人机界面需要与现场的实际情况实时同步 所以需要与外部数据采集程序直接进行 数据交换 在这里组态王把这些进行交换的数据定义为变量 3 5 1 基本变量类型基本变量类型 变量的基本类型共有两类 内存变量 I O 变量 IO 变量是指可与外部数据采集程序 直接进行数据交换的变量 如下位机数据采集设备 如 PLC 仪表等 或其它应用程序 如 DDE OPC 服务器等 这种数据交换是双向的 动态的 就是说 在 组态王 系统运行过程中 每当 I O 变量的值改变时 该值就会自动写入下位机或其它应用程序 每当下位机或应用程序中的值改变时 组态王 系统中的变量值也会自动更新 3 5 2 自定义变量自定义变量 为了与节点机进行数据交换 同时与图像画面进行动态连接 这里需要自己定义变 量 具体的变量定义如图 3 2 所示 图 3 2 自定义变量 3 6 组态画面的建立组态画面的建立 画面是组态王显示系统工作状态的主要组成部分 一个良好的可视化界面能够让工 作人员对系统的运行状况有最直观的了解 传统的人机控制界面许多过于单调乏味 本 着与人为本的设计思想 画面的美观而形象生动 易于理解和操作是本次设计的目标之 一 使用工程管理器新建一个组态王工程后 进入组态王工程浏览器 新建组态王画面 本设计共有 3 个画面分别为架空人车运行主画面 报警 人员乘坐状态 图 3 3 建立新画面 3 6 1 架空人车运行主画面架空人车运行主画面 此画面主要显示轿厢的运行状态 以及与其他画面之间的切换都是在这个画面上完 成的 由于组态王本身的画图功能并不是很强大 有许多功能不能在组态王软件中得到满 足 所以在本设计中多处用到了组态王的点位图工具 它的使用是借助 Windows 的剪贴 板 通过把在其它绘图软件中创建的图形复制到剪贴板 然后在组态王中使用编辑菜单 中的粘贴点位图领命 将图形粘贴到创建好的点位图对象上 1 背景画面 背景画面是对井下的情况大体的模拟 对架空人车的运行环境有个简单的体现 同 时也是为了让画面更加美观立体而设计的 通过简单的图形制作软件和组态王中点位图 的应用即可完成此部分的设计 具体设计如图 3 4 所示 图 3 4 背景画面 2 轿厢与索道 此部分是画面运行的主体部分 工作人员通过这部分能对系统运行状况有最直观的 了解 如图 3 5 所示 图 3 5 轿厢与索道 由于组态王的图库中并没有合适的图库精灵 本身的作图能力也不是很强大 对较 为复杂的图形的制作能力并不是很强 所以轿厢需要通过绘图软件自己制作 在由点位 图工具添加进来 索道只需要组态王中简答的线条工具就可实现 3 菜单 菜单部分主要作用是显示日期和时间 系统运行状况 出现故障时的故障类型 故 障复位按钮和人员监控画面切换按钮 如图 3 6 所示 图 3 6 菜单 最后将各个部分合理的结合在一起就完成了架空人车运行主画面的整体了 最终效 果图如图 3 7 所示 图 3 7 架空人车运行主画面 3 6 2 报警画面报警画面 报警是系统运行中的重要组成部分 在运行过程中发生各类故障在所难免 但是如 果能让监控人员及时发现系统故障信息 并及时通知维修人员对设备进行维修 就能够 有效的减少人员伤亡和财产损失 所以有一个良好的报警画面和系统故障类型的反馈是 本次设计的重要组成部分 1 系统运行提示 1 在系统正常运行时 系统菜单栏中 系统运行状态提示栏中显示 系统正常运 行 2 在有人员需要上行或下行时 按下安装在厢道中的乘车请求按钮 系统正常停 止 系统运行状态提示栏显示 系统正常停止 3 在系统出现故障时 系统因故障停止运行 系统运行状态提示栏中显示 系统 故障 2 报警提示 报警提示首先要给人最直观的提示 通知操作人员系统已发生故障 所以此画面设 计的需要十分醒目 效果如图 3 8 所示 图 3 8 报警画面 此画面为弹出式画面 系统发生故障时自动弹出 在出现故障报警时 只有维修人 员到现场进一步确认故障原因且处理故障 并确保设备正常后 才能由操作人员在监控 画面上手动点击 故障复位 按钮关闭该画面 并重新启动设备 3 故障类型 1 机头 机尾越位报警 当人员乘坐轿厢上行或下行进入机头或机尾的禁止越位点时 由安装在机头或机尾 禁止越位点的越位保护装置给控制系统一个越位的信号 控制系统停机并发出故障报警 同时人机界面显示窗口 机头越位 或 机尾越位 标签和报警灯闪烁 2 过速 欠速报警 当系统运行中速度传感器检测到的运行速度低于设定速度的 30 或超过 20 时 系 统发出故障报警 同时人机界面显示窗口 过速保护 或 欠速保护 标签和报警灯闪 烁 3 重锤下限保护 当重锤因牵引钢丝绳的伸长而下降 当下降到离地面 200mm 时 此限位保护装装置 将给控制系统一个限位信号 系统发出故障报警 同时人机界面显示窗口 重锤下限 标签和报警灯闪烁 4 断绳保护 钢丝绳在长期运行中出现断绳现象后 这时尾轮会迅速向后滑动 并触动断绳保 护装置 控制系统接到信号后 将自动停止运行 并发出故障报警 同时人机界面窗 口 断绳保护 标签和报警灯闪烁 5 急停故障 在架空人车的每个轿厢内 安装有突然事故急停开关 在沿途任意一位置只要工作 人员主动触发该按钮 相应的急停开关将给系统一个急停信号 控制系统将自动停止运 行 并发出故障报警 同时在人机界面窗口 急停故障 标签和报警灯闪烁 3 6 3 人员乘坐状态画面人员乘坐状态画面 为了对每部轿厢内的人员乘坐情况有最直观的了解 每部轿厢的座位下都会有一个 感应开关 当有人员乘坐时 开关会给上位机一个触发信号 上位机会对此信号进行处 理 并在人机界面上显示出来 效果如图 3 10 图 3 10 人员乘坐状态画面 此画面不需要长时间监控 可由工作人员在架空人车运行主画面上的 人员画面监 控切换 按钮手动切换 进入该画面后可由此画面中 退出 按钮退出此画面 3 7 命令语言程序命令语言程序 命令语言都是靠事件触发执行的 如定时 数据的变化 键盘键的按下 鼠标的点 击等 根据事件和功能的不同 包括应用程序命令语言 热键命令语言 事件命令语言 数据改变命令语言 自定义函数命令语言 动画连接命令语言和画面命令语言等 具有 完备的词法语法查错功能和丰富的运算符 数学函数 字符串函数 控件函数 SQL 函数 和系统函数 各种命令语言通过 命令语言编辑器 编辑输入 在 组态王 运行系统 中被编译执行 其中应用程序命令语言 热键命令语言 事件命令语言 数据改变命令语言可以称 为 后台命令语言 它们的执行不受画面打开与否的限制 只要符合条件就可以执行 另外可以使用运行系统中的菜单 特殊 开始执行后台任务 和 特殊 停止执行后台任 务 来控制所有这些命令语言是否执行 而画面和动画连接命令语言的执行不受影响 也可以通过修改系统变量 启动后台命令语言 的值来实现上述控制 该值置 0 时停止 执行 置 1 时开始执行 本设计中应用到的是应用程序命令语言 具体设计如下 在工程浏览器的目录显示区 选择 文件 命令语言 应用程序命令语言 则在 右边的内容显示区出现 请双击这儿进入对话框 图标 如图 3 11 所示 图 3 11 新建应用程序命令语言 双击图标 则弹出 应用程序命令语言 对话框 具体的命令语言编写如图 3 12 图 3 12 应用程序命令语言 此部分的命令语言是与主画面中的轿厢运行状况相关联的 通过以上语句与相关的 变量相结合实现了轿厢的循环移动 3 7 1 动画连接命令语言动画连接命令语言 对于图素 有时一般的动画连接表达式完成不了工作 而程序只需要点击一下画面 上的按钮等图素才执行 如点击一个按钮 执行一连串的动作 或执行一些运算 操作 等 这时可以使用动画连接命令语言 该命令语言是针对画面上的图素的动画连接的 组态王中的大多数图素都可以定义动画连接命令语言 如主画面中 人员监控画面切换 按钮 双击该按钮 弹出动画连接对话框 如图 3 13 所示 图 3 13 人员监控画面切换 按钮的动画连接 在 命令语言连接 选项中包含三个选项 按下时 当鼠标在该按钮上按下时 或与该连接相关联的热键按下时执行一次 弹起时 当鼠标在该按钮上弹起时 或与该连接相关联的热键弹起时执行一次 按住时 当鼠标在该按钮上按住 或与该连接相关联的热键按住 没有弹起时周期 性执行该段命令语言 按住时命令语言连接可以定义执行周期 在按钮后面的 毫秒 标签编辑框中输入按钮被按住时命 令语言执行的周期 单击上述任何一个按钮都会弹出动画连接命令语言编辑器 其用法与其它命令语言 编辑器用法相同 动画连接