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=lj论文基于ARM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CAN有线网络和Zigbee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

2、形式直观的显示出 来。基站和基站控制器是以ARM系列LPC2 11 9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Zi gbee技术的SZ05系列嵌入式无线收发模块进行组网通信，采用MC14L C 5 4 8 0语音芯片实现系统的语音功能，基于LPC211 9内置的CAN控制 器辅以P82C 2 5 0收发器实现多基站间的网络连接。基站控制器通过CAN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RS 2 3 2与控制中心PC机进行信息交互。在此硬件平台的基础上，给出了 基于LPC2 11 9微处理器下的软件

3、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PC机端人机界面设计经多次调试，实现了控制中心PC机接收安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：LPC2119，Zigbcc，语音通信，人机界面，CAN总 线Abstract硕：L论文AbstractThesafetysystemofcoalmineraisedinthetextconsistsofthebasestation，thebasestati

4、oncontroller，thecontrolcenterandsecurityinformationterminal.ThissystemCanmonitortheconcentrationofgasandotherharmfulgasesattherealtimeanddynamiclly，itcanalsomonitorthesecur itysituationmayexistsintheminebymanmachine.ThemeshworkundergroundoftheminecombinesthelineatenetworkofCANandthewirelessnetworkof

5、Zigbee，themonitorspaceextendstoeveryworkareathroughthesafetyinformationterminalwhatminerstake,itactualizesdynamictrackbythisway.WeCanetoricaldetemperaereportoesedataiendlyintestationesignedoprocessounicatiomationteebasestaerminalcghtheSZOansceivexaminetata.ofttureandfthealantheforerfaceiandbasentheb

6、asrLPC211ntaskberminalationandommunic5seriesrmodulehelatesthegasconthehumidrmingrecmofcalventhecontstationceofARMse9,theycotweenthendtheconthesafetatewitheofernbedswhichbatechnology.Thespeechcactuali zesthespeechfunct em.BasedontheCANcontroll2119andtheP82C25Otranscdataandthehiscentration,thity,exami

7、ngthordsandshowththroughthefrirolcenter.Basontrolleraredriescoremicrompletethecommsecurityinfortrolcenter.ThyinformationtachotherthroudedwirelesstrsedontheZigbehipMC14LC548Otionsofthesyserbuilt inLPCeivercarryouttheconnectionbetweenthebasestations.Basestationcontrollerscommunicatewith basestationsth

8、roughtheCANbus,inspectthestateofbasestation,harmonizetheinformationtransmissionbetweenthebasestationsandthemobileterminals,communicatewit hthePCinthecontrolcenterthroughRS232.Onthishardwareplatform,thetextgivesthedes ignprocessofthesoftwarebasedontheLPC2119microprocessor,itincludestheiniti alization

9、,theestablishmentofthecommunicationprotocolofthewirelesscommunicationmo dule,thedesignofthecommunicationprocedures,thesoftwaredesignandprogrammeofthe speechfunction,thedesignofcommunicationprotocolbetweenthebasestationandtheba sestationcontrollerandthedesignoftheirmainprogrammes,thedesignofthesystem

10、monito ringprogram,andthedesignofinterfaceont hePCsideinControlCenter.Duringtestingformanytimes,thesystermrealizesthatthecontrolcenterreceivesthedataofenvironmentalparameterswhichdetectedbythesecurityinformationt erminal,determinewhetherthegasconcentrationOVerthewarningline,achievedtoqueryt hedata,v

11、iewcurvesandsendordersthroug hman.machineinterface.Keywords:LPC2119,Zigbee,speechcommunication,man.machineinterface,CANbusII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

12、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2 4 2日硕士论文基于ARM的煤矿安全系统设计1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

13、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。1.1课题研究背景我国煤矿自然条件复杂，4 7%的矿井属于高瓦斯或瓦斯突出矿井【1】。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【2】， 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

14、系统及 其配套产品也越来越多【2】。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CAN总线CAN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【3】。安

15、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 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4。所以本设计 基于ARM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。1绪论硕上论文1.2国内外发展概况煤矿安全监控技术起步于2 0世纪6 0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b儿6】。1）国外煤矿安全系统的现状国外煤矿

16、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，60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CTT 6 3 /4 0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Siemens公司的TST系统和F + H公司的T F 2 0 0系统，其中TST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

17、 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MINOS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

18、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MSA公司DAN 6 4 0 0系统。2）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2 0世纪8 0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IKL95、KJ 90等具有 世界先进水平的监控系统阻1。我国目前装备的安全监控系统大约

19、有3 0多种，主要存在以下几点不足脚：a）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2硕士论文基于ARM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b）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RS 4 8 5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的专用通 信协议， 很难相互兼容。C）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

20、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陌1。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。a）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

21、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。b）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

22、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。C）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1绪论硕：1: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，发生故障后，找出故障源，确定故障的原 因，判断故障的严重

23、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。1.3研究内容本学位论文的研究课题是基于ARM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，并将传感器测得的数 据和语音信息通过基于Z

24、igbee的无线通讯模块发送给基站。Zigbee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CAN总线连接，CAN总线具有很强的可扩展性，数据传输速率可达到1兆四3。控制中心接收到上传的数据并存储在数据库中，在PC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A RM7系列的LPC2119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：1）煤矿安全系统的总

25、体设计：包含系统概述、系统设计原则、系统构成；2）硬件设计：包括基站和基站控制器的CPU即LPC211 9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；3）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。1.4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LPC 2119微处理器及其外围电路设计、CAN总线通信控制

26、电路、语音电路和无线 通信模块接E14硕士论文基于ARM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。52煤矿安全系统总体设计硕：:论文2煤矿安全系统的总体设计2.1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Zigbee技术的 井下无线局域网将安

27、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2.1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Zigbee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

28、编号信息的数据加 上基站地址等信息再打包，通过CAN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PC机；PC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PC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。6 8 8 8?围囤匡图2.1煤矿安全系统结构简图硕士论文基于ARM的煤矿安全系统设计系统具有语音功能，控制中心可以请

29、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v.7-/-gu d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：1）满足煤矿监测监控

30、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。2）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。3）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，国家煤碳部门可以统一管理所有煤矿。2.2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ARM7系列微处理器（LPC211 9）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

31、的原则为：1）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。2）实用性：系统功能完备、可靠性高，能够应用于实际煤矿上3）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。2.3硬件系统的构成煤矿安全系统主要由以下几个模块组成：1）安全信息终端：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。2）基站：包含无线收发模块、ARM微处理器及其外围电路、语音电路、C AN接口电路。无线收发模块选用SZ05系列无线通信模块，它集成了符

32、合Z1 gbee协议标准的射72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ARM微处理器选用基于ARM7TDMI.SCPU的微控制器，内 嵌CAN控制器的LPC2 11 9,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。3）基站控制器： 包括ARM微处理器及扩展的CAN总线接口、 串口和JT AG接

33、口ARM微处理器选用ARM7系列芯片LPC2119ARM的设计 实现了小体积但高性能的结构，ARM处理器的结构简单使ARM的内核非常小，这样它的功耗非常低，ARM是精简指令集计算机，它集成了典型的RISC结构 特性哼1。本设计中选用ARM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。4）控制中心及其外围部件：包括PC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，PC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。2.4软件系统的构成2.4. 1无线局域网目前绝大多数煤矿安全系统

34、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【4】。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、R FID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W1FiBluetoothLrWBZigbee等（10】【ll】Zig bee是一

35、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，它工作于无需注册的2.4GHzISM频段【12t13】，传输速 率为1 0 2 5 0kbps，传输距离大于10 OmoZigbee可组建一个多达6 5 0 0 0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IE EE 8 02.1 1和IEEE802.15.4两个标准，它可以为井下提供高达9 0%的信号覆盖和接近1O米的定位精度【14】，Zigbee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Zigbee技术的星型无线局域网，无线通讯设备选用SZ05系列嵌入式无

36、线通信模块。8硕：t论文基于ARM的煤矿安伞系统设计2.4.2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2.2所示。图2.2控制中心监控软件体系结构框图控制中心的PC机端人机界面设计以VB6. 0作为软件开发工具Visu alBasic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Win

37、dows下的监控应用软件使用简单、开发效率高。VB提供了串口通信控件MSComm，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。MSComm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MSComm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。MSComm控件处理通信的方式有两种，分别是事 件驱动方式和查询方式【151。事件驱动方式是利用MSComm控件的OnC omm事件捕获并处理通信事件，O nComm事件也可以检查和处理通信错误： 查询方式通过

38、检查CommEvent属性的值来查询事件和错误。2.4.3系统开发调试软件基站和基站控制器都是基于ARM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ARM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92煤矿安全系统总体设计硕士论文统启动时在进入c语言的mai n函数之 前，需要有一段启动程序来完成对ARM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ARMADS开发环境来完成基站和基站控制器的软件设计。ARMADS(ARMDeveloperSuite)支持所有ARM系

39、列 处理器，是ARM公司推出的新一代ARM集成开发工具【16 1。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ADS中都得以实现ARMA DS由代码生成工具、集成开发环境、 调试器、 指令模拟器、ARM开发包和AR M应用库组成ARMADS除了支持ARMSDT支持的运行操作系统，还可以 在Windows200 0 /Me及RedHatLinux上运行。在开发初期使用ADS1.2中的AXD调试软件，AXD调试器是ARM扩 展调试器，包括ADW/ADU的所有特性，支持硬件仿真和软件仿真(ARMu 1ator)oAXD能够装载映像文件到目标内存，具有单步、全速和断点等

40、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H .JTAG，它是一款新型的仿真器。目前，可以支持大部分A RM7微控制器和部分ARM 9芯片，支持ADS1.2集成丌发环境，支持下载 程序到片内FLASH和特定型号的片外FLASH，采用ARM公司提出的标准2 0脚JTAG仿真调试接口。这款仿真器需要H .JTAG软件(调试代理)的 支持。lO硕士论文基于ARM的煤矿安全系统设计3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CPU及其外围电路和CAN总线接口电

41、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3.1所示。图3.1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CPU控制无线通信模块收发数据，提 供CAN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CAN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CAN接口外还提供串行口来和PC机通信。本设计选用低电压、低功耗的ARM7内核 的LPC211 9处理器作为基站和基站控制器的CPU,LPC211 9最小系 统外接无线通信模块、语音电路和CAN收发器能实现基站的功能，LPC2 11 9

42、最小系统外接CAN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H .JTAG仿真器，所以需要在设计时扩展出JTAG接 口LPC2 11 9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；JATG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；UART接口电路：实现与PC机之间的串口通讯；CAN总线接口电路：对 总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力。3煤矿安全系统硬件设计

43、硕：t论文3.1CPU及其外围电路3.1.1LPC2119微处理器LPC2119是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6/3 2位ARM7TDMI.SCPU，并带有128k字节（kE）嵌入的高 速FLASH存储器。128位宽度的存储器接1:3和独特的加速结构使32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16位Thum b模式将代码规模降低超过3 0%，而性能的损失却很小LPC211 9有极小 的6 4脚封装、极低的功耗、多个3 2位定时器、4路10位ADC、2路CAN以及多达9个外部中断【17】。LPC211 9内部包含一个支持仿真的ARM7TDMI.SCPU、与片 内存储器

44、控制器接口的ARM7局部总线、与中断控制器接口的AMBA高性能总 线（AHB）和连接片内外设功能的VLSI外设总线（VPB,ARMAMBA总线的兼容超集）AHB外设分配了2M字节的地址范围，它位于4G字节AR M存储器空间的最顶端。每个AHB外设都分配了16k字节的地址空间LPC 2 11 9的外设功能（中断控制器除外）都连接到VPB总线AHB到VPB的 桥将VPB总线与AHB总线相连VPB外设也分配了2M字节的地址范围，从3.5GB地址点开始。每个VPB外设在VPB地址空间内都分配了16k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

45、定应用中的需求【9】。LPC211 9内部集成的FLASH存储器可用作代码和数据的存储。对F LASH存储器的编程方法有通过内置的串行JTAG接口、通过串口进行在系统 编程（ISP ）和在应用编程（IAP）14】。使用在应用编程的应用程序也 可以在应用程序运行时对FLAH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JTAG的在系统编 程，通过PO.14引脚接一个上拉电阻（一个连接到3.3V的电阻）可以禁止ISP功能LPC211 9具有16K字节静态洲，也可用作代码或数据的存 储SRAM支持8位、16位和32位访问SRAM控制器包含一个回写缓

46、冲 区， 它用于防止CPU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SRAM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SR AM（数据只有在软件执行另外一次写操作时被写入SRAM）。如果发生芯片复 位，实际的SRAM内容将不会反映最近次的写请求（即在一次热 芯 片 复 位后，SRAM不会反映最后一次写入的内容)。任何在复位后检查SRAM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SRAM。LPC211 9共有个引脚，多数引脚可被配置成具有多

47、个功能，这通过管 脚连接模块来完成，模块必须由软件进行控制以符合外设功能与管脚在特定应用中 的需求，没有12硕上论文基于ARM的煤矿安伞系统设汁连接到特定外设功能的引脚由GPI O寄存器进行控制。管脚连接模块包含3个寄存器：管脚选择寄存器0 (PINS ELO )、管脚选择寄存器1 (PINSEL1)、管脚选择寄存器2(PINS EL2)。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LPC2 11 9有2个3 2位的通用I/O口，PO RTO使用了3 0个管脚，PORT1有多达

48、16个管脚可用作GPI O功能。P ORTO和PORT 1由2组(4个)寄存器控制，即I OPIN、IOSET、IODIR、IOCLR。具体管脚配置的功能由目标板初始化函数来实现LP C211 9及扩展管脚如图3.2所示，未使用的管脚引出连接到插座LP6、L P7上，以便今后扩展使用。电容C23、C24、C25、C26、C27、C 2 8、C2 9的作用是滤波，经滤波电路后，CPU输入稳定的电压。Ip矗TP，朗鲫图3.2LPC211 9及扩展管脚图3.1.2电源电路电路板上主要需要3种电压：5V、3.3V和1 .8VLPC211 9芯 片需要双电源供电，1.8V内核电压和3.3V功能外设电压，

49、CAN接口电路 和语音电路需要5V电源供电。在设计电路板时把5V电源引出至POWER2供 扩展或调试时使用LED9是电源指示灯，用来直观的显示电路板的供电状态 二极管1N5 8 1 9在电源反接时不导通，防止电源反133煤矿安全系统硬件设计硕：1二论文接时烧坏电路中的元器件。输入的5V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SPX1 117系列LDO芯片SPX1117M.3.3和SPX1117M.1.8将5v电压转换为3.3V和1 .8Vt181,1 OuF的输出电容可有效地保证SPX1117M.3.3和SPX1117M.1.8的稳定性。 电路板上电源 电路的原理图如图

50、3.3所示。17 1SPIrI|171n.33陆t1z?鼢图3.3电源电路3.1.3时钟电路LPC211 9微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，通过片内PLL电路 可实现最大为6 0MHz的CPU操作频率。当1MHz 50MHz频率范围内 的一个占空比因数为5 0%的信号从XTAL1脚输入到LPC211 9时，LP C211 9微控制器的内部振荡电路支持1MHz30MHz的外部晶体。如 果片内PLL系统或引导装载程序被使用，输入时钟频率将被限制到10 MHz 2 5MHz。在本设计中，使用外部1 1 .0 5 9 2 MHz晶振，用1M电阻R3 8并接到 晶振的两端，电容C8与C9大小为3 0

51、pF，使系统更容易起振，波特率更精 确，同时能支持LPC211 9微控制器片内PLL功能。时钟电路如图3.4所 示。14图3.4时钟电路图ISP（in.systemprogramming，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ARM的煤矿安全系统设计备上取出就能对其进行编程的过 程。ISP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LPC2119处理器通过内部的Boot装载程序和串口来 实现对片内FLASH存储器进行编程和再编程。电路板上的ISP功能是通过跳 线JP

52、1来控制的。当使用ISP下载程序时，上电前需要将Po.14脚拉低， 将JP1短接；不使用ISP功能时，上电前需要开路JP1，否则系统无法进入 调试状态。如图3.5所示。ISP =图3.5ISP跳线电路3.1.4带12C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ISP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ARM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。LPC211 9有两个复位源：RESET管脚和看门狗

53、复位RESET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RESET保证芯片 复位所必须保持的最短时间RESET旦有效，只有当晶振运行稳定并且LP C211 9的XTAL1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0开始运行，此处为BootBlock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

54、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P1.20/TRACESYNC,P1.26/RTCK,BOOTl和BOOT0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P0.14进行检 测。芯片复位可以发生在FLASH编程或擦除操作过程中，FLASH存储器会 中断正在进行的操作并使CPU复位延迟到内部FLASH高电压降低后才完成。153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CAT1025W I，它内嵌有一个2K位的串行E2PROM，具有4 0 0 kHz的12C总线接 口19 1

55、，因此在系统中CAT 1 0 2 5 WI还被用来存储基站的地址，即系统 分配的基站标号。CAT 1 0 2 5 WI的.RESET引脚连接到LPC211 9微处理器的复 位引脚RESET。当复位按键KEY4按下时，CAT 1 0 2 5 WI的.RES ET引脚的输出信号使芯片LPC2119复位。12C总线需要外接上拉电阻R 17、R18。另外注意CAT 1 0 2 5芯片的.RESET引脚的上拉电阻R1 6是不能省略的。其电路原理如图3.6所示。CT1UDWI图3.6复位电路图3.1.5JTAG接口电路JTAG接口是电路板调试时的调试接口，是用来完成烧写操作的。JTAG仿真器是通过ARM芯

56、片的JTAG边界扫描口进行调试的，它通过现有的JTA G边界扫描口与ARMCPU核通信，属于完全非插入式（即不使用片上资源）调 试。J1AG本设计中选用H .JTAG仿真器，它是一款新型的仿真器，需要H .JTA G软件（调试代理）的支持。JTAG信号接口定义如下：P1.26RTCK返回的测试时钟输出。它是加载在JTAG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RESET为低 时，该引脚线上的低电平使P1.26/P1.31复位后用作一个调试端 口；P1.27TDOJTAG接口的测试数据输出；P1.28TDIJTAG接口的测试数据输入；P1.29TCKJTAG接口的测

57、试时钟；P1.30TMS兀AG接口的测试方式；P1.31瓜STJTAG接口的测试复 位。JTAG调试接口与LPC2119微处理器之间的连接如图3.7所示。1 6硕J:论文基于ARM的煤矿安伞系统设计DP16IIDP3V3图3.7JTAG调试接口电路3.1.6UART接口电路系统通过LPC2 11 9的UARTO(PO.O,PO. 1)与PC机进行 数据交换， 但由于UARTO输出的信号电平(TTL电平)和PC机的RS23 2接12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，这里采用SP 2 3 2 E芯片来实现这一功能，SP 23 2 E芯片所需的供电电压低，其外围电路

58、连接简单，仅需几个电容即可RS23 2是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口RS232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3.8所示。= C10C3rDmn.1104-CONIIC14。邑VCCCl + 1?瓜I.2 31口46 6v + cl.4V ?e2+V210 41 3宰I 1 10 4 5 1GNDc 2 . 75I IV2 0 11I I 1 1 JA8 . T1 4TlOUTTIIN12IiloV3- / , 1 1RIINRIOUTO-A9V57T20L厂:rr2IN10P0 02I89P01R2INIUOUTjr厶，Z巳图3.8UAR

59、T接口电路3.1.7按键显示电路1）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KEY1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KEY2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KEY1作 为查询基站工作状态的功能按键，按下KEY1就发送查询命令。其它按键主要在 测试时使用。由于LPC21193煤矿安全系统硬件设计硕：E论文微处理器芯片的引脚P0.14、P0.15、P0.16配置为EINT功 能时，内部没有上拉电阻，需要外接上拉电阻R19、R20和R21。按键电路 如图3.9所示。DP3X 图3.9按键电路2）显示电路电路

60、板提供了4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3.1所示。使用LPC211 9微处理器的引脚P0.17、P0.18、P0.19、P0.2 0控制LED闪烁。采用灌电流方式来驱动LE D,即输出低电平时LED点亮。程序首先设置PINSELO、PINSEL1进行引脚连线，然后由IO ODIR设置PO.17、PO.18、PO.19、PO.2 0为输出模式，即可通过对IOOSET和IOOCLR寄存器进行口线 置1或置0输出控制。显示电路如图3.1 0所示。表3.1指示灯指示状态以及表示意义LEDI数据接收状态LED2LED3LED4数据发送状态基站：语音通话状态基站控制器