基于DSP_ARM的煤矿井下环境监控系统的设计

1、基于DSP+ARM 的煤矿井下环境监控系统的设计收稿日期:2010-10-13;修订日期:2011-02-11作者简介:王志秦(1979-,女,河北唐山人,讲师,硕士,研究方向:模式识别,电子信息工程。王志秦(唐山学院信息工程系,河北唐山063000摘要:基于DSP+ARM 的煤矿井下环境监控系统能够对井下各种传感器信号进行处理,能够控制通风排水设备和开关量设备,并能通过CAN 总线和工业以太网接口与井上服务器设备通信,系统采用C/OS-II 实时操作系统实现任务的调度和切换。该系统组网简单,能够实时采集和传递环境参数信号,适应于多种工作场合,运行稳定,效果良好。关键词:监控系统;DSP ;A

2、RM ;CAN 总线;工业以太网中图分类号:TP277文献标识码:A 文章编号:1008-8725(201103-0150-03Design of Coal Mine Condition MonitorSystem Based on DSP+ARMWANG Zhi-qin(Department of Information Engineering ,Tangshan College ,Tangshan 063000,China Abstract:The coal mine condition monitor system based on DSP +ARM can collect and pr

3、ocess thesensor signal under the mine,control the sewerage and air moving devices,and communicate with the server device through CAN bus and industry Ethernet.The system use ?C/OS-II to manage the tasks.This system is easy to organize the network,collect and transport the data.It fit for different w

4、ork situation and works steadily and well.Key words:condition monitor system ;DSP ;ARM ;CAN bus ;industry ethernet0引言煤矿的井下环境十分复杂,既有瓦斯、一氧化碳等有害气体,又有煤尘、温度、湿度、电磁干扰对电机、通风和排水设备的影响,这些都可能构成对安全生产的威胁。因此设计一种通用的能够对井下各种环境参数进行实时监控的系统是煤炭生产的实际需求。煤矿井下环境监控系统是保证煤矿安全生产的重要设施,能够实时监控煤矿井下的各种环境参数,如瓦斯浓度、一氧化碳浓度、温度、风速、煤尘,和各种设备

5、运行状态参数,如电机运行情况,通风设备、排水设备运行状态等;并能够将各种环境参数实时反馈到井上的服务器;当发生故障或事故时能够自动报警并采取相应的有效措施1。该文设计了一种基于DSP+ARM 的煤矿井下环境监控系统,该系统能够对井下各种传感器信号进行处理,能够控制通风排水设备和开关量设备,并能通过CAN 总线和工业以太网接口与井上服务器监控设备通信。该系统组网简单,适应于多种工作场合,能够实时采集和传递环境参数信号,运行稳定,效果良好。1系统整体设计针对煤矿生产的特定环境,系统采用各监控点下位机,集中监控点上位机和总监控服务器3层结构构成。系统的整体结构如图1所示。监控点下位机放置在井下,用于

6、采集瓦斯、温度、煤尘等信号,并可用于检测采煤机、掘进机、风机等的电机运行情况,控制相关开关量与电机运行状态。下位机与相应集中监控点采用CAN 总线相连接,构成井下监控网络。集中监控点负责将监控点下位机采集的数据传送给总监控服务器,接收总监控服务器发出的指令并传送给各监控点下位机执行,同时集中监控点也可监控相应位置的环境状态。总监控服务器负责处理由下位机和各集中监控点传来的数据信息,进行存储,显示,分析。监控点下位机与集中监控点上位机所采用的监控设备均采用DSP+ARM 的硬件结构,根据所处位置的不同,通过软件实现不同功能,并采用C/OS-II 实时操作系统实现任务的调度和切换。总监控服务器由路

7、由器,监控计算机和信息处理软件构成。井下的CAN 总线网络通信距离远,可靠性高,易扩展,能有效支持分布式实时控制,工作在主从工作方式下最多能挂接110个节点设备,通第30卷第3期2011年3期煤炭技术Coal TechnologyVol.30,No.03March,2011信距离最远能达到10km 非常适合于煤矿井下的控制系统通信。井上通信方式采用工业以太网,方便实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接,设备成本低,技术支持广,适合于煤矿井上通信环境2。2环境监控设备硬件设计总监控服务器硬件由符合工业以太网标准的路由器和计算机组成,文中不再赘述。集中监控点上位机和监控点下位机采用了通用型硬件

8、设计,基本硬件结构由DSP+ARM 组成,如图2所示。设备核心运算通过DSP 系统实现,ARM 系统用来完成各种控制、通信、人机交互的功能。2.1基于DSP+ARM 的监控设备硬件设计监控设备采用DSP 芯片TMS320F28335内置的16通道12位A/D 转换模块(单通道转换时间80ns ,支持多通道转换对外界输入的多种传感器信号进行采样,然后通过TMS320F28335进行数据运算处理。TMS320F28335具有高性能的32位CPU ,最高300MFLOPS 的运算能力,采用哈佛流水线结构,能够快速执行中断响应,并具有统一的内存管理模式,可用C/C +语言实现复杂的数学算法,具有34k

9、*16bits 片内RAM 和独立DMA 总线等高性能指标,适合处理各种传感器信号3。TMS320F28335具有18个PWM 输出,包含6个高分辨率脉宽调制模块(HRPWM ,适合对电机进行PWM 控制。TMS320F28335将计算后所得的控制数据利用12位D/A 转换芯片DAC813转换成模拟信号用于传感器和电机的模拟量输出4。TMS320F28335将一定时间内采集的各种传感器参数按制定的格式打包存入双口RAM 芯片IDT7130中,ARM 芯片LPC2468读取数据后便可实现数据存储、实时显示以及根据报警判据来判断是否报警。LPC2468是NXP 公司生产的基于ARM7TDMI 体系

10、结构的微处理器芯片,具有性能强、功耗低等优异性能。它包括1个10/100以太网媒体访问控制器(MAC ,带有MII/RMII 接口和相关的DMA 控制器;2路控制器局域网(CAN 通道等,这些特性使之十分适用于多种用途的通信应用。芯片上电时从片外NOR 型FLASH 芯片SST39VF160(2MB*16bit 启动。LPC2468的外部存储器接口外扩高速SRAM 芯片IS61LV25616AL 作为系统变量区和堆栈空间。LPC2468外接的RTC 芯片DS1742具有实时时钟功能,并提供2k*8bit 的静态RAM 用以存储各种相关的传感器参数和报警记录。系统显示功能通过128*64点阵液晶

11、显示模块来实现,可以显示当前系统运行状态、各传感器参数及历史记录等信息,配以4*4键盘和拨码开关使用可实现时间、功能选择、各种参数的设置,报警记录查询以及网络控制等多种功能,并通过GPIO 口及驱动电路控制相关开关量和继电器的输出。系统硬件设计和电源等相关设计均考虑了防尘、防爆和电磁兼容,确保系统能在较恶劣环境稳定运行。2.2CAN 总线通信模块设计LPC2468的CAN 控制器提供了一个完整的CAN 协议实现方案,遵循CAN 规范V2.0B ;包括2个控制器和总线;支持11位和29位的标识符;双重接收缓冲器和三态发送缓冲器;外接CTM 系列工业级隔离CAN 收发器CTM1050T ,即可方便

12、实现CAN 总线物理接口。CAN 总线网络采用总线型拓扑结构,处于集中采集点的环境监控设备通过FullCAN 模式可实现系统网关功能5-6。2.3以太网模块设计LPC2468以太网模块包含一个功能齐全的10Mbps 或100Mbps 以太网MAC (媒体访问控制器,完全遵循IEEE 标准802.3,通过使用DMA 硬件加速功能来提供优化的性能。以太网模块的功能包括大量的控制寄存器组、半双工或全双工操作、流控制、控制帧、用于重新发送的硬件加速功能、接收包过滤以及LAN 上的唤醒。利用分散集中式DMA 进行自动的帧发送和接收操作,分担了来自CPU 的大量操作。模块通过标准的媒体独立接口(MII 连

13、接外部PHY 芯片DP83847即可实现物理接口。工业以太网采用集线器和交换机构成星形拓扑结构;采用图1 环境监控系统整体结构图2基于DSP+ARM 的监控设备硬件结构图王志秦:基于DSP+ARM 的煤矿井下环境监控系统的设计第3期151煤炭技术第30卷152屏蔽双绞线和RJ-45接头;当传输距离较远是可采用光纤网络7。3软件设计基于DSP +ARM 的监控设备的软件设计以 ARM 为核心,LPC2468的软件设计是在实时操作系统?C/OS-II 的框架下完成的。TMS320F28335的程序设计采用汇编语言编写,主要包括程序初始化、任务确定、传感器数据采集、FIR 滤波、数据存储、数字量输出

14、、PWM 控制等子程序构成。下文着重介绍ARM 控制系统程序设计。3.1基于C/OS-II 的系统程序设计基于ARM 的控制部分程序设计以C/OS-II 为基础进行程序编写,C/OS-II 具有一个完整,可移植,可裁剪的实时多任务内核,允许创建最多63个用户任务。C/OS -II 在ARM 上的移植需要修改OS_CPU.h 、OS_CPU_A.s 及OS_CPU_C.c3文件。用户任务程序创建了键盘扫描任务User_key(,液晶屏刷新任务User_LCD (,传感器数据监测任务User_sensor(,网络通信任务User_net(,CAN 总线数据传输任务User_can (,数据读写存储

15、任务User_data(等。系统通过键盘扫描任务确定系统功能,设定DSP 工作模式、警报信号范围、各种系统参数和需要显示、传输的信息等。液晶屏刷新任务不断刷新显示当前系统工作状态和采集到各项参数。传感器数据监测任务负责将数据与系统设定参数对比,如果超出信号参数范围即产生报警信号,并控制继电器采取相应的安全措施。网络通信任务负责与服务器通信交换数据,CAN 总线数据传输任务负责根据设备所在位置进行CAN 总线数据通信。数据读写存储任务负责将重要参数与报警记录进行存储备份。3.2网络通信软件设计监控设备系统网络功能的软件实现基于C/OS-II 和ZLG/IP 协议包。ZLG/IP 是一个经过压缩的

16、、可靠的、高性能的TCP/IP 协议栈,提供实现以太网IP 节点的功能。ZLG/IP 用ANSI C 编写,通过零拷贝缓存管理来实现最高效率,可支持多种CPU 。ZLG/IP 支持TCP ,UDP ,IP ,ARP ,ICMP 等多种协议,并为程序开发提供了Socket API 接口函数。利用Socket API 接口函数实现的通信任务User_net(的流程图如图3所示。4结语基于DSP+ARM 的煤矿井下环境监控系统能够对井下各种传感器信号进行采集和处理,能够控制通风排水设备和开关量设备,并能通过CAN 总线和工业以太网接口与井上服务器监控设备进行实时通信。该系统组网简单,适应于多种工作场合,能够实时采集和传递环境参数信号,控制多种设备,运行稳定,效果良好,对促进煤矿安全生产有着重要的意义。参考文献:1曾红.基于DSP 及Web 的分布式煤矿在线监测系统的设计J.煤炭工程,2009(7:119-121.2雷必成.嵌入式网络报警系统的研究与实现J