工作面监测监控系统中数据通信软硬件设计.pdf

工作面监浏监撞来统中数据通信软硬件设计 孙彦景工作面监测监控系统中数据通信软硬件设计 孙彦景(中国矿业大学信电学院)孟祥军(完矿集团)【摘 要】重点阐述了 犷山井下工作面监A ll 系 统多级分布式通讯的技米特点及实现方法;介绍了井下通信系统综合应用多种通信方式的 硬件结构、原理和设计方法;来 统使用嵌入式P C/1 0 4 作为井下撞刹中心，负责数据传粉和处理;对P C机之问、P C机与单片 机之问的通信软件设计的关 健进行了 讨论;提供了 在 视窗环境下可视化编租软件D e l p h i 实现的1 6 位和3 2 位的辛 行通信实例。论述了 井下串行通讯应用提高传精距离、降低差错率、琦强杭干扰能力和提高运行可靠性的方法和途径。关.词】分布式系 统 差分 O O P 嵌入式 查询1 系统简介散控制系统)。兴隆庄煤矿5 3 1 9 工作面综合监测系统，是国2 煤矿井下工作面监测监控系统工作原理家九五攻关项目 的延续，目 的是对煤矿井下工作本系统中，以A T 8 9 C 5 1 单片机构成前沿智面的主要设备、工况参数及工作状态进行监测，及能单元，可独立完成实时数据采集和控制任务。因时 发现隐患，为生产服务，提高经济效益。通信的此，智能单元和上级计算机P C/1 0 4(井下中心站)可靠 性和稳定性对整个系统的运行状况起着举足之间必须进行通信联系才能完成分散控制，集中轻重的作用.针对煤矿井下工作面特殊的自 然条监测 I 以适应井下监测监控的需要。件及安全要求，系统整体采用分布式控制结构(集 图1 系统结构图 在 应用系统中，中心站P C 微机作为主机，定处理和控制任务，又可将数据由系统间的通信链时扫描以单片机为核心的智能单元，以采集数据路介质传送给中心站P C机，P C机则将这些数据或发送控制信息。智能单元既能独立的完成数据进行处理和分析，通过各种形式显示出来并发送煤犷 自动化控制信号，同时将实时数据传输给地面P C机，接入I n t r a n e t 网络。因此，要完成分布式监测监控系统，必须解决好P C机与多台单片机之间的数据通信问题。井下系 统采用二级主从式结构，各部分间采用了主机查询，从机应答的方式，同一级别之间工作相互独立。某一单元工作出现问题随即挂起，避免系统间的干扰，维护系统的稳定。整个系统由 智能采集单元子系统、井下中心站和地面主机，地面客户 机组成。各监测子系统又由 多个智能监测单元构成。针对不同的环境条件，选择采用了 不同的通信 方式。系统构成如图1 所示。2.1主控中心设计:P C/1 0 4(P C I B U S一1 0 4 P I N S)符合嵌入式I E E E-P 9 9 6 总线标准。它去掉了普通计算机的主板、地板和插件槽，低功耗，小巧灵活，适合于工业生 产控制。在5 3 1 9 系 统中，经过采用各种防 爆和安全措施,P C/1 0 4 已获得成功使用，运行稳定。中心站配置如图 2 所示。一3 6 1 0=第三层 电流环模块一与地面主机通信陌离R S-2 3 2/R S-4 2 2/R S-4 8 5 棋块。2.2 系统通信方式工作原理 1)2 0 MA电 流环通信 在监测系统中，传输距离有数千米的，矿井电磁信号千扰强、弱电 信号易受影响。传统的2 0 m A电 流环靠电 流信号的有无传输信息，在条件特殊的矿井下不能使用。在系 统中 采用方法如下:(1)采用差分电流信号传箱，差分信号平衡驱动，克服了 共地对信 号传输的干扰;如图3 所示。+，VRXD地显示接口 C PU电 子 盘 奥 P C 1 0 4 甲口尾 滕 蒸 薰 诊黔F,i1L3F(COM3)IRT1 A(LPT)I6F?k撇 缨 瓢 蘸鬓C OW亚当模块 图 2 中心站配置 采用三层堆叠结构(C P U.1/0 Mo d u l e，S e r i a l E x t e n d e d Mo d u l e,F u n c t i o n Mo d u l e)第一层 C P U:8 0 4 8 6 D X 2，时钟频率:1 0 0/MH Z;双向隔离P C M-4 8 6 2:主板，4 8 6 A L L-i n-o n e结构;第二层 串口扩展 P C/1 0 4 模块一一一P C M 图3 差分电流环电 路 (2)在接收端，不对电流信号的有无进行检测，而是将电 流信号的方向转换成电平的高低，完成信号的 接收。当R X D+,R X D 一 之间通有正向电流时，二极管D 1 点亮发光,T L 导通，T 2 很止，R X D为高电 位;反之，D 2 点亮，R X D为低电 位，(3)采用不同 转换速率的光电信号转换器件，适应不同的通信速率(系统选用1 2 0 0 波特).2)R S-4 8 5 半双工通信:工作面和上顺槽总长约4 0 0 M，工作环境极其恶劣，设备嗓声和电 磁干扰非常严重，智能单元数量多(约4 0 个)，数据采集 量大。综合 考虑采用R S-4 8 5 标准进行通信，通信速率1 2 0 0 波特.(1)智能单元和中心站之间采用半双工通信制式，由主机查询各智能单元完成数据交换;(2)为减少总线的长度，采用了二级总线结构，设置二级管理单元，采用较低的数据传佑速率;(3)平衡驭动，差分接收，阀值电压2 0 0 m V,抗干扰能力强.3)F S K中 继通信:设备管理单元和数据采集单元之间采用F S K(F r e q u e n c y S h i f t K e y)中继通信，收发各使出山翻翻自山日奋沁工作面监浏监控系统中数据通信软段件设计 孙彦景3 1用两种颇率。3 系统通信软件设计3.1 智能单元子系统(前沿单片机)与井下中心站(1 6 位w i n d o w s 环境)的通讯程序设计 采用R S 2 3 2 C接口标准，实现 1 6 位w i n d o w s环境下的应用软件与单片机之间的通信。通信协议(P r o t o c o l);P C机查询指令格式:A d d r l+A d d r 2(双字节)智能 单元数 据格式:A d d r l+A d d r 2+L e n g t h+D a t a 1-t-D a t a 2+十D a t a n+校验和 1)A 丁 8 9 C 5 1 单片机的汇编语言通信程序流程 主程序对数据处理并送显示，响应主机查询进入中断程序，完成数据的传送工作。数据发送采用杳询方式。流程如图4 所示。R Xn 中断初始化传送数据修改指针主程序中断返回 图4 智能单元通信程序框图 2)1 6 位Wi n d o w s 环境下使用O O P编程语发送数据;言D e l p h i 进行通信软件设计系统设定的参数生成i n i 或d a t 格式的文件 W i n d o w，环境下的编程使用消息驱动的方保存在磁盘中，供程序初始化时调取。式，响应外部操作.Wi n d o w s 操作系统禁止应用在 1 6 位 w i n d o w s 环境的前提下，选用了程序 直 接访问 计算机硬件，为 程序员提供了 一系B o r l a n d 公司的D e l p h i 1.。作为 井下中 心站通信列Wi n d o w s A P I 函数。在Wi n d o w s 3.2 中，提供软件的开发工具。在D E L P H I 的WI N T Y P E S 和了WM-C O MMN O T I F Y的消息和记录 C B WI S N P R O C单元中包含了对于 Wi n d o w s A P I(D e v i c e C o n t r o l B l o c k),D C B中 记录有可定义的函数的所有实 现。的串口 参数，控制串口 的工作。对串口 进行操作:应用O O P编程，实现程序代码的重用;同时 O p e n c o m m来打开相应的串口，并且返回串可以由 类的实例对象提供操作的接口。基于口 操作句柄;上述原理开发了串行通信的控件，可以非常方便 G e t C o m m S t a t e 函数将系统默认值添入D C B地用于P C机和单片机的串行通信中。通信控件控制块;(T c o mm)编程部分关键代码:S e t C o m m S t a t e由用户修改其中的某些参p r o c e d u r e Wr i t e (D a t a:P C h a r;L e n;数，如:波特率、校验位、停止位。在与单片机的通Wo r d);/公有过程，外部程序访问接口，写串信 过程中，在单片 机的 地址中断方式下w in d o w s口b e g i n软件则 要求校 验位设定为M A R K或S P A C E.。i f h C o m m 0 t h e n e x i t;/h c o m m是串口 操 R e a d C o m m函数和 Wr i t e C o m m函数接收/作句柄煤犷自动化 i f Wr i t e C o mm(h C o mm,D a t a,L e n)0 t h e nE r r o r:=T r u e;/写 入 数 据 G e t C o m m E v e n t Ma s k(h C o m m.I n t e g e r($F F F F);e n d;p r o c e d u r e T C o m m.R e a d(D a t a:P C h a r;L e n:Wo r d);/与 T c o m m.Wr i t e()类 似，使用R e a d C o m m 语 句 R e a d C o m m(h C o m m,D a t a,L e n);3)井下中心站(1 6 位w i n d o w s)与地面主机(3 2 位w i n d o w s)的通讯 井下中心站响应地面查询发送数据部分仍然是1 6 位的通信程序，使用了上述的T c o m m控件。W in d o w s 9 x/N T把串 行口 设备作为文件流(I/O S t r e a m)，串口进行初始化与Wi n d o w s 3.x 不同。这样就要求为串行口 预先分配一个文件句柄，通过这个文件句柄完成操作。系统为程序员提供可以定义大小的读写缓存区，数据通信由操作系统后台完成，程序只需对缓存区执行读写操作。系统的地面主机使用D e l p h i 4.0,结合外部A P I 函数和多线程编程技术，实现串 行通信简单和方便。线程是进程的执行者，每个进程(应用程序)都由线程开始完成相应的执行。通信进程一旦开始，用C r e a t e F i l e()打开串口，S e t u p C o m m)初始化通信设备，并且封锁使用权;G e t C o m m S t a t e)和S e t C o m m S t a t e()填充和设置D C B;建立串行口监视线程，控制数据传输操作;C I o s e H a n d l e)关闭串口，释放资源。另外，通过事件对象的创建和设置，可以 避免多线程执行时的共享冲突，实现多线程同步。主 要应用C r e a t e E v e n(),S e t E v e n t(),P u l s e E v e n t()函数，创建和实现事件对象的信号同步。并用W s it S i n g l e O b j e c t()函 数 等 待同 步的 触发.在消息处理的环节中，由于取消了1 6 位WM-C O M M N O T I F Y，必须自 行定义它.下面是对此事件的 部分处理代码:P r o c e d u r e Tma i n F o r m.P r o c e s s C o m m M e s s a g e(v a r Ms g:T Me s s a g e);刀处理通信消息刀变量定义 B e g i n Or:=C l e a r C o mmE r r o r(h c o m,l p e r r,C o m s t);刀由 参数 返回 通信设备状态 I f Or t h e n B e g i n C b N u m:二C o m s t.C b I n Qu e;R e a d F i l e(h c o m八B u f,c b N u m,R e a d N u m b e r,l p o l);/读串 行口 S e t E v e n t(P o s t-E v e n t);/处 理同 步事件 E n d;E n d;5 结论 本文根据国家“九五”攻关项目 具体的实施环节，详细阐述了井下工作面监测系统的通讯部分的软硬件设计的思路及实现方法.实践证明，整个系统的通信结构稳定性和可靠性较高，效果良 好，为煤矿井下工作面数据通信提供了 有益的借鉴。参考文献 1.李未操午，单片机接口技术及其在工业撞刹中的应用，陕西电子编样钾1 9 9 1 年。2.何立民，单片机应用来坑设计系统配豆与接口 技术，北京航空航天大学出版社1 9 9 2年。3.(美)C h a r l i e C a l v e rt,D e l p h i 编程技术内幕，机械i业出版社 1 9 9 9 年。4.P C/1 0 4 C o n s o r t i u m,P C/1 0 4s p e c i f i c a t i o n v e r s i o n 2.3 1 9 9 6 年。K J Z 一1 型 矿 井 通 风 机 性 能 在 线 监 测 及 通 讯系 统 目 前，我国通风机只能实现定期浏试，原因是当今:1 d 1 全风速(风于)普遮使用的传感尽为动压管、电子风向速度仪、多功能浏速仪等.这些仪琴，管孔口迎流浏速易堵、动压脉动信号误差大以及不适合含尘潮沮和流速不均千缺点。本来统成功地实现了通风机性能的在线监浏，第一套系跪已于9 4 年7 月在充州局鲍店矿北风机投入运行，收到良好的经济效果。联系人:任于晖电话:(0 5 1 6)3 8 8 4 4 1 8