基于ATmega48單片機和虛擬儀器技術實現(xiàn)井下多參數(shù)智能監(jiān)測系統(tǒng)的設計

1、引言

監(jiān)測井下生產狀況參數(shù)包括監(jiān)測礦井空氣中有害或危險成分、礦井空氣物理狀態(tài)、通風設備運行狀態(tài)以及其他參數(shù)。一般監(jiān)測對象包括瓦斯、風速、負壓、溫度、液位等。井下生產狀況參數(shù)監(jiān)測的工作環(huán)境惡劣、監(jiān)測點分散、監(jiān)測種類多、測點數(shù)量大、通信距離遠，并且對實時性和可靠性要求極高。因此，研制一種性能可靠、成本低的煤礦井下多參數(shù)智能監(jiān)測系統(tǒng)非常必要。采用當前流行的虛擬儀器技術實現(xiàn)上位機交互，并利用單片機成本低、集成度高、易于相互及與計算機通信等特點，開發(fā)了一種新型的井下多參數(shù)智能監(jiān)測系統(tǒng)。

2、系統(tǒng)總體設計

井下多參數(shù)智能監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)測分站系統(tǒng)、CAN總線通信系統(tǒng)、上位人機交互（監(jiān)控計算機）以及煤礦安全專家系統(tǒng)（數(shù)據(jù)庫查詢服務器）組成。其系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

2.1 監(jiān)測分站系統(tǒng)

監(jiān)測分站系統(tǒng)采用高性能ATmega48單片機作為主控器件，外接多個瓦斯、位移、壓力等傳感器，經(jīng)過外部模擬電路，送人單片機內置高精度A／D轉換器，實現(xiàn)多路模擬量的實時采集，并通過CAN總線通信系統(tǒng)實現(xiàn)與上位人機交互的數(shù)據(jù)交換。另外，監(jiān)控分機還可實現(xiàn)瓦斯、壓力等參數(shù)超標時的井下聲光報警，并根據(jù)上位人機交互命令進行相應的控制操作，有效避免事故的發(fā)生。

2.2 CAN總線通信系統(tǒng)

CAN總線通信系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)多個監(jiān)控分機與上位人機交互（監(jiān)控主機）的數(shù)據(jù)通信，將實時采集的模擬數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸。

2.3 上位人機交互

人機交互系統(tǒng)以Lab Windows／CVI虛擬儀器作為開發(fā)平臺，利用圖形化的軟面板、豐富的數(shù)字信號處理庫和高級函數(shù)分析庫資源，借助于計算機的強大功能實現(xiàn)與板卡之間的控制信息和采集信息之間的數(shù)據(jù)交換、歷史數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)曲線擬制等功能。

2.4 煤礦安全專家系統(tǒng)

煤礦安全專家系統(tǒng)采用Microsoft Access 2003作為開發(fā)軟件。將歷年各種模擬量參數(shù)指標以及在具體情況下避免事故發(fā)生需要采用的操作進行匯總，供人機交互系統(tǒng)查詢。人機交互系統(tǒng)根據(jù)查詢結果發(fā)送相應的控制命令，從而最大限度地減少事故。

另外，此系統(tǒng)還將打印分析的參考意見，供地面工作站人員查詢，以便實時改進。

3、監(jiān)控硬件設計

監(jiān)控系統(tǒng)主控器件以及外圍電路如圖2所示，其中外圍電路包含CAN總線通信電路、MAX1232外置看門狗電路、8路模擬量采集電路以及分時選通器件4051電路等。任意一路模擬量采集電路如圖3所示。

圖2和圖3配合使用，監(jiān)控系統(tǒng)最多監(jiān)控48路模擬量信號，大大擴展了采集范圍，并采用單片機內置的高精度10位A／D轉換器，在簡化電路的同時，保證了其監(jiān)測精度和速度。其工作原理：將傳感器接人（J1），當傳感器參數(shù)發(fā)生變化時，模擬量采集電路將此信號放大，經(jīng)過RC濾波電路，送入4051的一路通道，經(jīng)單片機控制選通后，送入單片機A／D轉換器，得到A／D轉換值。單片機將此數(shù)據(jù)通過CAN總線器件片送給上位人機交互，人機交互（監(jiān)控主機）將此數(shù)據(jù)與安全值相比較，如變化不大，則繼續(xù)監(jiān)測；如發(fā)生很大偏差，則將此信息傳遞給專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)經(jīng)過分析后，得出相應操作指令并將其反饋給人機交互（監(jiān)控主機），上位人機交互再將控制信息傳遞給單片機。從而產生相應的操作，以確保井下安全。

4、監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

此系統(tǒng)的軟件設計主要由專家系統(tǒng)、上位人機交互和監(jiān)控分機子系統(tǒng)組成。其中專家系統(tǒng)以Microsoft Access 2003為開發(fā)軟件，大量收集井下需要監(jiān)測的模擬量參數(shù)信息，以供監(jiān)控主機查詢參考。上位人機交互選用了NI公司的LabWindows／CVI，其界面友好，利用較少的儀器硬件和計算機資源代替了多種高檔數(shù)據(jù)記錄分析儀器。計算機可以自動分析數(shù)據(jù)和輸出報表等，大大提高了系統(tǒng)的智能化和測試效率，減少了人為操作誤差對檢測結果的影響，友好的人機交互界面為用戶提供了豐富的功能。

為了使單片機系統(tǒng)具有更好的實時性和代碼的最優(yōu)化，監(jiān)控分機系統(tǒng)的軟件設計采用匯編語言編寫。限于篇幅，這里只簡要介紹上位人機交互和監(jiān)控分機子系統(tǒng)的軟件設計。

4.1 監(jiān)控分機子系統(tǒng)

程序流程圖如圖4所示。從圖4中可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)能夠實現(xiàn)多種功能，包括多路模擬量A／D采集、數(shù)據(jù)暫存、液晶顯示、與上位人機交互通信以及開關量輸出等。設計時，采用模塊化思想，簡化了設計，提高了效率。

4.2 監(jiān)控分機子系統(tǒng)

為了便于代碼復用，虛擬儀器軟件開發(fā)采用分層設計，分為主程序控制層、人機交互層、數(shù)據(jù)處理層和儀器驅動層。

儀器驅動層是針對不同的硬件編制的驅動程序函數(shù)庫，完成I／O硬件接口與處理層的連接，是實現(xiàn)高層軟件與硬件無關的重要保證；數(shù)據(jù)處理層在后臺對用戶的操作進行解析計算，將控制字送給硬件驅動層；同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集控制、信號的分析與處理、數(shù)據(jù)的管理、標定程序、測試報告生成等；人機交互層完成人機界面交互，響應用戶的操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、與專家系統(tǒng)通信互換信息及報表的打印等功能。主程序控制層用于組織各部分協(xié)調工作，共同完成測試任務。該測試軟件中運用了Windows多線程技術，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)據(jù)顯示同時進行。

5、結束語

目前該井下監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)通過驗證。實驗證明其具有特點如下：與同類產品相比，具有精度高、可靠性強、工作性能穩(wěn)定、成本低廉的特點；采用單片機控制，簡化了測試設備結構，減少了故障環(huán)節(jié)，提高了工作效率和智能化；測試系統(tǒng)采用10位高精度A／D轉換器和自動數(shù)據(jù)報表，提高了系統(tǒng)的測控精度，減小了人為隨機誤差；采用虛擬儀器作為人機交互界面，融合了傳統(tǒng)的測試手段和現(xiàn)代計算機技術，提高了測試系統(tǒng)的直觀性和可操作性；系統(tǒng)內部集成了專家系統(tǒng)可通過故障解決方案的實時查詢功能解決問題，在提高效率的基礎上，降低了事故率。

責任編輯：gt