【正文】 械結(jié)構(gòu)基本上沒有改變，都是利用某種 支撐使得磁針能夠受到地磁場的影響而自由的旋轉(zhuǎn)。由于當(dāng)前電子技術(shù)的發(fā)展使能指南針的性質(zhì)有了一定的改變，不 再是機械結(jié)構(gòu)而采用了專用的電子傳感器對磁場進行測量從而指示方向，這就是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的電子式指南針。隨著工業(yè)界對智能控制要求的不斷提高，形式多樣 的數(shù)字化 智能 產(chǎn)品應(yīng)運而生，并且成為替代通用 PC機進行信息處理的主要部件 。嵌入式系統(tǒng)是一個包括硬件和軟件的完整的計算機系統(tǒng)。 在一些簡單的應(yīng)用中，可以選擇相對簡單的微處理器，不使用操作系統(tǒng)，所有軟件由設(shè)計者自己完成；但是在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中，所選微處理器比較復(fù)雜，對時間的要求也較為苛刻，在這種情況下，為了更好地管理微處理器，設(shè)計者可以選擇實時操作系統(tǒng)。 本次設(shè)計中使用了 8051 系列單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心。本設(shè)計要求制作簡易數(shù)據(jù)庫、 GUI設(shè)計，這就要求對數(shù)據(jù)庫和 GUI 這兩方面有一定的興趣并要求有相當(dāng)?shù)能浖幊棠芰Α? 通過本此設(shè)計，可以培養(yǎng)和提高學(xué)生 綜合運用專業(yè)知識分析和解決 一般技術(shù)問題 的能力 ；加深對 CAN、數(shù)據(jù)庫、 GUI 等相關(guān)知識的理解；培養(yǎng)學(xué)生 文獻檢索 、 資料查詢的基本方法和獲取新知識的能力； 培養(yǎng)工程 應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)能力 ； 提高 學(xué)生 書面和口頭表達能力 ； 提高 學(xué)生 協(xié)作配合工作的能力。 MiniARM M9020 是一款 ARM 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺 ，它硬件資源十分豐富，包含 UART、 USB、 CAN 等多種接口， 支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，提供豐 富的配套教材和眾多的實驗例程，提供多種的商業(yè)化軟件包，并配備精心設(shè)計的多媒體教學(xué)課件 。這里由于進行井下瓦斯監(jiān)控器件較為復(fù)雜，可以選用電位器代替。 本設(shè)計對軟件的要求較高，要求學(xué)生對整個系統(tǒng)有一個全局的了解，在擴展要求中要求利用 RTC 實時記錄時間，這就進一步加大了軟件編程的難 度。在本設(shè)計中用井下監(jiān)控設(shè)備對井下的瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)控并通過 CANbus 總線與主控核心板相連；將監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)通過規(guī)定的格式保存在 CF 卡中，并建立簡易數(shù)據(jù)庫；將監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)通過 GUI顯示出來，并可進行人機交互。 基本要求 (1) 實現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備對井下環(huán)境的檢測； (2) 實現(xiàn) CANbus 組網(wǎng)； (3) 利用 RTC 實時記錄時間； (4) 實現(xiàn) GUI 設(shè)計。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 1 2. 系統(tǒng) 框圖及實現(xiàn) 本次設(shè)計的 煤礦井下瓦斯 實時 監(jiān)控系統(tǒng)集瓦斯?jié)舛炔杉?CANbus 網(wǎng)絡(luò)、 主控核心、存儲系統(tǒng)和人機界面 等 功能于一體 ，這是一個以應(yīng)用為中心， 實現(xiàn)系統(tǒng)對功能、可靠性、成本等綜合性 都 要求嚴(yán)格的專用嵌入式系統(tǒng)， 功能繁多，處理 比較 復(fù)雜，要求具有實時性和多任務(wù)的體系，這 就 需要選用嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件平臺，本次設(shè)計采用了 μC/OSII 實時操作系統(tǒng)。 應(yīng)用程序控制著整個系統(tǒng) 各個模塊的 運作和行為；而操作系統(tǒng)對各個任務(wù)（應(yīng)用程序）進行 調(diào)度 ，協(xié)調(diào)著各個任務(wù)同步地對硬件控制，實現(xiàn)軟硬件結(jié)合，達到 預(yù)定的 各項功能 和指標(biāo) 。 在設(shè)計之前，有必要對 整個系統(tǒng)的需求 進行分析和論證 。 其次，整個井下的節(jié)點眾多，不可能要核心控制板對每個節(jié)點的 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進行處理，如果這樣做，傳輸距離也是不允許的。 這樣，數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換就可以在節(jié)點完成。這就需要一定的通信機制來完成將采集到的數(shù)據(jù)上傳的任務(wù)，這就要求，主機和節(jié)點都應(yīng)該具有滿足某種協(xié)議的通信機制和相應(yīng)的硬件支持。 系統(tǒng)要求能夠存儲這些節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，由于井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)可以長時間對井下瓦斯環(huán)境進行監(jiān)測，那么大容量的數(shù)據(jù)存儲器件和有效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)中是必不可少的。 針對系統(tǒng)的各項需求，本次設(shè)計任務(wù)瓦斯監(jiān)測節(jié)點使用了 智能 ， 符合 CANbus 規(guī)范的 iCAN 協(xié)議的 iCAN4017 模擬量 數(shù)據(jù)采集器 ， 整個監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用了穩(wěn)定可靠的 CANbust 通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的核心微處理器采用了性能優(yōu)良的基于 ARM7 架構(gòu)的 LPC2290 處理器 ，數(shù)據(jù)存儲器采用了256MB 的電子硬盤。 軟件需求分析 井下瓦斯監(jiān)控 所要實現(xiàn)的功能較多，控制對象和控制任務(wù) 相對比較 復(fù)雜，在這種情況下，如果 采用傳統(tǒng)的前后臺形式 進行 程序設(shè)計，將是非常困難的，即時實現(xiàn)了某些功能，也難以成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 2 滿足實時性的要求。 系統(tǒng) 框圖 煤礦井下無人瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主要由瓦斯傳感器、 iCAN 監(jiān)測節(jié)點、 CANbus網(wǎng)絡(luò)、核心控制板、人機交互界面等功能模塊組成。 圖 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng) 硬件 主要由四個部分組成：系統(tǒng)監(jiān)測前端瓦斯監(jiān)測節(jié)點、系統(tǒng)控制核心、系統(tǒng)后端的人機交互界面以及系統(tǒng)電源。核心控制板完成對節(jié)點上傳數(shù)據(jù)的讀取和處理，并將收集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，如果濃度值超過了預(yù)設(shè)的報警閥值，核心板將發(fā)出報警信息。 從 圖 可以看 出整個系統(tǒng)主要由四個部分組成，下面就系統(tǒng)中主要的四個部分分別描述。方案的選取將決定整個前端乃至整個系統(tǒng)的性能的高低。整個系統(tǒng)能否有效的運行都取決于系統(tǒng)核心部分的選擇。 最后，系統(tǒng)電源是整個系統(tǒng)可靠工作的重要保證，特別是在煤礦這種電網(wǎng)惡劣的環(huán)境下，能夠讓整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的電源就顯得格外的重要。監(jiān)測節(jié)點的精度和轉(zhuǎn)換速度直接影響到系統(tǒng)數(shù)據(jù)的精確，再而 前端監(jiān)測節(jié)點長期處于惡劣的井 下環(huán)境， 受到較強的電磁輻射和耐潮耐腐的考驗 ，所以一個穩(wěn)定可靠的監(jiān)測節(jié)點對于整個系統(tǒng) 的穩(wěn)定性 來說是非常重要的。 具體的流程如 圖 所示： 圖 節(jié)點采集流程 監(jiān)測節(jié)點實際構(gòu)造 本次設(shè)計選用了 iCAN4017模擬量采集模塊作為系統(tǒng)的監(jiān)測節(jié)點。整個模塊有以下特性： (1) 單電源供電，供電電壓：＋ 10V~+30V DC； (2) 輸入通道數(shù)： 6 路差分輸入， 2 路單端輸入； (3) 輸入信號范圍：177。 5V、 177。 1V、177。 150mV； (4) 電流輸入：177。 iCAN4017 的信號處理流程如 圖 所示 ： 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 4 圖 iCAN4017 內(nèi)部信號處理流程 模塊前端信號調(diào)理 在模擬信號輸入采集系統(tǒng)中，為保證模擬量輸入信號測量的正確性以及系統(tǒng)的精度，對于外部的模擬量信號首先需要進行 調(diào)理才能進行測量。前端電路的基本組成結(jié)構(gòu) 如 圖 所示。如 圖 所示。在模塊內(nèi)部使用了分立的 CAN 控制器和 CAN 收發(fā)器組成 CANbus 總線通信部件，通信滿足 CANbus 總線協(xié)議，通信穩(wěn)定性好。 圖 監(jiān)測節(jié)點通信結(jié)構(gòu) 模塊通信報文格式 通信連接的建立通過“建立連接”命令實現(xiàn)。建立連接的報文格式如 表 所示。在建立連接后，主站必須在（ CyclicMaster*4）時間內(nèi)與從站進行數(shù)據(jù)通信，以維護主站與從站通信的連接。 圖 通信建立狀態(tài) 讀取模塊的模擬量輸入是通過“連續(xù)讀端口” 的命令實現(xiàn)的。 讀模擬量輸入的報文格式如 表 所示。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 7 表 iCAN4017 模擬量輸入格式 模擬量信號的讀入狀態(tài)如 圖 所示。設(shè)置測量范圍通過 “連續(xù)寫端口 ”命令實現(xiàn)。 設(shè)置測量范圍通信報文如 表 所示。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 8 表 測量范圍設(shè)定值 讀取到通道數(shù)據(jù)后， iCAN4017 是以一定的格式上傳給主控板的。 iCAN4017 的輸入測量數(shù)據(jù)與實際測量電壓值之間換算關(guān)系如下： 當(dāng)輸入測量數(shù)據(jù)值為 0x8000時，實際測量電壓值為 0。10V。 對于正電壓值，換算公式為 : 對于負電壓值 ,換算為 : 其中系數(shù) Kr 的定義如 表 所示。150mv 64 177。 8 177。 2 177。模塊擁有 16 位的 AD 轉(zhuǎn)換分辨率，整個數(shù)據(jù)的采集精度能夠得到提高，模塊內(nèi)部的 CAN 通信部件，使得使用 CANbus 網(wǎng)絡(luò)可以輕松的實現(xiàn)多節(jié)點數(shù)據(jù)的上傳 ， 更重要的是 iCAN4017 其內(nèi)部自帶總線隔離器，抗擊外部惡劣環(huán)境的干擾的特性得到了很大的增強，整個系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了保證。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 9 4. 系統(tǒng) 核心 控制 板 控制 板是煤礦井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)中任務(wù)最多最繁重的部分就在核心控制板上完成。 核心板 分析 本次設(shè)計核心板的構(gòu)建使用了廣州致遠電子研發(fā)的 M9020FNU20I 核心板 外觀 如 圖 所示 。產(chǎn)品提供保護型總線設(shè)計，使模塊在EMC 性能及穩(wěn)定性方面均有良好的表現(xiàn) 。 M9020FNU20I 核心板 采用了 NXP 公司基于 ARM7 內(nèi)核的 LPC2290 處理器 。 ARM7 系列處理器理論指令執(zhí)行效率為 ，這就使得系統(tǒng)具有較大的數(shù)據(jù)處理能力 ，同時芯片也為系統(tǒng)使用實時操作系統(tǒng)提供了保證 ， 另外， 該芯片內(nèi)部集成了 豐富的模塊 。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 11 圖 主控板處理器結(jié)構(gòu)圖 M9020FNU20I 核心板板載 2M NOR Flash、 2MB 內(nèi)存、 256MB NAND Flash。 從 圖 中可以直觀的看到， M9020FNU20I 核心板擁有豐富的擴展接口，利用這些接口可以非常方便的完成系統(tǒng)其他部件的連接 ，為整個系統(tǒng)功能的擴展提供了快速通道。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 12 工控底板分析 M9020FUN20I 核心板提供了可以擴展的接口，并沒有提供具體的接口部件，所以更多擴展功能的發(fā)揮還是要靠工控底板的支持。 圖 工控底板 工控底板的主要特性有： (1) 支持 MiniARM174。 M22A series EV Board 工控底板提供了非常豐富的接口。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 13 圖 CANbus 接口電路圖 這些接口 為系統(tǒng)整個網(wǎng)絡(luò)體系中數(shù)據(jù)的高可靠性傳輸提供了有效的解決方案。 這就為大量井下監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲和及時提取提供了便捷。異地監(jiān)測、控制和異地數(shù)據(jù)的提取提供了可能性。 圖 USB 接口電路圖 如果 不使用 PC機作為人機界面，還可以方便的使用板載的 LCD 接口作為數(shù)據(jù)監(jiān)測界面，直觀方便。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 1 5. 系統(tǒng)人機界面 人機交互界面的選擇可以很大程度的提高系統(tǒng)的控制效率，整個系統(tǒng)除了對瓦斯環(huán)境的監(jiān)控并對監(jiān)控的數(shù)據(jù)進行一系列的處理以外的就是和人進行交互。 硬件支持 本次設(shè)計采用的核心控制板 M22A series EV Board 工業(yè)控制板上有著豐富的 接口，板載的 UART 接口可以非常方便的和 PC機連接，通過 UART 接口實現(xiàn)核心控制板和 PC機的超級終端的雙向數(shù)據(jù)通信，以完成人機交互，系統(tǒng)得到了較大的簡化。 以往使用 PC 機的超級終端一般只是簡單的顯示 幾個收發(fā)的數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)的每一個功能都會在終端上相應(yīng) 的位置有所反映，在進行一項功能設(shè)置時，終端會提示相關(guān)的輸入規(guī)則 。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 2 6. 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 在瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中，由于井下節(jié)點眾多、數(shù)據(jù)傳輸距離比較遠且井下的干擾因素多且復(fù)雜。 CANbus 總線 架構(gòu) CAN（ Controller Area Network）總線最早由德國 BOSCH 公司提出，主要用于汽車內(nèi)部測量與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信。 CANbus 用于煤礦通訊系統(tǒng)當(dāng)中，不僅可以增強系統(tǒng)的通訊可靠性、延長系統(tǒng)的距離、擴充系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)，還能增強系統(tǒng)的實時性，讓管理者和主控設(shè)備能及時了解和處理當(dāng)前的井下情況，發(fā)覺事故隱患，避免事故發(fā)生?，F(xiàn)場總線 CANbus 本身是符合本質(zhì)安全要求的。同時，現(xiàn)場總線 CANbus 可以直接采用 RS485 方式相同的傳輸電纜、拓撲結(jié)構(gòu)。 使用 CANbus網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以非常方便的進行網(wǎng)絡(luò)的擴展。 CAN控制器可以分為三類： (1) 獨立 CAN 控制器 ； (2) 集成 CAN 控制器的 8 位 8xC51 芯片 ； (3) 集成 CAN 控制器的 32 位 ARM7 芯片 。整個核心板的 CAN 接口結(jié)構(gòu)如 錯誤 !未找到引用源。 本次核心板使用的 CAN 收發(fā)器是PCA82C251，它 是 CAN 協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。這個器件向總線提供了差動的發(fā)送能力，向 CAN 控制器提供了差動的接收能力 。 核心控制系統(tǒng)中采用了芯片內(nèi)部的 CAN 控制器和 PCA82C251 CAN 收發(fā)器后的電路原理如 圖 所示。 如 圖 所示： 圖 從站 CAN接口結(jié)構(gòu) SJA1000 獨立 CAN 控制器 有兩種模式： BasicCAN 和 PeliCAN 模式。 SJA1000 特性： (1) PeliCAN 模式特性 ； (2) 可接收 /發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)幀 ()、擴展幀 ()； (3) 內(nèi)置接收 FIFO 緩沖區(qū)（ 64 字節(jié)）； (4) 支持單 /雙驗收濾波器； (5) 可編程的錯誤限制報警； (6) 錯誤代碼捕獲，仲裁丟失捕獲； (7) 可讀 /寫訪問的錯誤計數(shù)器； (8) 支持單次發(fā)送功能； (9) 具有只聽模式、自檢測模式。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 5 幀格式 (1) 標(biāo)準(zhǔn)幀