實用案例：嵌入式采煤工作面安全集中監(jiān)控系統(tǒng)

三、方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

此次設(shè)計的系統(tǒng)功能示意圖如下圖3.1所示：

本次設(shè)計是以一個基于AVR32 AT32UC3A單片機控制器的EVK1100評估套件和開發(fā)系統(tǒng)為核心，再將各個功能模塊連接在一起，構(gòu)成的一個完整系統(tǒng)。

首先由各種傳感器采集信號，包括瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌⒎蹓m濃度傳感器、壓力傳感器、井下水位傳感器和視頻采集模塊等采集到的信號，先進行濾波、放大等處理，提取出其中有價值的信號，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以后成為便于處理的數(shù)字信號。為了提高信號的有效性和平滑度需對其進行數(shù)字濾波。而圖像信號經(jīng)過JPEG壓縮算法處理以后可以通過網(wǎng)絡(luò)，傳遞給用于監(jiān)控的上位機。同時為了實現(xiàn)自動控制，對傳感器傳來的信號進行PID算法處理。當(dāng)檢測到參數(shù)超出規(guī)定值以后，產(chǎn)生報警信號，并將這一信號傳寄給報警裝置和地面監(jiān)控中心，同時發(fā)出控制信號，這一信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和放大處理以后對相關(guān)電機等進行控制，努力使相關(guān)參數(shù)恢復(fù)到正常范圍以內(nèi)。

通過在系統(tǒng)中增加網(wǎng)絡(luò)模塊，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的有效傳輸，同時實現(xiàn)讓任何接入到網(wǎng)絡(luò)中的主機設(shè)備通過驗證機制以后都可以訪問到下位機傳來的數(shù)據(jù)。為了統(tǒng)籌管理各個硬件模塊的工作和充分利用系統(tǒng)的資源，在下位機中嵌入小型的uC/OS-II操作系統(tǒng)，同時為各個硬件模塊開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序，以實現(xiàn)應(yīng)用層軟件對底層設(shè)備的調(diào)用。

本次設(shè)計所涉及到的主要技術(shù)包括：①各信號的周期型采集實現(xiàn)；②模擬信號的濾波等處理；③數(shù)字濾波算法的實現(xiàn)；④uC/OS-II操作系統(tǒng)的移植；⑤相關(guān)驅(qū)動模塊的開發(fā)；⑥lwip網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的嵌入；⑦自動閉環(huán)控制(PID算法)的實現(xiàn)；⑧JPEG圖像壓縮算法的實現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)與資源配置

3.2.1系統(tǒng)硬件組成分析

系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3.2所示：

根據(jù)本次大賽的要求，考慮到本次設(shè)計對功能的要求以及其使用環(huán)境的特殊性，本次設(shè)計選用ATMEL公司的AVR 32 AT32UC3A芯片。這款芯片的指令集為緊湊型單周期RISC指令集，并且集成DSP指令集，具有很強的數(shù)據(jù)運算處理能力，并兼具高性能、低功耗等特點。完全能夠滿足本次設(shè)計所要求的性能穩(wěn)定、功耗低等要求。為了充分利用系統(tǒng)的資源和發(fā)掘該款芯片的潛能，實現(xiàn)多任務(wù)的控制，在其中嵌入了實時性強可靠性高的操作系統(tǒng)uC/OS-II 。

在硬件的整體設(shè)計方面，主要分為四個部分，以各種傳感器和畫面采集器為中心的數(shù)據(jù)采集模塊，以濾波整形電路為主的模擬信號處理模塊，以MCU為中心的數(shù)字信號(數(shù)據(jù))處理模塊，和以地面上位機為中心的數(shù)據(jù)顯示存儲和處理模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)信號的不同處理方式又可以分為兩類，以各種傳感器為中心的信號采集模塊和以攝像頭為中心的現(xiàn)場畫面采集模塊。

給系統(tǒng)上電以后，首先運行系統(tǒng)自檢程序，確認各個功能模塊正常以后，系統(tǒng)進入正常運行模式。通過定時裝置和給定的初始參數(shù)，系統(tǒng)依次選通各個信號采集模塊。各個傳感器和畫面采集器將采集到得模擬信號經(jīng)過處理以后進行A/D轉(zhuǎn)換，然后提交給MCU。MCU根據(jù)預(yù)設(shè)計的程序處理各種信號，然后將處理好的信號傳送到地面信息監(jiān)控中心和系統(tǒng)本身自帶的控制模塊。

這里以瓦斯控制為例，采煤工作面的上隅角往往是瓦斯?jié)舛茸罡叩牡胤剑梢酝ㄟ^在上隅角放置瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，實時的檢測那里的瓦斯?jié)舛龋瑥亩ＷC工作環(huán)境的正常和采煤區(qū)周邊環(huán)境的安全。系統(tǒng)采集到經(jīng)過模擬信號處理和A/D轉(zhuǎn)換以后的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理以后，將結(jié)果發(fā)往地面控制中心和系統(tǒng)自帶的控制模塊。系統(tǒng)自帶控制模塊根據(jù)需要適時自適用的控制通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，將瓦斯的濃度控制在一個合理的范圍，同時系統(tǒng)本身也可以接受地面控制中心發(fā)來的控制信息，對通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速進行控制，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)和控。

考慮到實際的需要和處理器本身的處理能力，以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸壓力。這里沒有采用實時視頻傳輸?shù)姆桨福D(zhuǎn)而采用既能滿足對進行狀況的實時監(jiān)測又能充分利用系統(tǒng)資源減小功耗的方案：通過采集畫面的方式到達實時監(jiān)控的目的。例如可以在規(guī)定的時間內(nèi)多次采集采煤工作面現(xiàn)場的畫面（例如5幀/s），然后將采集到得畫面進行圖像壓縮處理，將處理后的數(shù)據(jù)上傳到位于地面的控制中心，在顯示器上顯示出采煤工作面的畫面，從而實現(xiàn)對井下采煤工作面的監(jiān)控。

通過將采集處理以后的數(shù)據(jù)實時的傳輸?shù)降孛婵刂浦行模鎯Φ綌?shù)據(jù)庫。科研人員調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并對其進行分析，從中總結(jié)規(guī)律，從而找到更好的更安全的作業(yè)方案，進而更好的保護人員的安全和采煤區(qū)環(huán)境的穩(wěn)定。