實(shí)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(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能示意圖如下圖3.1所示：

本次設(shè)計(jì)是以一個(gè)基于AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制器的EVK1100評(píng)估套件和開發(fā)系統(tǒng)為核心，再將各個(gè)功能模塊連接在一起，構(gòu)成的一個(gè)完整系統(tǒng)。

首先由各種傳感器采集信號(hào)，包括瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、粉塵濃度傳感器、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(hào)，先進(jìn)行濾波、放大等處理，提取出其中有價(jià)值的信號(hào)，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以后成為便于處理的數(shù)字信號(hào)。為了提高信號(hào)的有效性和平滑度需對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波。而圖像信號(hào)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(jī)。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，對(duì)傳感器傳來的信號(hào)進(jìn)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(bào)警信號(hào)，并將這一信號(hào)傳寄給報(bào)警裝置和地面監(jiān)控中心，同時(shí)發(fā)出控制信號(hào)，這一信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和放大處理以后對(duì)相關(guān)電機(jī)等進(jìn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的有效傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)讓任何接入到網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)設(shè)備通過驗(yàn)證機(jī)制以后都可以訪問到下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)。為了統(tǒng)籌管理各個(gè)硬件模塊的工作和充分利用系統(tǒng)的資源，在下位機(jī)中嵌入小型的uC/OS-II操作系統(tǒng)，同時(shí)為各個(gè)硬件模塊開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層軟件對(duì)底層設(shè)備的調(diào)用。

本次設(shè)計(jì)所涉及到的主要技術(shù)包括：①各信號(hào)的周期型采集實(shí)現(xiàn)；②模擬信號(hào)的濾波等處理；③數(shù)字濾波算法的實(shí)現(xiàn)；④uC/OS-II操作系統(tǒng)的移植；⑤相關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊的開發(fā)；⑥lwip網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的嵌入；⑦自動(dòng)閉環(huán)控制(PID算法)的實(shí)現(xiàn)；⑧JPEG圖像壓縮算法的實(shí)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(jì)對(duì)功能的要求以及其使用環(huán)境的特殊性，本次設(shè)計(jì)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(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力，并兼具高性能、低功耗等特點(diǎn)。完全能夠滿足本次設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)多任務(wù)的控制，在其中嵌入了實(shí)時(shí)性強(qiáng)可靠性高的操作系統(tǒng)uC/OS-II 。

在硬件的整體設(shè)計(jì)方面，主要分為四個(gè)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(hào)處理模塊，以MCU為中心的數(shù)字信號(hào)(數(shù)據(jù))處理模塊，和以地面上位機(jī)為中心的數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)和處理模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)信號(hào)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(hào)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(yùn)行系統(tǒng)自檢程序，確認(rèn)各個(gè)功能模塊正常以后，系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行模式。通過定時(shí)裝置和給定的初始參數(shù)，系統(tǒng)依次選通各個(gè)信號(hào)采集模塊。各個(gè)傳感器和畫面采集器將采集到得模擬信號(hào)經(jīng)過處理以后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后提交給MCU。MCU根據(jù)預(yù)設(shè)計(jì)的程序處理各種信號(hào)，然后將處理好的信號(hào)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?，可以通過在上隅角放置瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，?shí)時(shí)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(hào)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(shí)自適用的控制通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，將瓦斯的濃度控制在一個(gè)合理的范圍，同時(shí)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(duì)通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)和控。

考慮到實(shí)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(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)姆桨福D(zhuǎn)而采用既能滿足對(duì)進(jìn)行狀況的實(shí)時(shí)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(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。例如可以在規(guī)定的時(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)時(shí)的傳輸?shù)降孛婵刂浦行模鎯?chǔ)到數(shù)據(jù)庫。科研人員調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)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(jìn)而更好的保護(hù)人員的安全和采煤區(qū)環(huán)境的穩(wěn)定。