基于ATmega48单片机和虚拟仪器技术实现井下多参数智能监测系统的设计

1、引言

监测井下生产状况参数包括监测矿井空气中有害或危险成分、矿井空气物理状态、通风设备运行状态以及其他参数。一般监测对象包括瓦斯、风速、负压、温度、液位等。井下生产状况参数监测的工作环境恶劣、监测点分散、监测种类多、测点数量大、通信距离远，并且对实时性和可靠性要求极高。因此，研制一种性能可靠、成本低的煤矿井下多参数智能监测系统非常必要。采用当前流行的虚拟仪器技术实现上位机交互，并利用单片机成本低、集成度高、易于相互及与计算机通信等特点，开发了一种新型的井下多参数智能监测系统。

2、系统总体设计

井下多参数智能监控系统由监测分站系统、CAN总线通信系统、上位人机交互（监控计算机）以及煤矿安全专家系统（数据库查询服务器）组成。其系统结构图如图1所示。

2.1 监测分站系统

监测分站系统采用高性能ATmega48单片机作为主控器件，外接多个瓦斯、位移、压力等传感器，经过外部模拟电路，送人单片机内置高精度A／D转换器，实现多路模拟量的实时采集，并通过CAN总线通信系统实现与上位人机交互的数据交换。另外，监控分机还可实现瓦斯、压力等参数超标时的井下声光报警，并根据上位人机交互命令进行相应的控制操作，有效避免事故的发生。

2.2 CAN总线通信系统

CAN总线通信系统的主要功能是实现多个监控分机与上位人机交互（监控主机）的数据通信，将实时采集的模拟数据通过CAN总线传输。

2.3 上位人机交互

人机交互系统以Lab Windows／CVI虚拟仪器作为开发平台，利用图形化的软面板、丰富的数字信号处理库和高级函数分析库资源，借助于计算机的强大功能实现与板卡之间的控制信息和采集信息之间的数据交换、历史数据分析、数据曲线拟制等功能。

2.4 煤矿安全专家系统

煤矿安全专家系统采用Microsoft Access 2003作为开发软件。将历年各种模拟量参数指标以及在具体情况下避免事故发生需要采用的操作进行汇总，供人机交互系统查询。人机交互系统根据查询结果发送相应的控制命令，从而最大限度地减少事故。

另外，此系统还将打印分析的参考意见，供地面工作站人员查询，以便实时改进。

3、监控硬件设计

监控系统主控器件以及外围电路如图2所示，其中外围电路包含CAN总线通信电路、MAX1232外置看门狗电路、8路模拟量采集电路以及分时选通器件4051电路等。任意一路模拟量采集电路如图3所示。

图2和图3配合使用，监控系统最多监控48路模拟量信号，大大扩展了采集范围，并采用单片机内置的高精度10位A／D转换器，在简化电路的同时，保证了其监测精度和速度。其工作原理：将传感器接人（J1），当传感器参数发生变化时，模拟量采集电路将此信号放大，经过RC滤波电路，送入4051的一路通道，经单片机控制选通后，送入单片机A／D转换器，得到A／D转换值。单片机将此数据通过CAN总线器件片送给上位人机交互，人机交互（监控主机）将此数据与安全值相比较，如变化不大，则继续监测；如发生很大偏差，则将此信息传递给专家系统，专家系统经过分析后，得出相应操作指令并将其反馈给人机交互（监控主机），上位人机交互再将控制信息传递给单片机。从而产生相应的操作，以确保井下安全。

4、监控系统软件设计

此系统的软件设计主要由专家系统、上位人机交互和监控分机子系统组成。其中专家系统以Microsoft Access 2003为开发软件，大量收集井下需要监测的模拟量参数信息，以供监控主机查询参考。上位人机交互选用了NI公司的LabWindows／CVI，其界面友好，利用较少的仪器硬件和计算机资源代替了多种高档数据记录分析仪器。计算机可以自动分析数据和输出报表等，大大提高了系统的智能化和测试效率，减少了人为操作误差对检测结果的影响，友好的人机交互界面为用户提供了丰富的功能。

为了使单片机系统具有更好的实时性和代码的最优化，监控分机系统的软件设计采用汇编语言编写。限于篇幅，这里只简要介绍上位人机交互和监控分机子系统的软件设计。

4.1 监控分机子系统

程序流程图如图4所示。从图4中可以看出，监控系统能够实现多种功能，包括多路模拟量A／D采集、数据暂存、液晶显示、与上位人机交互通信以及开关量输出等。设计时，采用模块化思想，简化了设计，提高了效率。

4.2 监控分机子系统

为了便于代码复用，虚拟仪器软件开发采用分层设计，分为主程序控制层、人机交互层、数据处理层和仪器驱动层。

仪器驱动层是针对不同的硬件编制的驱动程序函数库，完成I／O硬件接口与处理层的连接，是实现高层软件与硬件无关的重要保证；数据处理层在后台对用户的操作进行解析计算，将控制字送给硬件驱动层；同时实现数据的采集控制、信号的分析与处理、数据的管理、标定程序、测试报告生成等；人机交互层完成人机界面交互，响应用户的操作，实现数据的显示、与专家系统通信互换信息及报表的打印等功能。主程序控制层用于组织各部分协调工作，共同完成测试任务。该测试软件中运用了Windows多线程技术，实现了数据采集及处理、数据显示同时进行。

5、结束语

目前该井下监控系统已经通过验证。实验证明其具有特点如下：与同类产品相比，具有精度高、可靠性强、工作性能稳定、成本低廉的特点；采用单片机控制，简化了测试设备结构，减少了故障环节，提高了工作效率和智能化；测试系统采用10位高精度A／D转换器和自动数据报表，提高了系统的测控精度，减小了人为随机误差；采用虚拟仪器作为人机交互界面，融合了传统的测试手段和现代计算机技术，提高了测试系统的直观性和可操作性；系统内部集成了专家系统可通过故障解决方案的实时查询功能解决问题，在提高效率的基础上，降低了事故率。

责任编辑：gt