姬生福，崔凱

（青島科技大學(xué)自動化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042）

0 引言

在采礦生產(chǎn)過程中，最常發(fā)生的事故是冒頂事故。冒頂是由于巖石的穩(wěn)定性差，當(dāng)強(qiáng)大的地壓傳遞在頂板或兩幫時，使巖石遭受破壞而引起的。為了預(yù)防冒頂事故的發(fā)生，就應(yīng)該掌握礦井頂板的來壓規(guī)律。通過監(jiān)測頂板壓力的變化，可以研究礦井頂板壓力的顯現(xiàn)規(guī)律，從而制定預(yù)防措施，可以有效地防止冒頂事故，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

隨著無線通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展并應(yīng)用到傳感器技術(shù)中，使壓力傳感器的無線數(shù)據(jù)采集成為可能，其特有的性能比傳統(tǒng)壓力傳感器更具優(yōu)勢。它可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域（如高溫、嚴(yán)寒、高濕的區(qū)域，受到污染的區(qū)域或環(huán)境被破壞的區(qū)域）和一些臨時場合等，實現(xiàn)了傳感系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測試，這也是信息時代測試的必然趨勢。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

壓力監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。地面部分主要由計算機(jī)、傳輸接口組成，井下部分由無線分站組成，它們之間通過采集器實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)工作的原理是：先由無線分站對綜采支架進(jìn)行壓力的檢測，并記錄相關(guān)的參數(shù)，即壓力值、時間，然后將這些相關(guān)參數(shù)保存在一只大容量、掉電不丟失數(shù)據(jù)的存儲器中。當(dāng)工作人員用手持式數(shù)據(jù)采集器向主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)采集信號時，無線分站將存儲的數(shù)據(jù)傳輸給采集分機(jī)，采集器將這些數(shù)據(jù)存儲到存儲器中，回到地面后，通過傳輸接口，將數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)[3]。

2 系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)

該系統(tǒng)硬件部分主要有無線傳輸模塊、主控制器C8051F310、存儲模塊、時鐘電路和顯示電路。

2.1 無線傳輸模塊

該系統(tǒng)無線傳輸模塊采用QE232A-RS多通道微功率嵌入式無線數(shù)傳模塊，該模塊是高度集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機(jī)和ADI高性能射頻芯片ADF7020-1。創(chuàng)新地采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾24bits連續(xù)突發(fā)錯誤，達(dá)到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。QE232A-RS模塊提供了多個頻道的選擇，可在線修改串口速率、發(fā)射功率和射頻速率等各種參數(shù)。QE232A-RS模塊內(nèi)設(shè)256bytes大容量緩沖區(qū)，在緩沖區(qū)為空的狀態(tài)下，可以1次傳輸256bytes的數(shù)據(jù)；當(dāng)設(shè)置空中波特率大于串口波特率時，可1次傳輸無限長度的數(shù)據(jù)。同時，APC230-43模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的UART/TTL接口，有1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600bps 7種速率和3種接口校驗方式。APC230-43模塊外部接口采用透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，能適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議，所收的數(shù)據(jù)就是所發(fā)的數(shù)據(jù)。

2.2 主控制器C8051F310

主控制器是壓力采集器的核心，主要完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示和通信。壓力采集器選用新華龍電子公司的產(chǎn)品C8051F310，該芯片是一種低功耗、高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有21路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，一個16K字節(jié)的FLASH型可編程擦除的只讀存儲器（PROM），采用CMOS工藝和新華龍電子公司的高密度、非易失性存儲器（NURAM），輸出引腳和指令與MCS-51兼容，片內(nèi)的FLASH存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)修改，使用常規(guī)的非易失性存儲器編程器編程[4]。

2.3 存儲模塊

存儲芯片采用M25P80，這是意法半導(dǎo)體公司推出的8M大容量串行接口Flash器件，采用2.7～3.6V單電源供電，兼容標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，器件在上升沿接收數(shù)據(jù)，在下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，接口時鐘最高為40MHz，支持最大256bytes的快速頁面編程操作、快速的塊擦除（512kbit）操作和快速的整體擦除（8MHz）操作；具有操作暫停和硬件寫保護(hù)功能。其電路圖如圖2所示：

2.4 時鐘電路

時鐘電路采用時鐘芯片PCF8563來實現(xiàn)時鐘功能，電路圖如圖3所示：

該電路用于記錄數(shù)據(jù)采集的時間信息。PCF8563是低功耗的CMOS實時時鐘日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接口串行傳遞，最大總線速度為400kbits/s，每次讀寫數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量。

2.5 顯示電路

由4位數(shù)碼管顯示和74HC164驅(qū)動用于顯示無線分站的采集信息與采集器的工作狀態(tài)，指示數(shù)據(jù)傳輸過程中是否有錯誤數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)下位機(jī)軟件的實現(xiàn)

下位機(jī)軟件部分包括無線分站的數(shù)據(jù)采集的軟件實現(xiàn)、采集器的數(shù)據(jù)采集的軟件實現(xiàn)及傳輸接口的信息傳輸?shù)能浖崿F(xiàn)。

3.1 無線分站數(shù)據(jù)采集程序流程

由于無線分站采用電池供電方式供電，壓力數(shù)據(jù)采集裝置采用低功耗設(shè)計，所有的功能子程序都在中斷中完成。下位機(jī)上電復(fù)位后，首先完成對微控制器各個端口與模塊的初始化工作，并將微控制器C8051F310的功率控制寄存器設(shè)置為空閑模式，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。當(dāng)時鐘芯片PCF8563產(chǎn)生外部中斷喚醒微控制器C8051F310工作，完成一次數(shù)據(jù)采集并存儲，然后進(jìn)入空閑模式。在采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時首先通過外部按鍵中斷喚醒微控制器完成采集工作，程序流程圖如圖4所示：

3.2 采集器程序流程

在采集器采集數(shù)據(jù)中，待無線分站進(jìn)入按鍵中斷后，采集器按下相應(yīng)的按鍵并發(fā)送通信請求命令后，等待接收無線分站傳回的響應(yīng)命令，同時發(fā)送確認(rèn)信號，待無線分站確認(rèn)無誤后開始發(fā)送數(shù)據(jù)，采集器接受并存儲[5]，其程序流程圖如圖5所示。

在采集器傳輸數(shù)據(jù)過程中，按下傳送指令，待收到傳輸接口的確認(rèn)信號后開始從存儲芯片讀取并發(fā)送數(shù)據(jù)，最后發(fā)送結(jié)束命令，其程序流程圖如圖6所示。

3.3 傳輸接口程序流程

傳輸接口在接收到采集器的傳輸指令后，回復(fù)確認(rèn)指令，待采集器確認(rèn)后，接收采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)并存儲，帶數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后將數(shù)據(jù)從存儲芯片發(fā)送到PC機(jī)上[6]，其流程圖如圖7所示。

4 上位機(jī)軟件的實現(xiàn)

4.1 通信協(xié)議

為了實現(xiàn)本數(shù)據(jù)采集器與井下檢測主機(jī)以及井上監(jiān)控主機(jī)之間的準(zhǔn)確和可靠的通信，需要統(tǒng)一制定通信協(xié)議。通信是以十六進(jìn)制碼形式傳送，其波特率為9600。每次通信數(shù)據(jù)采集器都會發(fā)送通信請求命令，收到檢測主機(jī)或者監(jiān)控主機(jī)的響應(yīng)命令后，才會進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿繋瑪?shù)據(jù)由開始符（0xe1）、數(shù)據(jù)段和結(jié)束符（0xe1）組成。數(shù)據(jù)段包括時間（年、月、日、時、分）信息5個字節(jié)、壓力（2個傳感器）信息4個字節(jié)[7]。

4.2 上位機(jī)軟件功能

通過下載軟件將數(shù)據(jù)下載到數(shù)據(jù)庫，軟件再將數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)提取分析，結(jié)合管理軟件提供了綜采支架壓力設(shè)備配置信息以及接收上傳的實時壓力數(shù)據(jù)或歷史壓力數(shù)據(jù)等功能，可通過軟件了解壓力分站的運行狀態(tài)，下發(fā)控制指令遠(yuǎn)程控制設(shè)備和采集壓力數(shù)據(jù)[8]。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用了無線通信的通信方式設(shè)計方案，選用新型的高精度壓力傳感器對信號進(jìn)行采集，結(jié)合當(dāng)今先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方式，完成了對被測壓力信號的精確測試及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了壓力數(shù)據(jù)的高精度采集。同時結(jié)合軟件管理，系統(tǒng)還具備分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長，以及可在各種惡劣的環(huán)境下安裝使用等特點。

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