杜靜靜，張福平，張新良

(河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，河南焦作　454003)

0　引言

目前國內(nèi)大部分煤礦回采工作面采用自移式液壓支架，它以高壓液體為動力，由金屬構(gòu)件和若干液壓元件組成，使支架的支撐、切頂、移架和輸送機(jī)推移等工序全部實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，工作面的支護(hù)質(zhì)量可以通過液壓支架的活動狀況反映出來，因此可以把液壓支架隨煤炭開采中的壓力變化作為礦壓觀測的主要內(nèi)容，通過對工作面進(jìn)行長期的礦壓觀測，分析礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為綜采支架支撐的工作阻力和頂板壓力情況提供可靠數(shù)據(jù)，預(yù)測頂板災(zāi)害，預(yù)防事故發(fā)生[1]。現(xiàn)在比較先進(jìn)的礦壓監(jiān)測系統(tǒng)主要由壓力分機(jī)、采集器、適配器以及計(jì)算機(jī)4部分組成，將煤礦井下壓力等數(shù)據(jù)采集后，通過電纜或電話線等方式傳送到井上，利用計(jì)算機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[2]。這類系統(tǒng)需要以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為主體，兼容井下通訊電纜、光纜專線、等數(shù)據(jù)傳輸模式。近年來，采用無線技術(shù)的頂板壓力監(jiān)控系統(tǒng)正逐漸興起[3]，這種系統(tǒng)一定程度上解決了有線方式布線繁瑣的問題，但是仍然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性低、易受外部環(huán)境干擾、成本高等不足。

針對當(dāng)前各種監(jiān)控系統(tǒng)存在的各種問題，文中提出了一種新型的煤礦頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。該系統(tǒng)由頂板壓力檢測裝置、智能手持采集儀和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)3部分構(gòu)成。壓力檢測裝置定時(shí)采集壓力數(shù)據(jù)并通過無線紅外通訊將數(shù)據(jù)傳輸給智能手持采集儀，智能手持采集儀將壓力數(shù)據(jù)串口通訊傳輸給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)利用LabVIEW數(shù)據(jù)采集分析軟件設(shè)計(jì)[4]，利用其強(qiáng)大的信號處理能力和多任務(wù)并行處理機(jī)制，完成對礦壓數(shù)據(jù)的采集、濾波、分析，生成礦壓觀測報(bào)告。

圖1　礦壓監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1　礦壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從降低系統(tǒng)的功耗和成本，提高采集數(shù)據(jù)的精確度和優(yōu)化數(shù)據(jù)通訊方式的思想出發(fā)，分別對礦壓檢測設(shè)備、智能手持采集儀和上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

壓力檢測設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)思想：

(1)使用薄膜應(yīng)變片作為敏感元件，組成惠斯登測量電橋，將壓力變化轉(zhuǎn)換為與之相對應(yīng)的電壓值，經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，定時(shí)存入鐵電存儲器。

(2)光敏觸發(fā)數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示礦壓值，對上下限進(jìn)行報(bào)警。

(3)與智能手持采集儀進(jìn)行紅外通訊，完成對各測量點(diǎn)礦壓檢測設(shè)備進(jìn)行編號、實(shí)時(shí)時(shí)鐘校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)傳輸。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　礦壓檢測設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

智能手持采集儀主要完成：

(1)通過紅外無線通訊方式讀取礦壓檢測設(shè)備的壓力數(shù)據(jù)，并通過串口通訊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行處理；

(2)通過按鍵操作對礦壓檢測設(shè)備進(jìn)行控制，包括設(shè)備編號、時(shí)鐘校準(zhǔn)、存儲器操作、定時(shí)器、上下限參數(shù)的設(shè)定等；

(3)通過移植圖形支持系統(tǒng)ucGUI設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析和圖形顯示。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　手持采集儀硬件結(jié)構(gòu)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用圖形化編程軟件LabVIEW開發(fā)智能虛擬儀表，利用其多任務(wù)并行處理機(jī)制完成與手持采集儀的串口通訊，礦壓數(shù)據(jù)的分析和圖形化顯示等。

2　基于狀態(tài)機(jī)的通訊機(jī)制及其編程實(shí)現(xiàn)

2．1基于狀態(tài)機(jī)的通訊機(jī)制

儀器間的相互數(shù)據(jù)通訊通常有2種實(shí)現(xiàn)方式。一種是被動接收類型的通訊方式，發(fā)送方以一定的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)廣播數(shù)據(jù)，接收方始終處于被動地位，按照約定的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)接收并解釋數(shù)據(jù)。另一種是基于儀器控制的通訊，發(fā)送方首先發(fā)送儀器請求指令，接收方返回約定應(yīng)答，在一問一答的“握手”成功條件下，完成儀器間的通信，工作過程中，發(fā)送方始終占主動地位。

如上所述，所設(shè)計(jì)的礦壓監(jiān)測系統(tǒng)中，壓力檢測設(shè)備與手持采集儀、手持采集儀與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊都涉及到多個(gè)任務(wù)的并行操作，因此被動接收類型的通訊方式無法勝任。對于儀器控制的通訊過程，如果在編程中使用傳統(tǒng)的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)，由于微處理器(CPU)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與執(zhí)行軟件指令的工作方式?jīng)Q定了任何CPU都不可能獲得圓滿的容錯(cuò)保障，因此在通訊的過程中CPU僅僅通過復(fù)位方法從非法運(yùn)行方式中恢復(fù)出來將顯得十分困難，進(jìn)而會造成無限制等待(卡死)問題，為此，文中提出使用狀態(tài)機(jī)[5]的設(shè)計(jì)思想，即將每個(gè)儀器完成的功能視為由一系列的狀態(tài)及狀態(tài)下的進(jìn)程構(gòu)成，程序由“初始化”狀態(tài)開始，由“停止”狀態(tài)結(jié)束。每一個(gè)狀態(tài)都可能導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)的發(fā)生，其下一狀態(tài)是由當(dāng)前輸入信息和當(dāng)前狀態(tài)所決定，從而保證操作時(shí)序的正確性。以手持采集儀與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)串口通訊為例，其通訊過程如圖4所示，描述如下。

圖4　手持采集儀與上位機(jī)串口通訊

圖5　上位機(jī)數(shù)據(jù)通訊狀態(tài)機(jī)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)端狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示，初始狀態(tài)0：發(fā)送請求儀器信號；主機(jī)確認(rèn)狀態(tài)1：接收儀器應(yīng)答并判斷，若成功，跳轉(zhuǎn)至下一狀態(tài)，否則跳轉(zhuǎn)至初始狀態(tài)；主機(jī)命令幀狀態(tài)2：主機(jī)發(fā)送操作命令，操作從機(jī)或請求從機(jī)的數(shù)據(jù)；接收數(shù)據(jù)狀態(tài)3：按約定格式接收手持采集儀發(fā)送的數(shù)據(jù)并處理，接收數(shù)據(jù)超時(shí)返回初始狀態(tài)0，否則數(shù)據(jù)接收完畢后，進(jìn)入狀態(tài)4，發(fā)送確認(rèn)幀給手持采集儀。

手持采集儀端狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖6所示，初始狀態(tài)0：接收主機(jī)請求信號并解釋，若正確，進(jìn)入下一狀態(tài)，否則跳轉(zhuǎn)至初始狀態(tài)；儀器應(yīng)答狀態(tài)1：發(fā)送儀器應(yīng)答信號給上位機(jī)；命令幀解釋狀態(tài)2：接收命令幀并解釋，若為請求數(shù)據(jù)命令，進(jìn)入狀態(tài)3；若為控制命令，進(jìn)入狀態(tài)5；否則，命令幀錯(cuò)誤返回初始狀態(tài)；發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)3：按約定數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送數(shù)據(jù)幀給上位機(jī)，等待上位機(jī)確認(rèn)；數(shù)據(jù)發(fā)送確認(rèn)狀態(tài)4：接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)接收完畢確認(rèn)信號后，返回初始狀態(tài)；控制命令狀態(tài)5：解釋控制命令，執(zhí)行手持采集儀參數(shù)設(shè)置。

圖6　手持采集儀數(shù)據(jù)通訊狀態(tài)機(jī)

2．2狀態(tài)機(jī)數(shù)據(jù)通訊的程序?qū)崿F(xiàn)

2．2．1手持采集儀下位機(jī)狀態(tài)機(jī)

根據(jù)手持采集儀的設(shè)計(jì)功能，在其串口中斷處理函數(shù)中完成狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)(switch語句)，手持采集儀選用STC89C52R單片機(jī)，它采用全雙工的串行異步傳輸方式，接收器是雙緩沖結(jié)構(gòu)，讀寫緩沖器SBUF便可完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。與串口通訊相關(guān)的控制寄存器是SCON，設(shè)置其為波特率可變、10位異步收發(fā)器，同時(shí)利用發(fā)送中斷標(biāo)志位TI檢測數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，接收中斷標(biāo)志位RI檢測數(shù)據(jù)是否接收完畢[6]，其主要程序如表1所示。

表1　手持采集儀串口中斷函數(shù)

2．2．2上位機(jī)狀態(tài)機(jī)

上位機(jī)的設(shè)計(jì)軟件目前主要有Visual C++、Visual Basic、National Instruments LabVIEW和組態(tài)軟件等，對于狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，如果使用順序編程模式，在實(shí)現(xiàn)時(shí)往往需要很多限制條件，但在LabVIEW中，可以使用while結(jié)構(gòu)、移位寄存器和條件選擇結(jié)構(gòu)來完成狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，如圖7所示。其中，“串口通訊狀態(tài)機(jī)”枚舉常量設(shè)置為嚴(yán)格自定義類型，項(xiàng)名分別為“請求儀器”、“主機(jī)確認(rèn)”、“主機(jī)命令幀、“接收數(shù)據(jù)”和“發(fā)送確認(rèn)”，分別對應(yīng)圖5所示的上位機(jī)串口通訊的5種狀態(tài)。

圖7　LabVIEW上位機(jī)串口通訊狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

條件選擇結(jié)構(gòu)中，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)所描述的條件分支，完成相應(yīng)的串口通訊操作，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入信息，決定“串口通訊狀態(tài)機(jī)”枚舉常量的下一個(gè)狀態(tài)值，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的更新。

移位寄存器(在while結(jié)構(gòu)上右鍵添加)，初始化為請求儀器狀態(tài)，其采用的是先入先出的結(jié)構(gòu)，在循環(huán)的過程中保存前一次的運(yùn)行結(jié)果，即串口通訊過程的下一個(gè)狀態(tài)。

3　上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦壓監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)操作界面如圖8所示。主要完成串口通訊參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和顯示、數(shù)據(jù)保存、手持采集儀參數(shù)設(shè)置等?！安杉粹o”和“手持采集儀參數(shù)”按鈕的機(jī)械動作設(shè)置為“單擊時(shí)轉(zhuǎn)換”。

圖8　礦壓監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)界面示意圖

在其程序框圖中，基于串口通訊狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)思路如圖7所示，利用“采集按鈕”和“手持采集儀參數(shù)”按鈕的值決定是否進(jìn)行串口通訊、執(zhí)行“控制模式”或“接收模式”的串口通訊，如圖9所示。

圖9　LabVIEW串口通訊狀態(tài)機(jī)程序框圖

LabVIEW中串口通訊使用的vi函數(shù)位于程序框圖/函數(shù)選板/儀器IO自選板下，按照配置串口、打開串口、串口通訊及關(guān)閉串口4個(gè)步驟完成操作，可參考書籍[7]，在此不再贅述。

4　結(jié)束語

針對目前煤礦頂板壓力監(jiān)測的不足，文中從硬件和軟件兩個(gè)方面給出了一種新型的煤礦頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，硬件方面主要考慮了系統(tǒng)的高精度、低成本、低功耗、簡便性，并給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程。軟件方面，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，提出了一種基于儀器控制的串口通訊方法，并給出了相應(yīng)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)程序。試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的人工監(jiān)測技術(shù)相比，具有檢測精度高、穩(wěn)定性好、高分辨率、多通道信號傳輸，節(jié)省人力和時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，解決了井下布線困難的問題。所提出的礦壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和通訊方法對其他具有類似功能要求的自動抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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