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摘要：国内先进的瓦斯安全监控系统普遍采用工业以太环网为通信主干网的通信方式，但瓦斯安全监控系统的核心设备井下监控分站却没有以太网接口，而仅提供了RS485接口或CAN总线接口。本文设计的基于ARM9嵌入式的矿井瓦斯监控系统，具有大屏幕真彩色LCD屏、具有工业以太网接口、具有工作面瓦斯浓度预测功能，可以对瓦斯浓度超限提供更长的预警时间。由于监控系统通信速率提高到100Mbps，可以极大提高系统巡检速度与系统规模。另外只需更换井下监控分站及部分通信线路即可对其他瓦斯监控系统升级，具有广泛的应用前景。
关键词：ARM9；瓦斯；监控系统
1.现有矿井安全监控系统存在的问题
目前国内先进的矿井监控系统虽在保证煤矿安全生产方面发挥了重要作用，但由于这些系统监测参数单一、监测容量小、电缆用量大、系统性能价格比低，难以满足煤矿安全生产的需要。目前矿井监控系统存在的主要问题为：（1）各厂家监控系统通信协议不规范，相互兼容性差；（2）监控系统通信速率太慢；（3）井下监控分站人机界面差，显示面板太小，参数设置及显示极不方便；（4）监控系统没有瓦斯浓度预测功能。
2.瓦斯监控系统井下监控分站设计
目前我国常见瓦斯监控系统由上位监控计算机、井下监控分站、现场控制设备、现场传感器和通信干线组成。矿井现场的瓦斯浓度、温度、风速等各种物理量经各类现场传感器采集后送入井下监控分站，再经通信干线将数据送入上位监控计算机进行处理与显示。通信干线普遍采用工业以太网搭建，上位监控计算机串口接RS232总线，经转换设备接入工业以太网，井下监控分站通过RS485总线或CAN总线经转换设备接入工业以太网中。瓦斯监控系统通信示意图如图2.1所示。
2.1.2 ARM9 CPU
硬件方案的主处理器选用S3C2410，它是16/32位RISC微处理器。它为小型掌上设备的高性价比、低功耗、高性能的嵌入式系统应用提供控制解决方案。它自身提供了丰富的内部设备：①内部带有 LCD控制器支持（STN和TFT）。②支持NAND FLASH系统引导，带有系统管理器。③ 带有3个通道的UART。④具有丰富的I/O端口，具有8通道10位ADC和触摸屏接口。⑤具有USB、I2C、SPI、MMC/SD 接口等。
2.1.3 LCD显示模块
在显示系统的硬件电路中，S3C2410内部自带的LCD驱动控制器，其接口可以与彩色TFI'-LCD直接相连，但需要根据所连接的LCD的类型设置相应寄存器中的显示模式。LQ080V3DG01电源电压Vdd、控制信号的高电平输入电压Vih、低电平输入电压Vil都在S3C2410电压范围内，故可以直接与S3C2410相连。
2.1.4以太网模块
以太网接口电路主要由 MAC 控制器（Medium/Media Access Control，介质访问控制）和物理层接口（Physical Layer，PHY）两大部分构成。由于 S3C2410 芯片内部没有集成以太网控制器，所以以太网控制器选用了 l0Mbps/100Mbps 以太网控制器芯片DM9000 作为核心，设计并实现以太网接口模块。硬件上要完成DM9000 与ARM芯片S3C2410三大总线连接以及DM9000与以太网水晶接头 RJ45 的连接。实现 DM9000 与 S3C2410 连接，必须对两者间的数据、地址、控制三大总线进行连接和转换。
2.1.5 USB 模块设计
USB 模块设计包括 USB Host 接口和 USB Device 接口两种。USB Host 接口是在S3C2410 作 USB 主设备，是其他 USB 从设备接到 S3C2410 的时候使用的接口。USBDevice 接口是把 S3C2410 当作 USB 设备连接到其他 USB 主设备的时候使用的接口。
2.1.6 RS232 串口模块设计
S3C2410 芯片采用 MAX3232 进行电平转换，两个 DB9 硬件接口（UART0、UART1）可以直接与计算机以及其他符合 RS-232C 标准的串行接口相连。MAX3232 左侧的 TXD0、RXD0、TXD1、RXD1 分别与 S3C2410 芯片 UART0 和 UART1 相连。
3.井下监控分站应用软件方案的设计与实现
井下监控分站应用软件主要由数据采集软件和瓦斯预测软件两大部分组成，其软件方案如图 3.1 所示。
图 3.1井下监控分站应用软件方案
（1）数据采集软件
数据采集软件由组态王嵌入式版编写。组态王嵌入式版软件是北京亚控公司在组态软件“组态王通用版”的基础上，针对嵌入式的人机界面、PAC 设备、移动设备等，开发出来运行在Win CE或者Windows XPE两种实时多任务嵌入式操作系统组态软件。
（2）瓦斯预测软件
瓦斯预测软件主要由 Embedded Visual C++（EVC）软件编程实现。Embedded VisualC++（EVC）软件是美国微软公司提供的一个专门用于编写 Win CE 操作系统之上应用软件的一个编程软件。在该软件中可采用 C++语言编程实现小波滤波及 BP 神经网络预测程序的编写。
4.结束语
本设计基于 ARM9 嵌入式 CPU 及具有工业以太网接口的矿井井下监控分站的不但包括硬件设计,而且包括软件设计。经过设计及功能调试，可以达到对瓦斯浓度超限提供更长的预警时间。并且监控系统通信速率可以提高到100Mbps，可以极大提高系统巡检速度与系统规模。
参考文献：
［1］王涛，矿井安全监控原理与应用，中国矿业大学出版社，1995。
［2］姚向荣等主编，煤矿安全监测监控技术，煤炭工业出版社，2007.12。
论文作者:梁玉柱
论文发表刊物:《电力设备》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/21
标签：瓦斯论文; 监控系统论文; 接口论文; 以太网论文; 井下论文; 矿井论文; 分站论文; 《电力设备》2017年第13期论文;