綜上因素，本次設(shè)計要求能夠及時的，把采煤工作面頂板壓力、水位、瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度等物理量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過嵌入式32位AVR微處理器處理后通過網(wǎng)絡(luò)及時上傳到位于地面上的監(jiān)控中心，便于安全監(jiān)察人員和生產(chǎn)調(diào)度部門觀察和抉擇。在緊急重大的情況下及時采取相關(guān)措施將危害降到最低。同時，也在現(xiàn)場把瓦斯?jié)舛?、頂板壓力、水位、粉塵濃實(shí)際的檢測的數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的判斷和處理，以實(shí)現(xiàn)在一定的范圍內(nèi)對以上參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)和自動控制，以達(dá)到提高現(xiàn)場工作效率和安全系數(shù)的目的。

2.2 性能要求

考慮到采煤工作面所在的特殊環(huán)境，要求所設(shè)計的產(chǎn)品能夠在這種特殊的環(huán)境下正常的運(yùn)行。例如設(shè)計的低功耗性、防爆性、堅(jiān)固性、和防潮絕緣性以及斷電保護(hù)等，而根據(jù)相關(guān)規(guī)定，凡是要應(yīng)用到煤礦井下的電氣設(shè)備，其防爆性能要求較高，要么是保安型的，要么是本安型的。而要想得到以上資質(zhì)，必須到相關(guān)煤礦防爆監(jiān)測站進(jìn)行有關(guān)的檢測，檢測通過后這些設(shè)備才能被用于井下作業(yè)。

針對本次設(shè)計大賽，由于受條件的限制，有關(guān)電氣設(shè)備的防爆等無法實(shí)現(xiàn)和模擬，只能從電氣設(shè)備的基本功能，結(jié)合嵌入式AVR微處理器的性能進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。

其它性能要求如下：

1. 實(shí)時的采集采煤工作面的現(xiàn)場工作畫面并通過網(wǎng)絡(luò)向地面監(jiān)控中心傳輸。為了達(dá)到實(shí)時的目的，采集圖像的速率需最低為5幅/秒 ，同時為達(dá)到圖像能正常傳輸這一目的，對采集的圖像需要采取合適的壓縮算法。

2. 頂板壓力、水位、瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度等物理量數(shù)據(jù)采集的采樣頻率分別是 10秒，50秒，30秒，30秒。同時為了使采集的數(shù)據(jù)平滑，需要對采集的數(shù)據(jù)選擇合適的數(shù)字濾波算法進(jìn)行處理。

3. 對采煤工作面頂板壓力，瓦斯，煤塵，水位等的控制，按照超過規(guī)定參數(shù)上限80%時，才采取自適應(yīng)調(diào)節(jié)和自動控制。通過自行處理調(diào)整控制，使其始終保持在規(guī)定參數(shù)上限80%以下。當(dāng)超過這些參數(shù)安全上限時開始報警并及時將相關(guān)信息上傳地面監(jiān)控中心。

4. 為更好的實(shí)現(xiàn)對采煤工作面頂板壓力，瓦斯，煤塵，水位等規(guī)定參數(shù)的自動控制，采取PID數(shù)字控制算法。

三、方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

此次設(shè)計的系統(tǒng)功能示意圖如下圖3.1所示：

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

首先由各種傳感器采集信號，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，先進(jìn)行濾波、放大等處理，提取出其中有價值的信號，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以后成為便于處理的數(shù)字信號。為了提高信號的有效性和平滑度需對其進(jìn)行數(shù)字濾波。而圖像信號經(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)。同時為了實(shí)現(xiàn)自動控制，對傳感器傳來的信號進(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)生報警信號，并將這一信號傳寄給報警裝置和地面監(jiān)控中心，同時發(fā)出控制信號，這一信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和放大處理以后對相關(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)，同時為各個硬件模塊開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層軟件對底層設(shè)備的調(diào)用。

本次設(shè)計所涉及到的主要技術(shù)包括：①各信號的周期型采集實(shí)現(xiàn)；②模擬信號的濾波等處理；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)動模塊的開發(fā)；⑥lwip網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的嵌入；⑦自動閉環(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)計對功能的要求以及其使用環(huán)境的特殊性，本次設(shè)計選用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)計方面，主要分為四個部分，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處理模塊，以MCU為中心的數(shù)字信號(數(shù)據(jù))處理模塊，和以地面上位機(jī)為中心的數(shù)據(jù)顯示存儲和處理模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)信號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。通過定時裝置和給定的初始參數(shù)，系統(tǒng)依次選通各個信號采集模塊。各個傳感器和畫面采集器將采集到得模擬信號經(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)計的程序處理各種信號，然后將處理好的信號傳送到地面信息監(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)舛茸罡叩牡胤剑梢酝ㄟ^在上隅角放置瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，?shí)時的檢測那里的瓦斯?jié)舛?，從而保證工作環(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合理的范圍，同時系統(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。