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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流毕业设计 基于嵌入式系统的井下智能通信分站的研究.精品文档.基于嵌入式系统的井下智能通信分站的研究摘要 井下智能通信分站分站是煤矿井下各安全监控模块与井上安全监控中心之间数据传输的枢纽，负责安全监控中心与安全监控模块之间的数据的采集与通信。通信分站能否有效工作决定了煤矿安全监控能否顺利进行，在煤矿安监中发挥着重要作用。 针对数据采集分站的工作要求，本文采用了高性能ARM9芯片S3C2410为主控芯片，通过SPI接口控制以太网控制器芯片实现TCP/IP通信，通过内嵌的CAN控制器模块实现CAN通信，并移植了C/OS-操作系统使整个设计具有可靠性
2、高、扩展能力强等特点。论文首先简要介绍了煤矿矿井数据采集分站的研究背景与意义，讨论了数据通信部分的实施方案，得出该数据采集分站与井上监控中心之间用以太网组网，与井下监控节点之问以CAN网络组网的方案。本文的中心工作围绕煤矿矿井数据采集分站的硬件设计中各个独立的模块进行，详细介绍了TCP/IP通信模块的设计。对电源和复位、CAN通信、LCD显示、参数修改与存储模块也一并作了介绍。 在硬件设计的基础上，进行了基于C/OS-操作系统的软件设计。软件设计包括驱动程序与系统任务两部分。驱动程序部分包括各个模块的实现过程，主要对TCP/IP通信的实现进行了详细介绍j在系统任务部分，根据数据采集分站各个模块
3、的实际作用，分配了任务的优先级，并介绍了数据采集分站各个任务的设计流程。关键字：通信分站，ARM，C/OS-,TCP/IPTHE RESEARCH OF INTELLIGENT COMMUNICATIONS BASED ON EMBEDDED UNDERGROUND SUB-STATIONABSTRACT Underground sub-station of Intelligent Communications is the hinge between the safety-monitoring module under the mine and the safety-monitoring c
4、enter above the mine. it takes charge of data collection and communication between the safety-monitoring module and the safety-monitoring. .It is determined by data collection substation weather the coal mine safety. monitoring can work efficiently, and the data collection plays important part in th
5、e coal mine safety-monitoring Aiming at the requestshigh performance ARM9 chip S3C2410 is adopted asmain processor by this paper through the SPI, the Ethernet controller chip is driven and the TCP/IP communication is realized. Through the inner CAN controller of ARM. the CAN communication is realize
6、d as well .Embedded real-time operation system C/OS- which is transplanted to the project. the whole system has the features of high reliability and strong expand ability the main topic of this paper is the design of TCP/IP communication modulewhich is being introduced around each independent module
7、 of coal mine data collection substation. the power and reset module. CAN communication module. LCD display module. rework and storage for parameter module are introduced as well. On the foundation of the hardware design, the software design based on operation system C/OS- is processed. The software
8、 design contains two parts. One is hardware driver program, another is system task. Driver program contains the realization process of each module. and the realization process of TCP/IP communication is mainly introduced. According to the practical function of each module of the substation, the PRI
9、of tasks is assigned and the design flows of coalmine data collection substations tasks are introduced in the system task partKEYWORDS: communication sub-station，ARM，C/OS-,TCP/IP目录摘要(中文)I摘要(英文)II1 绪论11.1 课题背景与意义11.2 国内研究现状11.3 系统设计要求21.4 本文主要设计工作22 分站的硬件设计与实现42.1 系统硬件组成42.2 主控芯片及外扩存储电路42.2.1 主控芯片42.
10、2.2 FLASH接口电路设计42.2.4 SDRAM接口电路设计52.3 电源及复位电路82.3.1 电源82.3.2 复位电路92.4 以太网接口电路92.5 LCD及触屏接口电路102.6 JTAG接口设计112.7.1 数据采集模块122.7.2 控制模块142.8 PCB设计153 分站的软件设计与实现173.1 C/OS-简介173.2 C/OS-在S3C2410上的移植193.3 分站各任务软件设计233.3.1 任务的划分及优先级233.3.2 任务间数据交换243.3.3轮询与UDP处理任务243.3.4 ZLG/IP简介253.3.5 TCP/IP分析263.3.6 收发数
11、据处理任务303.3.7 监测任务344 全文总结及展望37参考文献38谢辞401 绪论1.1 课题背景与意义 能源工业是我国经济发展命脉所在，中国是世界上最大的煤炭消费国和生产国。近年来，随着石油资源的紧张，石油价格的飙升，煤炭行业的重要性和不可替代性也日益凸显。改革开放以来，我国煤炭工业取得巨大成就，2007年煤炭产量达到25.23亿吨。但是煤炭行业的安全生产情况不容乐观。20012005年，全国煤矿共发生事故18514起，死亡31064人，平均每年发生各类事故约3702起，死亡约6213人，其中，发生一次死亡30人以上的重特大事故42起，平均每年发生42起多，占全国各类特大事故起数的36
12、%。特别是从2004年第三季度到2005年地煤矿相继发生了6起死亡百人以上的特备重大事故，损失惨重，造成了严重的社会影响。因此，对矿井有害气体等危险成分的监测和对通风设备及各种设备运行状态的监测及控制十分重要。 安全监控是实现矿井安全生产预防事故的主要措施之一，也是现代化矿井管理的重要技术措施，我国自主研发的多种监控系统对改善煤矿安全生产状况起到了积极作用，通过对井下环境参数的分析，为事故发生的可能性提供数据资料，以便于对将要发生的事故采取防范措施；对即将发生的事故及时给予报警，自动实现断电，以避免事故的扩大化；在发生事故时，及时给出逃生路线，为实施救援提供信息。但是很多监控系统在实际应用时存
13、在着弊端，由于不同系统的监控相互独立，兼容性差，而且网络化的监控系统由于采用不同的通信及信息交换标准，很难做到信息共享和统一管理。充分利用先进的信息化手段和工业监控技术，加快矿井机械化、自动化和信息化建设，解决我国、我省煤矿安全生产中的共性、关键性技术难题，是改善我国煤矿安全状况的重要手段和推动煤矿安全生产工作的有力措施。随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术以其体积小、可靠性高、功耗低等特点获得了广阔的发展空间。1.2 国内研究现状 我国监测监控技术应用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等(如DAN6400、TF200、MINOS和Senturion-200)引进了一
14、批安全监控系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJl0、KJl3、KJl9、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等监控系统，在我国煤矿已大量使用。实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各局矿已作为一项重大安全装备。常州自动化所研制的KJ2系统于1988年通过鉴定；北京航空部634所研制开发的KJ4系统于1986年通过鉴定；镇江煤矿专用设备厂生产的A.1系统于1988年通过鉴定；天津煤矿专用设备厂引进生产的森透里昂系统也于同一时期通过鉴定；常州自动化所研究的KJ22型经济型煤矿监控系统
15、于1991年通过鉴定。90年代以来，紧跟世界监测监控系统发展的潮流，研制开发出了一批具有世界先进水平的监控系统。如北京仙岛新技术研究所和抚顺安全仪器厂联合开发的KJ66系统、煤科院重庆分院的KJ90系统、上海嘉利矿山电子公司的KJ92系统、煤科总院常州自动化研究所的KJ95系2统等，其主要特点是：监控分站的智能化水平逐步提高；加入网络传输功能；系统软件普遍采用了Windows操作系统。我国传统矿井监控系统大多采用的是点对点的通信方式，两端分别由一个光猫转换器(RS485光纤和光纤一RS232)转光纤进行通信。煤炭企业的信息化分为安全生产信息化和管理信息化两部分。整个系统由本矿控制中心、提升监控
16、、瓦斯抽放监控、风机监控、皮带监控、电力监控、安全监控、人员定位和视频服务器等分站组成。各监控分站之间采用RS一485串行数据接口标准进行通信，本矿控制中心对各监控分站进行数据的采集和传输。1.3 系统设计要求 井下监控分站是煤矿安全生产监控系统中的重要组成设备，它与隔爆兼本安型稳压电源及多种矿用传感器组合在一起，在中心站的管理下实现对矿井环境参数记取工况参数的监测与控制。根据最新的中华人民共和国安全生产行业标准AQ-2006-煤矿安全监控系统通用技术要求的规定。井下分站应该具有模拟量、开关量的采集、传输、断电存储、显示、超限声光报警及断电控制等功能，用来实时监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化
17、碳浓度、氧气浓度、风速、负压、温度、烟雾、馈电状态、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停等，能够实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等，能够接收上位机的控制命令实施手动断电或者复电功能。1.4 本文主要设计工作一根据煤矿安全监控系统通用技术要求，完成了监测监控系统中井下监控分站的总体软硬件设计。实现功能如下：1)开机自检和本机初始化功能；2)具有初始化参数掉电保护功能，分站停电后初始化参数不会丢失；3)分站设程控功能(实现断点仪功能、风电瓦斯闭锁功能、瓦斯管道监测功能和一般的环境监测功能等)；4)死机自复位功能且通知中心站；5)接收地面中心站初始化本分站参数设置功
18、能(如传感器配接通道号、量程、断电点、断电点)；6)分站可配接多种传感器类型(电压型、电流型或频率型等)7)分站接收中心站对本分站指定通道输出控制继电器实施手控操作功能和异地断电功能；8)具备接收其它设备接口信息的能力；9)LCD显示，显示分站端口所接传感器状态，测量值等使用键盘和红外遥控器显示或修改传感器类型，报警、断电值等参数；11)分站的工作状态和传感器的故障显示。二与中心站联调，实现与网络有关功能三将电源、分站、各种传感器、断电仪等安装到巷道环境，模拟实现井下监控。2 分站的硬件设计与实现 目前，国内监控系统主要采用中心站+分站的结构。在煤矿安全监测系统中，井下数据采集、控制分站占有非
19、常重要的地位。C/OS-支持下的网络化数据采集分站兼有嵌入式网关、数据采集和控制分站的功能，采用改进的协议层模型，兼容通用TCP/IP。同时，通过对不同类型的数据划分优先级，确保监测监控系统的实时性要求。这一章主要介绍分站的结构、功能及硬件设计。2.1 系统硬件组成 如下图所示，系统的硬件构成主要包括作为主控芯片的ARM微处理器，、电源、以太网接口、人机接口、存储器接口以及JTAG接口等。存储器接口存储器接口ARM微处理器数据采集模快kuai块以太网接口触屏及接口接口电源 图2-1 系统硬件框图 2.2 主控芯片及外扩存储电路2.2.1 主控芯片 分站中央处理器采用三星公司生产的RISC嵌入式
20、处理器S3C2410 。S3C2410采用0.18um制造工艺的32位微控制器。该处理器拥有：独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND闪存控制器，3路UART，4路DMA，4路带PWM的Timer ，I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS 接口，IIS-BUS 接口，2个USB主机，1个USB设备，SD主机和MMC接口，2路SPI。S3C2410处理器最高可运行在203MHz。核心板的尺寸仅相当于名片的2/3大小，尺寸如此小巧的嵌入式核心板是国内首创。开发商可以充分发挥想象力，设计制造出小体积，高
21、性能的嵌入式应用产品。图2-1为S3C2410内部结构框图。2.2.2 FLASH接口电路设计 Flash存储器是一种可在系统(In一System)进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程(烧写)、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器，Flash在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。常用的Flash为8位或16位的数据宽度，编程电压为单3.3v。主要的生产厂商为ATMEL、AMD、HYUNDAI、SST等，他们生产的同型器
22、件一般具有相同的电气特性和封装形式，可通用。 本系统使用Flash存储器，主要用来存放系统引导程序boot loader、己调试好的用户程序以及嵌入式操作系统。C/OS-操作系统本身也要占用二十几兆的空间，考虑到成本与存储空间的因素，在本系统中选配三星公司的K9F1208构建8位的Flash存储系统。K9F1208属于NAND Flash类型，单片容量为64MB。工作电压为2.7一3.6V，采用48PIN一TSOPI封装，采用8位数据宽度工作模式。K9F1208仅需3V电压即可完成在系统的编程与擦除操作，通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列，可对Flash进行编程(烧写)、整片擦除、按扇
23、区擦除以及其它操作。图2-3为本系统构建的8位Flash存储系统的实际应用电路图。S3C2410的nFCE (G17管脚)接至K9F1208的片选(/CE)端。S3C2410的读使能(nFRE)，写使能(nFWE)，忙闲状态(RnB)，地址端使能(ALE)，命令端使能(CLE)，数据线(DALAO一DArA7)分别连接到KgF1208UOA的引脚，/wE，R/B，ALE，CLE，输入输出端口(100一107)。这样，该Flash就被挂接到CPU的BANKO空间，即系统复位时唯一有定义的存储区域。系统上电或是复位后会直接寻址到Ox000O0000地址获取引导指令并开始执行2.2.4 SDRAM接
24、口电路设计 与FLASH存储器相比较，SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于FLASH存储器，且具有读/写的属性。当系统初始化后，固化在FLASH中的程序代码便调入SDRAM中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在SDRAM中。SDRAM具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用于各种嵌入式系统中。SDRAM的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时刷新(充电)。因此，要在系统中使用SDRAM，就要求微处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。S3C24lO及其他一些ARM芯片在片内具有独立的S
25、DRAM刷新控制逻辑，可方便的与SDRM接入。考虑到运行速度，本系统采用两片HY57V561620并联构建32位的SDRAM存贮器系统，共64MB的SDRAM空间，可满足嵌入式操作系统及各种相对复杂的算法的运行要求 图 2-2 主控芯片内部框图 图 2-3 8位Flash存储系统的实际应用电路图图2-4给出了本系统32位SDRAM存储器系统图，两片HY57V561620并联构建32位的SDRAM存储器系统，其中一片为高16位，另一片为低16位，将两片HY57V561620作为一个整体配置到SDRAMBank6，即将S3C2410的nGCS6接至两片HY57V561620的nCS端。这里面应注意
26、:芯片的AO引脚并没有接在处理器的AO地址线上，这是因为在处理器的存储空间中，字节是表示存储容量的唯一单位。而SDRAM为32位宽度的时候，它的每一个存储单元都包含4B，因此当它的地址线Al-AO为01时，处理器上对应的空间是A3:AZ为01。正因为如此所以在图中，SDRAM的AO引脚接到了S3C2410处理器的AZ地址线上面，依次类推，SDRAM的A12-A1引脚接到了S3C24lO处理器的A14-A3地址线上面。BA地址线其实是SDRAM内部bank的地址线，也就代表了SDRAM内存的最高位。因为本系统中SDRAM内存为64MB，那就需要A25AO引脚来寻址，所以BAI一BAO地址线就应该
27、接到A25一A24引脚上。另外需要注意的是，SDRAM内存行地址和列地址是复用的，所以地址线数目并不需要26条这么多。 图2-4 SDRAM接口电路2.3 电源及复位电路2.3.1 电源整个分站需要5V、3.3V、1.8V、三种电源。其中, I/O接口、LCD接口需要5V电源供电;S3C2410需要1.8V电源供电。其它部分的电压都为3.3V。由于逻辑电路部分功耗很小，S3C2410的功耗不超过400mw，系统主要的功率消耗为LCD部分，也不超过500mA，所以选用线性稳压源方案。输入电压为直流SV，经过滤波后送给外围的外扩接口、I/O接口电路，同时送到芯片LMlll7。LMlll7将SV直流
28、变为3.3V并经过滤波再经过MIC52O7芯片，变为1.8V供处理器内核。下图为5V到3.3V变换电路;以及3.3V到1.8V变换电路。 图 2-5 5V到3.3V变换电路 图 2-6 3.3V到1.8V转换电路 2.3.2 复位电路 复位对于一个系统来说很重要。各个单元要进入正常工作状态，需要可靠的复位，而一旦MCU处于未知状态，比如程序“跑飞”或进入死循环，就需要强行将系统复位。在正常情况下，一般有上电复位和手动复位。本文设计的复位电路原理图如下图，是有简单的RC延时电路构成，nRESET用于触摸屏、JTAG低电平复位，RESET用于以太网CS89OOA高电平复位。图 2-7 复位电路2.
29、4 以太网接口电路通过以太网口，各分站之间以及分站和地面主机之间可以组网，实现对分站的维护和监视、可以通过以太网访问分站的监测数据。由于S3C2410内部没有以太网控制模块，所以需要一个与之匹配的控制芯片。我们采用Cirrus Logic公司的CS8900A芯片作为核心，设计了以太网接口模块，CS890OA是一款单片的全双工的以太网控制芯片，其主要功能块包括了一个ISA总线接口、一个8O2.3MAC引擎、内部缓冲存储器、一个串行EEPROM接口和一个10BASE-T/AUI接口收发滤波器。在正常操作下，CS8900A完成两个基本功能即以太网包的发送和接收，在发送和接收之前必须要将它配置好。上电
30、复位后，CS8900A要为收发包进行配置，各种各样的参数要写入内部的配置和控制寄存器，如:存储器基地址，以太网物理地址，接收的帧类型，使用何种媒体接口等。在CS89OOA的前端配有脉冲变压器HR60L627，可对网络信号进行脉冲波形变换，并起到隔离的作用。本文设计的以太网接口采用了RJ一45连接器，可以直接与普通网线连接，连接简单兼容性强。CS8900A还可以直接驱动LED，这些LED可以指示以太网的链路状态以及总线和网络的活动情况。在HR60L627型RJ一45连接器上已经集成了两个表示这种状态的LED，只要把RJ一45连线上的LED信号线连接到CS8900A的LED状态指示信号引脚，这些L
31、ED便能正常工作。以太网接口电路如下图： 图 2-8 以太网接口电路2.5 LCD及触屏接口电路本文液晶屏采用了三星公司的带触摸屏的液晶显示模块:LTS350QI一PDI。液晶显示(LCD)以其功耗低、体积小、外形美观、价格低廉等多种优势在仪器仪表产品中得到越来越多的应用。与发光二极管(LED)相比，它虽然存在驱动电路逻辑比较复杂、较难与单片机接口等缺点。但是，随着近年来大规模集成电路的迅速发展，这些缺点己经克服。目前，液晶显示己经进入成熟阶段并被大量应用于便携式仪表等系统中。在便携式的电子类产品中，触摸屏由于其轻便、占用空间少、方便灵活等优点，己经逐渐取代键盘和鼠标成为嵌入式系统常选用的人机
32、交互工具。按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，我们把触摸屏分为四种，它们分别为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。触摸屏附着在显示器的表面，与显示器相配合使用，如果能测量出触摸点在屏幕上的坐标位置，则可根据显示屏上对应坐标点的显示内容或图符获知触摸者的意图。本文中采用的是四线制的电阻式触摸屏。S3C2410接4线电阻式触摸屏的电路原理如下图所示。整个触摸屏由横向电阻和纵向电阻组成，由nYPON，YMON nXPON，XMON四个控制信号控制4个MOS管(S1，S2，S3，S4)的通断。S3C2410有8个模拟输入通道。其中，通道7作为触摸屏接口的X坐标输入，通道5作为触摸屏接口的Y坐
33、标输入。在接入S3C2410A触摸屏接口前，它们都通过一个阻容式低通滤波器滤除坐标信号噪声。这里的滤波十分重要，如果传递给S3C2410模拟输入接口的信号中干扰过大，不利于后续的软件处理。在采样过程中，软件只用给特殊寄存器置位，S3C2410的触摸屏控制器就会自动控制触摸屏接口打开或关闭各MOS管，按顺序完成X坐标点采集和Y坐标点采集。 图 2-9 S3C2410接四线电阻式触摸屏电路原理S3C2410内部带有LCD控制器，因此可以很方便地去控制各种类型的LCD屏，本系统采用的是带有触摸屏的TFT液晶显示屏，接口电路如下图所示。对于控制TFT屏来说，除了要给它送视频数据(VD23:0)以外，还
34、有以下一些控制信号是必不可少的，分别是:VFRAME(VSYNC):LCD控制器和驱动器之间的帧同步信号;VLINE(HSYNC):LCD控制器和驱动器之间的行同步信号;VCLK:LCD控制器和驱动器之间的像素时钟信号;VM(VDEN):LCD驱动器的AC信号;LCD_PWREN:液晶屏电源使能控制信号;LEND:线结束信号。 2.6 JTAG接口设计JTAG技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路TAP，通过专用的JTAG测试工具对具有JTAG接口芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测。通过JTAG接口，系统还可以用于实现在系统编程功能、对芯片内部的部件进行访问，因而是开发嵌
35、入式系统的一种简捷高效的手段。标准的JTAG接口是4线:TMS、TCK、TDI、TDO。分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。有些器件还会多一个nTRST信号，用于状态复位，S3C2410就有nTRST信号。本系统的调试接口电路如图2-11。 图 2-10 TFTLCD接口电路图 2-11 JTAG接口电路2.7 数据采集及控制模块分站要求能够连续监测矿井的各种参数，跟据监测到的参数就地进行断电控制，并能够执行中心站发送的各种命令。下面将分两部分详细阐述。2.7.1 数据采集模块传感器种类繁多，如甲烷、一氧化碳、风速、温度、水位、负压等等。按照它们的信号输出制式，可将其分为
36、模拟量传感器和开关量传感器两类。模拟量传感器，其输出信号为2001000Hz的方波频率信号、1-5mA电流信号、4-20mA电流信号，而开关量传感器则包括二态触点型和三态开关量型两种。二态触点型开关量传感器输出的只是断开闭合两个状态，三态开关量传感器的输出信号有O-5-10mA和0-1-5mA两种。本文设计的井下分站共有16路传感器测量通道，其中前八路为模拟量开关量可复用输入通道，后八路为单纯的开关量输入通道。对于200-1000Hz的频率信号，通过光耦整形后直接接到ARM的AD/GPIO复用引脚。对于1-5mA和4-20mA电流信号则通过600和150高精度电阻变为最大3V电压接入AD/GP
37、IO复用引脚。两者之间通过跳线来切换输入模式。 本装置采用的S3C2410处理器自带了16个通道的10位A/D转换器，但是不能满足采样数据精度的要求，本文采用两片MAXIM公司的MAX125转换器来实现模拟量到数字量的转换。该芯片内部包含4个采样保持器，各自对应一个2选1的模拟输入(分为A、B两组)，输出经4选1开关连接到一个14位、3us的模数转换器。通道1到通道4顺序转换，存入片内414位缓冲器中，最后给出转换完成信号。MCU响应后顺序读出各通道的A/D数据。MAX125的工作电压为5V,允许输入电压为17V，因此有较高的使用安全性。MAX125有8个可编程工作模式，通过双向引脚D0/A0
38、D3/A3可向MAX125输入数据，通过编程来设定芯片工作模式，工作模式一旦设定 ，MAX125就能在指定的工作模式下连续转换，直到重新编程或失电为止。其工作模式如表2-1所示。 表 2-1 MAX125工作模式 A3 A2 A1 A0转换时间(us)模式 0 0 0 03A组单通道转换(默认) 0 0 0 16A组双通道转换 0 0 1 09A组三通道转换 0 0 1 112A组四通道转换 0 1 0 03B组单通道转换 0 1 0 16B组双通道转换 0 1 1 09B组三通道转换 0 1 1 112B组四通道转换 1 -MAX125转换启动信号由高变低时启动A/D转换，其上升沿使片内多个
39、采样保持器同时保持各自模拟输入信号。根据设定的工作模式，顺序转换各通道的模拟输入，并将量化值存入片内缓冲器。当最后一个通道转换完成，给出转换完成信号，通知MCU读A/D数据，第一个读信号的下降沿清除转换完成信号。为了实现两块A/D采样模块和其他模块之间能协调工作，我们选用一片Altera公司的复杂可编程逻辑器件EPM3032来实现。两片A/D转换芯片启动信号和它们的片选地址由MCU的nGCS5和地址线在CPLD中经过一定的逻辑关系形成。本文采用的转换模式是同时启动两片A/D转换芯片的A组四通道进行转换，再同时启动两片A/D转换芯片的B组四通道进行转换。A/D转换芯片1的转换结束信号与A/D转换
40、芯片2的转换结束信号在CPLD中进行逻辑 “或”后，作为两片A/D转换芯片转换结束信号送到MCU的EINT0(N14)中断引脚上。当两片A/D芯片的16路模拟量采样结束后，通过MCU的N14引脚给MCU发一个转换结束信号，MCU将16路模拟量的转换结果按照设定好的工作模式的顺序读到MCU的内存单元中，实现了16路模拟量的二次模拟量数据的采集。A/D转换原理图如图2-12所示（取A/D转换芯片1为例）。图2-12 A/D转换原理图2.7.2 控制模块 本文共设计了8路断电输出，其中两路是近程断电，通过控制本安电源箱中的继电器来完成超限断电，其他六路是远程断电，通过控制本地继电器对断电仪实现闭锁控
41、制等功能。 近程断电只是给出一个控制电平信号。远程断电是控制继电器输出触点信号来对断电仪进行操作，如图 2-13。控制芯片采用ULN2003，它的工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，内部集成反向泄流二极管，继电器线圈不必再单独安装，节省了电路板空间。采用双路继电器，如图 2-14，一路输出触点信号的同时，另一路反馈高低电平信号给主控芯片，可以判断继电器是否确实动作，有效的保障了断电动作的准确执行，避免了发出命令确因继电器故障而没有执行的情况。这在煤矿安全生产中是具有重要意义的。图 2-13 ULN2003接口电路2.8 PCB设计 井下环境比较潮湿，分站作为精密的监测设备需要密封在箱
42、体中。如果分站是一体化设计，则在接入或者更换传感器时必然要暴露在潮湿的空气中，这将极大缩短分站的寿命和工作可靠性。因此本设计将整个分站分为四部分，分别为主控板，包括几乎所有的功能电路，而接口板A和B只是单纯的接线端子板。这样的好处是可将主控板和显示板密封，在接入传感器时只对接口板进行操作，避免了主控板频繁暴露，保障了分站的正常工作。分站机构简图如图 2-15所示。在具体的PCB设计中，要严格按照中华人民共和国爆炸性气体环境用电气设备第4部分：本质安全型的要求来设计。其中对印制电路板的导线宽度，允许电流，以及最小间隙等做了详细的规定。图 2-14 一路远程断电输出图 2-15 分站结构简图3 分
43、站的软件设计与实现 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中越来越重要。它的优点：首先，嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。其次，提高了开发效率，缩短了开发周期。最后，嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力。本文的软件设计就是基于C/OS-实时操作系统来编写的。3.1 C/OS-简介C/OS-的特点如下：公开源代码可移植性(Portable) c/OS-源代码除了与微处理器硬件相关的那部分是用汇编语言编写的，绝大部分c/OS-的源码是用移植性很强的ANSI C编写的。并且用汇编语言编写的部分已经压到最低限度，使得c/OS-更方便地移
44、植到其他微处理器上。可固化(RO Mable) C/OS-是为嵌入式应用而设计的操作系统，这就意味着，只要用户有固化手段(C编译、连接、下载和固化)，就可以将c/OS-嵌入到用户的产品中成为产品的一部分。可裁剪(Scalable) 可以根据用户的实际需要使用条件编译来实现对c/OS-的裁剪，这样可以减少产品中的UC/OS-II所需的存储器空间(RAM和ROM)。占先式(Preemptive) c/OS-是可剥夺型的实时内核，即总是运行就绪条件下优先级最高的任务。多任务 c/OS-可以管理64个任务。目前这一版本保留4个最高优先级和4个最低优先级的任务给以后c/OS-的版本使用，用户应用程序的任
45、务最多可以有56个。可确定性 用户能知道C/OS-的函数调用和服务的执行时间。任务栈 C/OS-的每个任务有自己单独的栈，允许每个任务有不同的栈空间。系统服务 C/OS-提供了很多系统服务，例如信号量、邮箱、数据队列、块大小固定的内存的申请与释放、时间相关函数等。中断管理 中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务被该中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数可达255层。稳定性与可靠性 C/OS-与C/OS的内核是一样的，C/OS-自1992年以来已有数百个商业应用。 C/OS-最常用的功能就是对任务的处理，每一个任务都是一个无限循环，而且在任一时刻，任务的状态一定是图2-14中所示的5种状态之一。等待或挂起 删除任务 收到消息 挂起 挂起时间到 等待消息 创建任务 任务调度 中断 被中断态 就绪态 运行态 休眠态 删除任务 任务被占先 中断结束删除任务图 3-1 C/OS-任务状态 休眠态(Dormant)：指任务驻留在内存中，但并不被多任务内核所调度。把任务交给内核是通过调用0STaskCreate()或0STaskCreatExt()实现的。任务可以在多任务调度开始之前建立，也可以在其他运行着的任务中建立。任务不能由中断服务程序建立。如果一个任