1、第 1 页 共 44 页煤矿井下环境测试系统研究（数据采集、发射部分）摘要：本文主要介绍了煤矿井下环境测试系统（数据采集、发射部分）的整体设计及组成。本设计的目的是实现煤矿井下无线射频通信。本设计使用 ADuC812，他是 AD 公司研制的真正意义上完整的数据采集系统芯片和射频收发芯片 nRF905实现煤矿井下环境测试系统（数据采集、发射部分）的研究，完成了软、硬件的设计关键词：数据采集，数据发射，ADUC812，nRF905第 2 页 共 44 页Research of Instrumentation of Mine Environmental （Part of Data Acquisiti
2、on、Emission）Abstract: In this paper, the holistic design of Instrumentation of Mine Environmental （Part of Data Acquisition、Emission ）and the constitution were introduced. The arm of this design was using wireless RF communications in coal mine. This design use ADuC 812which is made by AD company an
3、d RF transceiver chip nRF905 in order to complete the design of Instrumentation of Mine Environmental（Part of Data Acquisition、Emission），and I have completed the design of software and hardware.Keywords: Data Acquisition, ADuC812, RF Transceiver, nRF9051 引 言1.1 本设计的研究背景及现状在我国各行业中，每年制订生产计划的同时还会下达“死亡指
4、标”的，恐怕唯有煤炭业了。近年来，煤炭业已成为牵动全民神经的热门话题，最密集时几乎每隔几天就有一条全国性的煤矿新闻爆出。联合国开发计划署驻华代表处能源与环境处项目经理马琪 15 日表示，中国煤矿安全状况总体稳定，趋于好转，不过形势依然严峻。 马琪在 15 日召开的 2007 中国国际矿业大会矿山安全论坛上说，2006 年中国共发生煤矿事故 2945 起，死亡 4746 人，百万吨死亡率为 2.041，是新中国成立以来最低的。 她认为，“ 十五” 期间中国煤矿安全的特点是：事故总量逐年下降，特大事故趋于下降，百万吨死亡率大幅度下降。 第 3 页 共 44 页马琪说，“2006 2010 联合国发
5、展援助框架” 确认帮助中国政府规范自然资源的管理，确保环境可持续性发展。相关项目如，提高煤矿管理水平，尤其是小型煤矿的管理；增强国家和地方煤矿的教育培训、安全意识；寻找解决煤矿瓦斯爆炸等突出问题的方法。目前，在中国政府及联合国开发计划署的努力下，这些项目已取得产出，中国煤矿工人及其家属是首要受益者。 马琪表示，中国煤矿产量占全球的三分之一，事故死亡人数占近，煤矿安全形势依然严峻。今后，将继续加强中国煤矿安全保障能力的建设项目。 联合国开发计划署是联合国在全球从事发展的机构，在个国家开展发展援助，通过与这些国家的合作，帮助各国应对全球和各国国内的发展挑战 1。1.2 本设计的研究意义我作为一个山
6、西人，在这片土地上生活了 24 年头，感受最大的就是山西的矿难了，因为，除了矿难山西省能上中央电视台新闻的还真是不多。我想通过这个课题对煤矿井下，温度、湿度、压力、风速的测试和监控来大家对矿下环境有个系统的分析，尽量减小矿井下事故的发生。长期以来，煤矿在人们的心目中是技术水平不高、要求比较低的劳动密集型产业，因而长期以来，技术投入不足、装备水平差、产业技术人才匮乏、劳动效率低。把“千军万马“的队伍放在高度危险的作业环境中劳动，一旦出现瓦斯（煤尘）爆炸、矿井火灾等事故时，容易导致惨重损失，甚至全矿毁灭的现象。在目前的能源供应条件下，对高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井，不可能采取停产关闭的措施。为此，只能
7、是自主开发与之相应的安全技术，以确保高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井的安全生产 2 。利用远程监控系统，地面监控人员可以直接对井下情况进行实时监控，不仅能直观地监视和记录井下工作现场的安全生产情况，而且能及时发现事故，防患于未然。也能为事故后分析事故原因提供有关的第一手数据资料。1.3 本设计要解决的问题为煤矿安全生产，合理调度指挥，改变这种落后局面，最有效的办法之一就是采用微机监控系统。随着微机的出现和广泛应用，提出了将微机技术用于环境监测的要求。这样不仅能显著降低单位产量的能耗，而且能使产品实现高质量、高产量和高效益的目标，同时，监控系统还能帮助有关人员对煤矿井下参数进行第 4 页 共 44 页实
8、时监控，有效的预防突发性事故的发生，因而监控系统在安全生产中具有不可忽视的重要地位。本设计主要对煤矿井下的温度、湿度、压力、气体浓度等环境参数进行监测，将检测到的数据发射到井下分站。1.4 本文的主要内容及章节安排本论文主要介绍了煤矿井下环境测试系统（数据采集、发射部分）研究时采用的芯片以及该系统的设计方案，给出了系统的软件和硬件设计。其主要内容有以下几个章节：第一章主要介绍了本设计的研究背景及现状分析、本设计的意义和要解决的问题。第二章主要介绍了该系统的组成模块以及对各模块所涉及到的基本概念进行介绍。第三章主要介绍该系统所采用的主要芯片及其基本性能参数、芯片结构、管脚功能等。第四章主要介绍了
9、该系统的总体硬件设计思想及各硬件模块的设计。第五章是结论。2 系统简介2.1 系统综述该系统主要由以下两个模块组成：数据采集模块、无线射频通信模块。下面是基本框图：第 5 页 共 44 页数据采集模块无线射频通信模块天线图 2.1 系统原理框图2.2 数据采集与处理简介数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具。 被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集一般是采样方式，即隔一定时间（称采样周期）对同一点数据重复采集。采集
10、的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。准确的数据量测是数据采集的基础。数据量测方法有接触式和非接触式，检测元件多种多样。不论哪种方法和元件，均以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证数据的正确性。数据采集含义很广，包抱对面状连续物理量的采集。在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集的是几何量（或包括物理量，如灰度）数据。数据采集与处理是计算机应用的一个重要分支，主要研究信息数据的采集、存贮、处理及控制等内容。70 年代以来，由于微机技术的快速发展及其在军、民用工程领域的广泛应用，尤其是适于通用微机（如 IBM PC 系列）使用的板卡级数
11、据采集产品的大量出现，以微机为核心的可编程数据采集与处理技术得到迅速发展。现在的微机，只需在其扩展槽内插上一块数据采集板，并辅以应用软件，即可组成一套微机数据采集与处理系统，实现信息处理和实时控制功能。第 6 页 共 44 页数据采集与处理技术主要研究模数、数模转换（A/D、D/A）、数据处理等问题，需要计算机硬件电路和软件编程知识 3。数据采集：为对温度、压力、流量、速度、位移、振动、噪声等物理量进行测控，首先通过传感器把上述物理量转换成模拟电信号，而后由 A/DD/A 板将模拟电信号转换成时间、数值上量化且离散的数字量输入计算机系统。数据采集的核心是 A/D 转换。数据处理（data pr
12、ocessing）是对数据的采集、存储、检索、加工、变换和传输。数据是对事实、概念或指令的一种表达形式，可由人工或自动化装置进行处理。数据的形式可以是数字、文字、图形或声音等。数据经过解释并赋予一定的意义之后，便成为信息。数据处理的基本目的是从大量的、可能是杂乱无章的、难以理解的数据中抽取并推导出对于某些特定的人们来说是有价值、有意义的数据。数据处理是系统工程和自动控制的基本环节。数据处理贯穿于社会生产和社会生活的各个领域。数据处理技术的发展及其应用的广度和深度，极大地影响着人类社会发展的进程。数据处理离不开软件的支持，数据处理软件包括：用以书写处理程序的各种程序设计语言及其编译程序，管理数据
13、的文件系统和数据库系统，以及各种数据处理方法的应用软件包。为了保证数据安全可靠，还有一整套数据安全保密的技术。根据处理设备的结构方式、工作方式，以及数据的时间空间分布方式的不同，数据处理有不同的方式。不同的处理方式要求不同的硬件和软件支持。每种处理方式都有自己的特点，应当根据应用问题的实际环境选择合适的处理方式。数据处理主要有四种分类方式根据处理设备的结构方式区分，有联机处理方式和脱机处理方式。根据数据处理时间的分配方式区分，有批处理方式、分时处理方式和实时处理方式。根据数据处理空间的分布方式区分，有集中式处理方式和分布处理方式。根据计算机中央处理器的工作方式区分，有单道作业处理方式、多道作业
14、处理方式和交互式处理方式 4。2.3 射频通信2.3.1 射频通信技术射频（Radio Frequency） ，简称 RF。射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于 1000 次的交流电称为低频电流，大于 10000 次第 7 页 共 44 页的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。众所周知,矿山由劳动密集向技术密集转化,将从根本上改变矿井的面貌。无疑,这有赖于用现代先进技术去装备和改造冶金工业。然而对于大多数矿山,这将是一个循序渐进的过程,很难一蹴而就。实际上,由于射频技术的引入,给矿山自动化和半自动化提供了可能,而利用射频技术实现井下的工业遥控,便是投入少、风险
15、低、见效快的一个重要方面。利用射频数据传送技术实现井下工业遥控对于矿山生产带来的安全性的提高是显而易见的。然而容易忽视的还有它常常带来的明显的生产效率的提高。射频工业遥控技术的基本核心在于高可靠性。随着射频数据传输技术、微处理机技术以及各种编解码、检错纠错技术的不断成熟,高可靠性的问题已经不难解决。诚然,各种工业遥控技术对于未来的矿山全自动化尚有不短的距离。然而,由于这一技术的实施成本低,不要求对已有生产工艺过程作重大改变,投资风险小,且见效迅速,因而对我国矿山现阶段走向信息化、自动化的进程,将具有很大的现实意义 4。2.3.2 无线射频通信在煤矿井下环境测试系统中的应用由于矿山的井巷往往错综
16、复杂,加之粉尘、积水等等因素使其环境与地面相比显得十分恶劣。同时,在我国矿山通常自动化程度不高的情况下,井下往往有大量流动作业人员。因此,无论从便于生产管理、提高生产效率的角度,还是从安全生产,保障矿工人身安全的角度,都要求井下人员之间,或是井下人员与地面人员之间, 能够随时建立及时、迅速的通信联络。而这一点,仅靠目前一般矿井传统的有线通信能力是远远不能适应的。无线通信综合成本低，只需一次性投资，无须挖沟埋管，特别适合距离较远的场合；在许多情况下，用户往往受到地理环境和工作内容的限制，例如山地、港口和开阔地等特殊地理环境，对有线网络、有线传输的布线工程带来极大的不便，采用有线的施工周期长，甚至
17、根本无法实现。这时，采用无线通信可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便、扩容能力强、迅速收回成本的优点。当今社会正处于信息时代,冶金工业在充分利用计算机及通信等现代信息技术,加速实现冶金工业的信息化,自动化,提高管理水平,提高生产效率,特别是在利用高科技保障人员安全方面正面临巨大的挑战。在现代高科技的领域内,射频通信技术第 8 页 共 44 页向冶金工业的迈步,已无可替代地实现了矿山井下的无线通信。随着射频通信由模拟通信向数字通信的发展,随着射频传感、射频识别等技术向矿山领域的渗透,射频通信技术必将对冶金工业的信息化和自动化产生日益重要的影响。3 器件简介煤矿井下环境测试系统（数据采集、发
18、射）中用到的主要芯片有数据采集模块 ADUC812，无线传输模块 nRF905。第 9 页 共 44 页3.1 ADUC812ADuC812是一个完全集成的12位数据采集系统，在一个芯片内结合了高性能的自校准多通道12 位ADC，双12 位DAC 和可编程8 位微控制器( 与8051 兼容的指令集)。片内的8 K 字节闪速/ 电擦除存储器、640 字节片内闪速/ 电擦除数据存储器和256 字节的片内数据静态存储器，均由可编程8051 兼容内核控制。另外微控制器具有包括看门狗定时器、电源监视器和ADC DMA 功能，为多处理器接口和I/O 扩展提供了32 条可编程的I/O 线、I 2C兼容的SP
19、I 和标准UART 串行口I/O 等。微控制器内核和模拟转换器二者均有正常、空闲和掉点三种工作模式，有适于低功率应用的灵活电源管理方案。在工业温度范围内，有3V 和5V 两种规格电压工作器件可供选择。它有52 引脚方形扁平塑料封装及56 引脚芯片级封装两种型号 5。3.1.1 ADUC812的性能参数主要功能模拟I/O8 通道，高速12 位ADC片内100 ppm/C 的电压参考源速度高达200 kSPSADC 至RAM 高速捕获型DMA 控制器2 个12 位( 单调的) 电压输出DAC拥有片内温度传感器存储器8 K 字节片内闪速/ 电擦除程序存储器640 字节片内闪速/ 电擦除数据存储器25
20、6 字节的片内数据RAM16 M 字节的外部数据地址空间64 K 字节的外部程序地址空间基于8051 的内核第 10 页 共 44 页标称的12 MHZ 工作频率( 最大16 MHz)3 个16 位定时器/ 计数器高电流驱动能力端口端口39 个中断源， 2 个优先级电源运行于指定的3V 和5V 电压下正常模式，空闲模式和掉电模式片内外围设备UART 和SPI 串行I/O双线(400 KHz I2C 兼容) 串行I/O看门狗定时器(WDT)3.1.2 ADUC812的内部方框图3.1.3 ADUC812的引脚功能描述本节列出了 ADUC812 的引脚功能与说明，如表 3.1 所示表 3.1 ADUC812 的引脚功能符号 类型 功能DVDD P 数字正电源，额定为 3V 或 5VAVDD P 模拟正电源，额定为 3V 或 5V
