1、引言

監測井下生產狀況參數包括監測礦井空氣中有害或危險成分、礦井空氣物理狀態、通風設備運行狀態以及其他參數。一般監測對象包括瓦斯、風速、負壓、溫度、液位等。井下生產狀況參數監測的工作環境惡劣、監測點分散、監測種類多、測點數量大、通信距離遠，并且對實時性和可靠性要求極高。因此，研制一種性能可靠、成本低的煤礦井下多參數智能監測系統非常必要。采用當前流行的虛擬儀器技術實現上位機交互，并利用單片機成本低、集成度高、易于相互及與計算機通信等特點，開發了一種新型的井下多參數智能監測系統。

2、系統總體設計

井下多參數智能監控系統由監測分站系統、CAN總線通信系統、上位人機交互（監控計算機）以及煤礦安全專家系統（數據庫查詢服務器）組成。其系統結構圖如圖1所示。

2.1 監測分站系統

監測分站系統采用高性能ATmega48單片機作為主控器件，外接多個瓦斯、位移、壓力等傳感器，經過外部模擬電路，送人單片機內置高精度A／D轉換器，實現多路模擬量的實時采集，并通過CAN總線通信系統實現與上位人機交互的數據交換。另外，監控分機還可實現瓦斯、壓力等參數超標時的井下聲光報警，并根據上位人機交互命令進行相應的控制操作，有效避免事故的發生。

2.2 CAN總線通信系統

CAN總線通信系統的主要功能是實現多個監控分機與上位人機交互（監控主機）的數據通信，將實時采集的模擬數據通過CAN總線傳輸。

2.3 上位人機交互

人機交互系統以Lab Windows／CVI虛擬儀器作為開發平臺，利用圖形化的軟面板、豐富的數字信號處理庫和高級函數分析庫資源，借助于計算機的強大功能實現與板卡之間的控制信息和采集信息之間的數據交換、歷史數據分析、數據曲線擬制等功能。

2.4 煤礦安全專家系統

煤礦安全專家系統采用Microsoft Access 2003作為開發軟件。將歷年各種模擬量參數指標以及在具體情況下避免事故發生需要采用的操作進行匯總，供人機交互系統查詢。人機交互系統根據查詢結果發送相應的控制命令，從而最大限度地減少事故。

另外，此系統還將打印分析的參考意見，供地面工作站人員查詢，以便實時改進。

3、監控硬件設計

監控系統主控器件以及外圍電路如圖2所示，其中外圍電路包含CAN總線通信電路、MAX1232外置看門狗電路、8路模擬量采集電路以及分時選通器件4051電路等。任意一路模擬量采集電路如圖3所示。

圖2和圖3配合使用，監控系統最多監控48路模擬量信號，大大擴展了采集范圍，并采用單片機內置的高精度10位A／D轉換器，在簡化電路的同時，保證了其監測精度和速度。其工作原理：將傳感器接人（J1），當傳感器參數發生變化時，模擬量采集電路將此信號放大，經過RC濾波電路，送入4051的一路通道，經單片機控制選通后，送入單片機A／D轉換器，得到A／D轉換值。單片機將此數據通過CAN總線器件片送給上位人機交互，人機交互（監控主機）將此數據與安全值相比較，如變化不大，則繼續監測；如發生很大偏差，則將此信息傳遞給專家系統，專家系統經過分析后，得出相應操作指令并將其反饋給人機交互（監控主機），上位人機交互再將控制信息傳遞給單片機。從而產生相應的操作，以確保井下安全。

4、監控系統軟件設計

此系統的軟件設計主要由專家系統、上位人機交互和監控分機子系統組成。其中專家系統以Microsoft Access 2003為開發軟件，大量收集井下需要監測的模擬量參數信息，以供監控主機查詢參考。上位人機交互選用了NI公司的LabWindows／CVI，其界面友好，利用較少的儀器硬件和計算機資源代替了多種高檔數據記錄分析儀器。計算機可以自動分析數據和輸出報表等，大大提高了系統的智能化和測試效率，減少了人為操作誤差對檢測結果的影響，友好的人機交互界面為用戶提供了豐富的功能。

為了使單片機系統具有更好的實時性和代碼的最優化，監控分機系統的軟件設計采用匯編語言編寫。限于篇幅，這里只簡要介紹上位人機交互和監控分機子系統的軟件設計。

4.1 監控分機子系統

程序流程圖如圖4所示。從圖4中可以看出，監控系統能夠實現多種功能，包括多路模擬量A／D采集、數據暫存、液晶顯示、與上位人機交互通信以及開關量輸出等。設計時，采用模塊化思想，簡化了設計，提高了效率。

4.2 監控分機子系統

為了便于代碼復用，虛擬儀器軟件開發采用分層設計，分為主程序控制層、人機交互層、數據處理層和儀器驅動層。

儀器驅動層是針對不同的硬件編制的驅動程序函數庫，完成I／O硬件接口與處理層的連接，是實現高層軟件與硬件無關的重要保證；數據處理層在后臺對用戶的操作進行解析計算，將控制字送給硬件驅動層；同時實現數據的采集控制、信號的分析與處理、數據的管理、標定程序、測試報告生成等；人機交互層完成人機界面交互，響應用戶的操作，實現數據的顯示、與專家系統通信互換信息及報表的打印等功能。主程序控制層用于組織各部分協調工作，共同完成測試任務。該測試軟件中運用了Windows多線程技術，實現了數據采集及處理、數據顯示同時進行。

5、結束語

目前該井下監控系統已經通過驗證。實驗證明其具有特點如下：與同類產品相比，具有精度高、可靠性強、工作性能穩定、成本低廉的特點；采用單片機控制，簡化了測試設備結構，減少了故障環節，提高了工作效率和智能化；測試系統采用10位高精度A／D轉換器和自動數據報表，提高了系統的測控精度，減小了人為隨機誤差；采用虛擬儀器作為人機交互界面，融合了傳統的測試手段和現代計算機技術，提高了測試系統的直觀性和可操作性；系統內部集成了專家系統可通過故障解決方案的實時查詢功能解決問題，在提高效率的基礎上，降低了事故率。

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