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基于微处理器和实时操作系统的矿用通风机监测仪

曹现刚 苗 琼/西安科技大学 机械工程学院    

摘要:根据通风机安全性能检测和煤矿生产的实际要求,开发了基于高性能32位ARM处理器STM32F103VB和嵌入式实时操作系统 μC/OS-II 的矿用通风机监测仪器。研究了通风机主要性能参数的测试方法,介绍了仪器硬件平台的组成和软件设计思路。

关键词:通风机;微处理器;嵌入式实时操作系统;监测仪

中图分类号:TP 391   文献标识码:B

The Monitoring Instrument for Mine Ventilator Based on MCU and Real-time Operation System

Abstract: According to the safety performance testing for mine ventilator and the actual requirements in mine production process, a portable monitoring instrument for ventilator performance testing was developed based on 32-bit MCU STM 32F 103VB and real-time embedded operating system μC/OS-II. In this paper, the measurement method for main performance parameters is investigated and the constitution of hardware platform and the software design method are also introduced.

Key words: ventilator; MCU; real-time embedded operating system; monitoring system  

0   引言

  通风机是煤矿安全生产中的重要设备,其性能关系到工作人员的人身安全和运行的经济性。在煤矿生产中,通风机被人们称为“矿井肺脏”[1]。它的作用是向井下输送充足的新鲜空气,以降低有害气体浓度并带走飞扬的煤尘,保证给井下作业人员一个安全、可靠、良好的工作环境。目前,我国许多煤矿通风形势不容乐观,很多矿井通风设备落后 , 带病运转、报废再用现象普遍存在[1]。因此,研究开发可靠稳定的通风机监测仪器,实现通风设备的实时监测,保证矿井安全作业十分必要。而我国传统的通风机监测方式手段还比较落后,主要以单一的、分散型仪器装置,人工手动操作为主。这种监测方式效率低、精度差,既不利于检测数据的实时、高效处理,又不利于矿井设备监测的数字化和信息化发展。 笔者利用微电子技术和先进的现代检测技术,依据通风机性能检测规范要求,设计了基于32位微处理器STM32F103VB和嵌入式实时操作系统(Real-Time Embedded operating System)μC/OS-II 的矿用通风机监测仪。

1  通风机性能参数检测原理及方法

根据煤矿在用主通风机系统安全检测检验规范要求,通风机主要性能参数包括:大气密度ρ风量q、风压p、效率η、转速n、噪声等。

1.1   大气密度的测定

  通过对大气密度的测量,可以间接地计算通风机进口空气密度和通风机装置出口密度。大气密度测量可利用压力、温度及湿度传感器,布置在适当的测试位置后,将测量的压力、温度和湿度值,代入公式(1)中可计算大气密度:

  

1.2   静压的测定

  在现场的实际检测中需根据风机类型、风机工作方式和煤矿生产实际情况,来正确选择测压面和布置测压点。通常情况下,测压截面选在通风机进口前风硐的直线段上。但该处未取在通风机进口处,有压力损失,所以在性能换算时,应将该测试点处的值换算到通风机进口处。当测量截面直线段较短时,应增加测试点的布置密度来提高测试精度。在风硐壁面上无法设置静压测孔时,可将测试点设置在测量截面内。矩形截面时,将该截面划分为等面积区域,在每个区域中心布置一个测试点;圆形截面时,皮托管布置在截面等面积环二等分的分界圆周上。用软管将皮托管的静压端与测压传感器相连,获取静压信号。

1.3   风量的测定

  通风机在实际安装条件下,进出口巷道截面的风速分布一般是不均匀的,这给风量测量带来了一定的困难。实际测量中可通过测量风速或测量风压来间接计算风量。

1.3.1   风速法测风量

  测风速求风量时,应选择风速分布较为均匀的测量面,并根据测量面的形状来布置测量传感器,将测量点测出的风速代入公式(2)计算风量(m3 /s) :

   

1.3.2   动压法测风量

  测动压求风量时,通常将支架和皮托管固定在流速均匀的测压面,皮托管的数目由测压面的面积来决定。对截面动压的测量有多点分联和多点并联两种方法。笔者采用多点分联法测量,虽然该方法占用仪器多,但是精度高。测压传感器两端连接皮托管两端的软管,全压减去静压,即可测出动压。并由式(3)计算风速,式(2)计算风量。

   

2  通风机监测仪的硬件构成

  本仪器硬件平台采用意法半导体(ST)32位工业级处理器STM32F103VB,远程通讯采用485总线。仪器硬件组成主要包括3个模块:传感器信号采集模块、信号调理电路、微处理器控制模块。传感器信号采集模块由传感器将被测物理量转化为电压或者电流信号;再经过调理模块进行信号调理;然后由微处理器进行数据转换处理;最后输出到数码管显示或者传输到远程控制中心。远程控制中心利用计算机建立数据库可保存、查询及打印监测数据。硬件结构示意图见图1。

图1 仪器硬件结构图

  本仪器选用的32位工业级ARM微控制器STM32F103VB,最大时钟频率可达72MHz,内置高速存储器 (高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM) ,内部自带2个12位16通道ADC转换器,ADC转换通道的切换速度最快可达1μs。外接3.3V基准电压作为ADC参考电压源,所以,ADC的模拟通道输入电压(即经过调理后的传感器输出电压)要求必须在0~3.3V之间。仪器自带 485通讯接口,便于监测数据远程传输到控制中心和网络化扩展。4个按键(“ESC”、“UP”、“DOWN”、“OK”)用于 仪器正常工作之前系统配置参数的设定,如485通讯地址设定、通讯波特率设定、传感器灵敏度系数的修正、报警阀值设定等。这些配置参数的修改变化都能显示在数码管上,以便于用户操作,参数修改配置完成后将被保存在外扩的Flash芯片 M25P16中。当某个传感器检测值大于或者小于设定的报警阀值时,仪器将通过声光报警提示操作人员。

3  通风机监测仪的软件实现

  通风机监测仪器的软件部分以RealView MDK为开发平台,它是ARM公司目前最新推出的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具。与ARM之前的工具包ADS等相比,RealView编译器可将代码密度提高10%,性能改善20%,并且支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核处理器。

  嵌入式实时操作系统μC/OS-II是1992年美国人Jean Labrosse 编写的适合于小巧控制器的嵌入式实时操作系统,应用面覆盖了诸多领域[3]。μC/OS-II可以管理64个任务。除系统任务外,用户应用程序最多可以有56个任务,而中断嵌套的层数最多也可以到255层。具有小巧、源代码公开、实时性强、可移植性好、可裁剪、多任务、基于优先级的可剥夺性调度等特点。 本仪器程序设计结合了μC/OS-II实时操作系统。 仪器软件结构示意图见图2。

图2 仪器软件结构示意图

  仪器程序运行之后,在主程序中完成操作系统 μC/OS-II 的 初始化、事件创建(包括信号量和邮箱)和启动任务创建等操作;在启动任务中创建其它任务,如数据采集任务、数据显示任务、键盘扫描任务和串口通讯任务。之后根据任务优先级来调用相应的任务程序模块。经过调理电路的传感器信号输入到STM32F103VB微处理器中进行A/D转换处理,在数据采集任务中将转换后的数据通过发送信号量的方式通知显示任务;显示任务再发送回复信号量通知数据采集任务已接收到通知信号量,之后完成数据显示。由于参数设置和监测数据都需要在数码管上显示,所以显示任务在接收到信号量时,还要判断所接收的信号量是通知显示采集数据还是显示参数。当键盘扫描任务扫描到有按键按下并且是“OK”键时,仪器便进入参数设置状态,键盘任务便发送信号量通知显示任务,显示当前要修改的第一个参数(例如485通信地址),“ESC”键用于返回上一层,“UP”;“DOWN”键用于对当前要修改参数值加1或者减1。第一个参数修改完成后按“OK”键进行下一个参数修改设置,参数修改完成后通过SPI总线保存到外扩的Flash芯片M25P16中。键盘扫描任务程序结构图见图3。

  

图3 键盘扫描任务程序结构图

   为方便按键程序的设计,可通过结构体来有效地组织 4 个按键。具体实现如下:

typedef struct

  {

  unsigned char KeyTab_MenuIndex;

  unsigned char KeyTab_PressESC;

  unsigned char KeyTab_PressUP;

  unsigned char KeyTab_PressDOWN;

  unsigned char KeyTab_PressOK;

  void (*CurrentOperate)();

} KEYTABSTRUCT ;

  定义一个结构体变量 KEYTABSTRUCT ,在结构体中定义 6 个结构体元素( 5 个无符号字符型和 1 个指针变量)。第一个无符号字符型变量为当前状态索引号,接下来依次为按下“ ESC ”、“ UP ”、“ DOWN ”及“ OK ”按键后的状态索引号,最后 1 个指针变量指向相应按键按下时需执行的函数。这样就可以设计一个结构体数组,在结构体数组里根据菜单的嵌套次序排好本菜单的状态索引号,以及本菜单上、下卷动的状态索引号和上下级菜单之间的状态索引号,在每一个菜单项中编写一个相应的执行函数。

#define KEYBD_MENU_SIZE 7

KeyTabStruct KeyTab [KEYBD_MENU_SIZE] = {

  // 起始界面;

  {0, 0, 0, 0, 1, (*Window1)},

  // 进入第一层界面;参数设置;

  {1, 0, 1 ,1 ,2, (*Window2)},

  {2, 1, 2, 2, 3, (*Window3)},

  {3, 2, 3, 3, 4, (*Window4)},

  {4, 3, 4, 4, 5, (*Window5)},

  {5, 4, 5, 5, 6, (*Window6)},

  {6, 5, 6, 6, 0, (*Window7)}

} ;

  当参数的数量发生变化或者数据显示的嵌套层数有变化时,只需要通过修改宏定义 KEYBD_MENU_SIZE 的大小即可,这样 使得程序易维护和扩展。

  串口通讯任务主要实现采集数据的远程传输和远程控制中心控制命令的接收,数据发送和命令接收都采取中断方式。当数据发送完成时,在发送中断处理函数中发送信号量通知串口通讯任务发送下组数据;当接收到远程控制命令时,在接收中断处理函数中发送信号量通知串口通讯任务拆解命令包,并执行相应命令操作。

4   结论

  矿用通风机监测仪依据AQ 1011-2005[5]要求,结合先进的嵌入式技术和现代检测技术研究开发的。通过初步的试验验证,该仪器能够完成通风机性能参数的实时检测,配合上位软件可 对通风机的工作性能作出较为准确的评价。此外, 该仪器解决了采用分散仪器测量存在的诸多问题,如测量数据单一、劳动强度大、实时性差、巡回间隔时间长、记录检索能力差及综合评判能力弱等,有效降低了测试工作的复杂性,为矿井管理的信息化和监测的数字化奠定了基础。  

参 考 文 献

[1] 李曼,杨富强,冯华光.矿用通风机性能测试分析虚拟仪器的研发[J].风机技术,2008(4):43-46.

[2] 陈维健,奇秀丽,肖林京,等.矿山大型固定设备测试技术[M].江苏:中国矿业大学出版社,1998.8.

[3] 吴永忠,程文娟,郑淑丽,等.嵌入式实时操作系统μC/OS-II教程[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.

[4] 李宁.ARM开发工具RealView MDK使用入门[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[5] AQ 1011-2005 煤矿在用主通风机系统安全检测检验规范[S].国家安全生产监督管理局,2005.3.7.

[6] 李海港,张倩.基于MSP 430F 147 的网络化通风机监测仪的设计与实现[J].风机技术,2007(4).

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  评论人:Bradley   打分:85 分  发表时间:2015-8-11 17:42:58
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  评论人:西门塔尔牛   打分:0 分  发表时间:2015-4-18 1:10:47
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