矿山井下架空人车监控通讯系统毕业论文(编辑修改稿)

矿山井下架空人车监控通讯系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的接入无线网络中，极大 程度 的提高了信息 分析 处理能力。 重新 布线 ， 省去了施工 造成 的 成本 ：无线局域网利用无线 电波 传输信号， 解决了 于难于布线的环境中搭建数据传输网络 的技术性难题。 ： 在工业 控制 现场，铺设的 线缆 及其 容易受到 外界 的 接触导致破损 ，无线网络则保证了网络的安全性 与稳定性。 较 广：无线局域网在开放空间覆盖半径 可达 达 550 米，室内一般覆盖半径为 300400 米，通过室外无线设备传输距离可以达到几十公里 ，可是同样存在着缺点，那就是无限信号的穿 6 墙能力弱。 无线局域网 现主要应用在远程视频传输、安防管理系统、生产设备联网自动化、医疗 /实验仪器联网自动化、工业 /流程联网控管等领域。 （ 3）蓝牙 无线 技术 (Bluetooth) 蓝牙 无线通讯技术 是由东芝、爱立信、 IBM、 Intel和诺基亚于 1998 年， 共同提出 的近距离无线数字 通讯 的技术标准。 从提出该技术 至今 ，蓝牙技术的发展 极其 迅速。 蓝牙作为 一种新生 的 ， 短距离无线 通讯 技术标准，受到全世界 范围内的 越来越多 的 工业生产厂家 与 研究机构的 重点 关注。 近 几 年来，世界上一些权威的标准化组织，也都在 考虑 蓝牙技术 的 标准 是否有缺陷。 例如， IEEE 的标准化机构，已经成立了 工作组，专门关注有关蓝牙技术标准的兼容 性问题 和未来的发展 方向 等问题。 IEEE TG2 是探讨蓝牙如何与 IEEE 802． 11b 无线局域网技术共存的问题；而 IEEE TG3 则是研究未来蓝牙技术 ， 向 着 更高速 (如 1020Mbits/s)传输 发展的问题。 国内的一些生产厂家与研究部门也准备开始组织蓝牙技术产品的 研发。 蓝牙是取代数据电缆的短距离无线 通讯 技术，工作频段是全球开放的 民用的 频段，可以同时进行数据 、 语音 、图像等 传输，传输速率可达到 10Mb/s，使得在其范围内的各种信息化设备都能实现无缝资源共享。 蓝牙技术的应用 极其 广泛且 富有 潜力。 它可以应用于无线设备、图像处理设备、安全 设备 、 娱乐设备 、汽车产品 设备 、家用电器、医疗健身、建筑、玩具等领域。 （ 4） GPRS 技术 GPRS（ General Packet Radio Service，通用分组无线 通讯 业务）是一个叠加在 GSM上专为高速数据 通讯 而设计的新 型 网络，属于分组交换数据 的 承载和传输 的一种 方式，称为 数字移动 通讯 技术，是 GSM 向 3G移动 通讯 发展的必经阶段。 它充分利用 了现有 的 移动 通讯 网络 的 设备，通过在 GSM 网络上增加一些硬件设备和软件 算法上的 升级形成 的 一个 新型 的网络逻辑实体，手机通话继续使用 GSM，而数据传输则使用 GPRS。 它采用分组交换方式传输数据，理论上最高数据速率可达 170Kbps，客户可以在移动状态通话的同时使用各 种高速数据 传输 业务。 通俗的 说 ， GPRS 是一项高速数据处理的科技，它 是 以分组交换技术 作为技术 基础， 将 移动用户和数据网络 之间建立起来联系 ，用户通过 GPRS 可以在移动状态下使用各种高速数据业务。 GPRS 目前支持 TCP/IP 和 业务、 GPRS 空中接口加密、 GPRS 附加业务、增强型短信业务、 GPRS 分组数据计费 等等，其中最显著的是 TCP/IP 和 功能，可以通过 TCP/IP 和 提供电子邮件、 WWW 7 浏览、专用数据、 LAN 接入等业务。 GPRS 采用分组交换技术，在数据业务的承载和支持上具有 显著的 优势，每个用 户可同时占用多个无线 传输通道 ，同一无线 传输通道 又可支持 由多个用户 互相 共享， 能将无线网络上的信息资源利用的更加充分 ，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输；支持的数据传输速率更高，理论 最快速度可 达 170Kbps；按数据流量计费的 计算 方式更加灵活； GPRS 还支持在进行数据传输的同时进行语音通话。 本次系统设计根据应用的实际情况采用 Zigbee 无线通讯技术，并以此为基础实现 架空人车 系统的监控 、 控制 、语音通讯等 功能。 8 2 架空人车通讯 监控 系统整体 方案 设计 整体系统 结构 及 功能 的 设计 矿山井下 架空人车通讯监控系 统的 主要 功能是 地面控制室 人员 对架空 车厢进行 实现监控， 架空车厢 内的人员可以在意外事故发生 时 按下紧急按钮 ，及时的 通知 地面 控 制 室采取有效 的安全 措施， 阻止事故的 发生。 由于 架空人车 在 工作中 不停 的 移动 ，传统的有线传输 无法在 架空人车 上进行 安装，因此 本 设计 采用无线通讯模块作为 架空人车 和 地面控制室 人员 进行信息交换和语音传输的 传输工具。 但是井下 和地面间的距离 太 远， 而且线路不是直线 ，单纯的 只用 无线模块无法将 数据完好 的传输至地面 的控制台 ， 由于 这种 现实 情况 的限制 ， 我们在井下 和地面间 设立了 中继站 ， 中继站 通过无线模块和 架空人车 通讯， 再 通过 CAN 总线 将数据传输至 控制台， 进而 间接地 实现了 架空人车 和 控制台 的通讯。 综上所述 ， 可 将整个系统主要分为三个 部分：架空人车的轿厢通讯机（以 下简称轿厢机）， 中继站和控制台（地面的总控制室）。 轿厢机 安装在 架空人车的 轿厢内 ，控制台安装 在 地面 的控制室 内 ， 控制室 的人员通过 控制台 监控 轿厢的 运行状况并与轿厢内的人员 通讯。 中继站安装 在轿厢 运行 的巷道内， 将 轿厢机的数据 通过无线接收到中继站，再将接收到的数据通过 CAN 总线传输到控制台。 在地面控制室安装 控制台， 地面人员通过 控制台 和轿厢内 人员进行语音 通讯，并监控 各个 轿厢运行状况。 系统 设计的整体 框图 如图 21 所示。 上 位 机节 点 机 2 节 点 机 3节 点 机 1 节 点 机 N„ „ „轿 厢 1 轿 厢 5 轿 厢 N„ „ „„ „ „ 图 21 系统设计 整体 框图 All system block diagram 车厢与上控制台 通过 中继站收发 无线信号进行语音通信， 轿厢 中的工人可以随时向地面控制室报告 车厢 的 运行状态 并请求相关 指令 ，控制 台 也可以随时询问各个 车厢 的运行 状态 以便做出 相应的 调整。 如果地面控制 台 距离较远，可以在矿井和控制 台间增加中 9 继站 以确 语音 保 通讯的 质量 和轿厢的信息指令准确。 系统设计完成 以后 ，控制 台 可以一对一选择不同 的车厢 进 行通讯，也可以 以 广播的方式对各 车厢 播报 一些 信息，每个 车厢 中工人也可主动要求与控制室 进行 通讯，实现双向通讯。 系统的各部分功能及实现方案如图 22 所示。 架 空 人 车 系 统轿 厢 机节 点 机 上 位 机主控制器语音模块无线通信键盘输入485 总线LCD显示485总线主控制器无线通信主控制器语音模块 图 22 系统 功能结构图 System function structure chart 轿厢机 系统 设计 轿厢机 是本系统被监控的 主要部分 ，是整个设计的核心。 在这 部分 中主要分为无线通讯 模块，语音 编解码 模块 ， 电源模块 以及主控制器。 另外，为了提供 更好的 人机交互界面和方便 的可操作性 ， 轿 厢 内部还 设有 有 按键 部分。 图 23 为轿厢机系统的组成。 主 控 制 器 模 块无线通信模块语 音 处 理 模 块电源模块键 盘 输 入 图 23 轿厢机 系统组成 Subsystems of cable car 中继站 系统 设计 中继站 作为 控制台 和轿厢机间的 纽带，用于传输控制台 和轿厢机的数据，主要工作方式 是通过无线模块接收 轿厢机 的信号并读出其中的数据，然后再经 CAN 总线将接收 10 的数据发送给 控制台。 其 主要 由电源 模块，无线 通讯 模块， CAN 总线接口以及主控制器组成。 其结构框图如图 24 所示。 无 线 通 信 模 块主 控 制模 块4 8 5 总 线接 口系 统 供 电 电源 设 计无 线 通 信 模 块主 控 制模 块4 8 5 总 线接 口系 统 供 电 电源 设 计1 号 节 点2 号 节 点4 8 5 总 线图 24 中继站 系统组成 Node machine subsystems 控制台 系统 设计 控制台 主要完成与 轿厢机 系统的通讯，确保监控功能 与语音通讯 的实现。 在控制 台的工作人员可以通过按键来 设置 通讯方式， 选择是 以广播方式发布消息， 还 是一对一的方式和某一个 车厢 进行通话这时需要通过按键来选择通讯的对象，同时 在显示 屏 上可以实时显示当前控制器所处的工作模式 和 通话 轿厢 的编号，如图 25 所示 为 控制台 系统的结构框图 ， 其中 包括语音 通讯与 处理 模块 ，键盘控制模块， 主控制器 模 块 、 显示模块以及 CAN 总线接口。 主 控 制 器 模 块LCD显示4 8 5 总 线 网络 通 讯语 音 通 讯 与处 理 模 块键 盘 控 制 模 块 图 25 控制台系统 组成 Control room system ponents 上述为系统的总体结构的设计，下面主要对轿厢机，中继站和 控制台 三部分进行介绍。 11 3 轿厢机系统设计 轿厢机结构 设计 轿厢机系统安装在架空的乘人轿厢中，车内的人员通过轿厢机系统与井上控制台人员通讯。 轿厢 作为被监控的对象，是整个 系统 设计的主要组成部分。 工作人员在乘 轿厢下井的过程中 ， 需要随时和地面上的控制 台 保持 联系， 为了 确保 轿厢 正常 运行 和工作人员的人身安全。 如图 31 所示，在 轿厢机系统 中，装有 主控芯片 ，无线 通讯 模块，语音编解码 模块 等。 工人可以随时向控制 台 发出通话请求建立通讯，同时也可以在没有通话时接收控制 台 的广播信息，方便执行任务。 轿 厢 机主控制器语音模块无线通信键盘输入 图 31 轿厢机系统 Fig. 31 cable car system ponents 轿厢机 的 硬件设计 轿厢机主控制器电路 主控制器 是整个设计的控制核心，无线 通讯 和语音的编解码都由单片机的控制来 完成。 考虑到整个系统对 单片机的运算速度 和资源的要求， 本 设计中采用的 主 控制 器 芯片是 MK60DN512ZVLQ10（简称 K60）。 MK60DN512ZVLQ10 单片机是 Freescale 半导体公司自主设计并制造的 32 位高性能通用 嵌入式 微处理器。 MK60DN512ZVLQ10 是CortexM4 系列的 ARM，内部的数据是 32 位的，寄存器是 32 位的，存储器接口也是 32位的。 MK60DN512ZVLQ10 采用哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行进行，大大提高运算速度。 K60 芯片使用多组电 源引脚分别为内部电压调节器、 I/O 引脚驱动、 A/D 转换电路等电路供电，内部电压调节器位内核和振荡器等供电。 K60 控制器 技术成熟，可靠性 强 ，抗干扰 与 电磁兼容性 非常 强，内部资源 非常多，接口模块包括 SPI、 SCI、 I2C、 UART、 CAN、 A/D、 PWM、 Flash 等 等。 主频晶振 12 为 50MHz，可以通过锁相环电路，将单片机的工作频率倍频到 200MHz，且稳定工作，大大提升单片机的运算速度。 它不仅在汽车电子、工业控制、中高档机电产品 等 应用领域 中 具有广泛的 应用 ，而且在 Flash 存储控制及加密方面也有很强的功能 ，片内具有512kb 的 Flash 模块，可以存储大量数据，无需外加 EEPROM 芯片。 主控 芯片电路图如图 32 所示。 图 32 主控芯片 MK60DN512ZVLQ10 Master chip MK60DN512ZVLQ10 虽然 MK60DN512ZVLQ10 将 CPU、 ROM、 RAM 以及 IO 统统集成在一个集成电路芯片中，但 仍然需 要一些 匹配的 外部电路。 主控制器模块外围电路如图 33 所示。 包括电源 供电 指示灯电路，晶振 时钟 电路，复位电路以及 JTAG 程序下载电路。 JTAG 程序下载端口结合机载软件 IAR 可实现程 序的单步或同步调试功能，可以在线仿真同步看变量动态数值等人性化的功能。 复位电路 的 作用 是 当系统处于不稳定工作时或跑飞时，可按下复位键使程序从头重新运行。 晶振时钟电路主要 给 主控芯片提供工 13 作时钟，它决定着系统工作速率的快慢， 输出端分别接 K60 的 EXTAL 和 XTAL 引脚 ，MK60DN512ZVLQ10 有内。