嵌入式采煤工作面安全集中監控系統

3.3系統軟件架構

系統的軟件總體架構如圖3.3所示：

如圖3.3所示，根據工作平臺的不同，我們可以將軟件的設計從總體上分為兩部分，第一部分主要是在下位機中嵌入了小型操作系統uC/OS-II的工作平臺，第二部分是運行WindowXP操作系統上位機的工臺中以在下位機平臺上的系統開(kāi)發(fā)為主。

在下位機工作平臺上，與3.1中硬件系統總體結構相對應的，我們又可以將軟件系統細分為四部分。這四部分分別為信號采集模塊、信號處理模塊、控制模塊和網(wǎng)絡(luò )數據傳輸模塊。在信號采集模塊主要完成的功能為信號的選通，即在約定的時(shí)間周期內依次處理各個(gè)傳感器或圖像采集器傳遞過(guò)來(lái)的數據；如3.1中所述，這里的信號處理模塊也分為兩部分：圖像信號處理作為單獨的一部分；瓦斯濃度信號、頂板壓力信號、粉塵濃度信號和井下水位信號的處理方法類(lèi)似，所以把它整體看作一部分；電機控制模塊主要包括通風(fēng)電機控制模塊和攝像頭的云臺控制模塊；在網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊主要完成數據的上下傳輸，實(shí)現遠程控制等功能。實(shí)現各個(gè)功能模塊的程序通過(guò)uC/OS-II進(jìn)行統一的調度。通過(guò)給底層硬件開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序，對上層軟件屏蔽器件的差距，方便應用層各功能模塊程序的實(shí)現，和通過(guò)操作系統提供的接口對最底層硬件的控制。

在上位機工作平臺上，借用上位機的顯示設備和海量的存儲空間，可以在基于微軟的操作系統平臺WindowsXP上開(kāi)發(fā)出許多優(yōu)良的軟件并實(shí)現對從下位機傳來(lái)的數據的存儲。為了更好便于監控中心人員的查看，可以通過(guò)圖形界面程序的設計增強人機的交互性和可觀(guān)性。同時(shí)除了數據顯示、數據存儲和傳遞控制參數以外，還可以通過(guò)程序設計，調用存儲在數據庫中的數據對其進(jìn)行分析，進(jìn)一步挖掘潛藏在數據中的信息，從其中總結規律，為以后的安全工作產(chǎn)生工作提供重要數據，進(jìn)一步提高井下工作的安全性和對周邊生態(tài)環(huán)境的保護。

在這里給出的僅是系統軟件的整體結構框圖，重要模塊的程序實(shí)現流程將在3.4中闡述。

3.4 系統軟件流程

根據3.3的分析，在軟件的設計方面，主要分為下位機和上位機兩個(gè)部分。嵌入式系統(下位機)與通用型計算機系統(上位機)相比具有很多不同點(diǎn)，首先嵌入式系統通常是面向特定用戶(hù)群而進(jìn)行設計的，通常具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)，再次嵌入式系統的硬件和軟件都必須高效率地設計，同時(shí)嵌入式系統本身一般不具備開(kāi)發(fā)能力。因此嵌入式系統和通用計算機系統在軟件設計和實(shí)現方面存在許多差異。下面我們將分別闡述在下位機和上位機上運行的各主要功能模塊的設計流程，其中以下位機的講解為主。

3.4.1 uC/OS-II 系統控制模塊

在下位機上，為了充分利用系統的資源，嵌入了一個(gè)成熟、開(kāi)源的嵌入式操作系統uC/OS-II 。在本次設計中，uC/OS-II 的主要功能如圖3.4.1所示：

uC/OS-II是有美國嵌入式系統專(zhuān)家Jean.J.Labrosse編寫(xiě)的一款源代碼開(kāi)放的實(shí)時(shí)嵌入式系統。與其他嵌入式操作系統系統相比，除具有源代碼開(kāi)放的有點(diǎn)外，他的可移植性強、功能相對強大，而且其穩定性與可靠性很高，因此本次設計選用這一款操作系統。

系統上電以后先運行自檢程序，如果系統的功能模塊出現異常，則產(chǎn)生報警信號，為了避免因發(fā)出聲音警報可能造成的恐慌，本次設計通過(guò)EVK1100自帶的LED燈陣列來(lái)提示異常，工作人員可以通過(guò)LED燈陣列顯示的不同信號快速的查詢(xún)到問(wèn)題的所在點(diǎn)，及時(shí)的排除問(wèn)題。

待判斷系統各功能模塊運行正常以后啟動(dòng)uC/OS-II。uC/OS-II可以大致分成核心、任務(wù)管理、時(shí)間處理、任務(wù)同步與通信和CPU移植等五個(gè)部分。在本次設計中，這五個(gè)部分都將涉及到。如圖3.4.1所示，uC/OS-II正常啟動(dòng)以后，開(kāi)始執行任務(wù)調度、任務(wù)同步、內存管理和時(shí)間管理等功能模塊。其中網(wǎng)絡(luò )通信功能在uC/OS-II中并沒(méi)有提供，需要自己移植相關(guān)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧。在本次設計中，我們選擇在uC/OS-II中移植lwip來(lái)實(shí)現TCP/IP協(xié)議棧。

lwip是瑞典計算機科學(xué)院的一個(gè)開(kāi)源的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現，lwip是一個(gè)輕型的IP協(xié)議，有無(wú)操作系統的支持都可以運行，其對內存的需求并不高，差不多幾百字節的RAM和40K左右的ROM就可以運行，這使lwip協(xié)議棧適合在低端的嵌入式系統中使用。因此lwip可以很好的滿(mǎn)足本次設計的對網(wǎng)絡(luò )功能的需求。

3.4.2信號處理模塊的軟件設計流程

根據信號的特征和信號處理的方式，這一模塊的實(shí)現主要可以分為兩大部分：第一部分為對傳感器傳來(lái)信號的處理，它們的信號處理流程相似，我們一瓦斯信號的處理流程做例進(jìn)行詳解；第二部分為圖像信號處理模塊，不同于前面所提到的信號的處理方式，其設計到圖像采集和壓縮等問(wèn)題，因此我們將其實(shí)現流程單獨講解。

3.4.2.1非圖像信號處理軟件設計

（1）PID算法介紹

為了將瓦斯濃度維持在一個(gè)正常的水平，要求系統能夠接受地面控制中心的控制參數對通風(fēng)電機進(jìn)行控制，同時(shí)為了體現靈活性，要求系統在平時(shí)能夠自我調控，減少人的工作量。本次設計選用PID控制器實(shí)現平時(shí)系統的自我調節。系統能夠根據瓦斯的濃度自動(dòng)調節通風(fēng)電機的轉速，同時(shí)又能保證在緊急時(shí)刻將控制權交給地面控制中心。PID算法控制原理如圖3.4.2.1-1所示：