實用案例：嵌入式采煤工作面安全集中監控系統

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理

此次設計的系統功能示意圖如下圖3.1所示：

本次設計是以一個基于AVR32 AT32UC3A單片機控制器的EVK1100評估套件和開發系統為核心，再將各個功能模塊連接在一起，構成的一個完整系統。

首先由各種傳感器采集信號，包括瓦斯濃度傳感器、粉塵濃度傳感器、壓力傳感器、井下水位傳感器和視頻采集模塊等采集到的信號，先進行濾波、放大等處理，提取出其中有價值的信號，然后經過A/D轉換以后成為便于處理的數字信號。為了提高信號的有效性和平滑度需對其進行數字濾波。而圖像信號經過JPEG壓縮算法處理以后可以通過網絡，傳遞給用于監控的上位機。同時為了實現自動控制，對傳感器傳來的信號進行PID算法處理。當檢測到參數超出規定值以后，產生報警信號，并將這一信號傳寄給報警裝置和地面監控中心，同時發出控制信號，這一信號經過D/A轉換和放大處理以后對相關電機等進行控制，努力使相關參數恢復到正常范圍以內。

通過在系統中增加網絡模塊，可以實現數據在網絡中的有效傳輸，同時實現讓任何接入到網絡中的主機設備通過驗證機制以后都可以訪問到下位機傳來的數據。為了統籌管理各個硬件模塊的工作和充分利用系統的資源，在下位機中嵌入小型的uC/OS-II操作系統，同時為各個硬件模塊開發相應的驅動程序，以實現應用層軟件對底層設備的調用。

本次設計所涉及到的主要技術包括：①各信號的周期型采集實現；②模擬信號的濾波等處理；③數字濾波算法的實現；④uC/OS-II操作系統的移植；⑤相關驅動模塊的開發；⑥lwip網絡協議棧的嵌入；⑦自動閉環控制(PID算法)的實現；⑧JPEG圖像壓縮算法的實現。

3.2 系統硬件架構與資源配置

3.2.1系統硬件組成分析

系統的硬件總體結構框圖如圖3.2所示：

根據本次大賽的要求，考慮到本次設計對功能的要求以及其使用環境的特殊性，本次設計選用ATMEL公司的AVR 32 AT32UC3A芯片。這款芯片的指令集為緊湊型單周期RISC指令集，并且集成DSP指令集，具有很強的數據運算處理能力，并兼具高性能、低功耗等特點。完全能夠滿足本次設計所要求的性能穩定、功耗低等要求。為了充分利用系統的資源和發掘該款芯片的潛能，實現多任務的控制，在其中嵌入了實時性強可靠性高的操作系統uC/OS-II 。

在硬件的整體設計方面，主要分為四個部分，以各種傳感器和畫面采集器為中心的數據采集模塊，以濾波整形電路為主的模擬信號處理模塊，以MCU為中心的數字信號(數據)處理模塊，和以地面上位機為中心的數據顯示存儲和處理模塊。其中數據采集模塊根據信號的不同處理方式又可以分為兩類，以各種傳感器為中心的信號采集模塊和以攝像頭為中心的現場畫面采集模塊。

給系統上電以后，首先運行系統自檢程序，確認各個功能模塊正常以后，系統進入正常運行模式。通過定時裝置和給定的初始參數，系統依次選通各個信號采集模塊。各個傳感器和畫面采集器將采集到得模擬信號經過處理以后進行A/D轉換，然后提交給MCU。MCU根據預設計的程序處理各種信號，然后將處理好的信號傳送到地面信息監控中心和系統本身自帶的控制模塊。

這里以瓦斯控制為例，采煤工作面的上隅角往往是瓦斯濃度最高的地方，可以通過在上隅角放置瓦斯濃度傳感器，實時的檢測那里的瓦斯濃度，從而保證工作環境的正常和采煤區周邊環境的安全。系統采集到經過模擬信號處理和A/D轉換以后的數據，經過處理以后，將結果發往地面控制中心和系統自帶的控制模塊。系統自帶控制模塊根據需要適時自適用的控制通風機的轉速，將瓦斯的濃度控制在一個合理的范圍，同時系統本身也可以接受地面控制中心發來的控制信息，對通風機的轉速進行控制，從而實現系統的監和控。

考慮到實際的需要和處理器本身的處理能力，以及網絡數據的傳輸壓力。這里沒有采用實時視頻傳輸的方案，轉而采用既能滿足對進行狀況的實時監測又能充分利用系統資源減小功耗的方案：通過采集畫面的方式到達實時監控的目的。例如可以在規定的時間內多次采集采煤工作面現場的畫面（例如5幀/s），然后將采集到得畫面進行圖像壓縮處理，將處理后的數據上傳到位于地面的控制中心，在顯示器上顯示出采煤工作面的畫面，從而實現對井下采煤工作面的監控。

通過將采集處理以后的數據實時的傳輸到地面控制中心，存儲到數據庫。科研人員調用數據庫中的數據，并對其進行分析，從中總結規律，從而找到更好的更安全的作業方案，進而更好的保護人員的安全和采煤區環境的穩定。