嵌入式采煤工作面安全集中監(jiān)控系統(tǒng)

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)的軟件總體架構(gòu)如圖3.3所示：

如圖3.3所示，根據(jù)工作平臺(tái)的不同，我們可以將軟件的設(shè)計(jì)從總體上分為兩部分，第一部分主要是在下位機(jī)中嵌入了小型操作系統(tǒng)uC/OS-II的工作平臺(tái)，第二部分是運(yùn)行WindowXP操作系統(tǒng)上位機(jī)的工臺(tái)中以在下位機(jī)平臺(tái)上的系統(tǒng)開發(fā)為主。

在下位機(jī)工作平臺(tái)上，與3.1中硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的，我們又可以將軟件系統(tǒng)細(xì)分為四部分。這四部分分別為信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、控制模塊和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊。在信號(hào)采集模塊主要完成的功能為信號(hào)的選通，即在約定的時(shí)間周期內(nèi)依次處理各個(gè)傳感器或圖像采集器傳遞過來的數(shù)據(jù)；如3.1中所述，這里的信號(hào)處理模塊也分為兩部分：圖像信號(hào)處理作為單獨(dú)的一部分；瓦斯?jié)舛刃盘?hào)、頂板壓力信號(hào)、粉塵濃度信號(hào)和井下水位信號(hào)的處理方法類似，所以把它整體看作一部分；電機(jī)控制模塊主要包括通風(fēng)電機(jī)控制模塊和攝像頭的云臺(tái)控制模塊；在網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊主要完成數(shù)據(jù)的上下傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等功能。實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊的程序通過uC/OS-II進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度。通過給底層硬件開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，對上層軟件屏蔽器件的差距，方便應(yīng)用層各功能模塊程序的實(shí)現(xiàn)，和通過操作系統(tǒng)提供的接口對最底層硬件的控制。

在上位機(jī)工作平臺(tái)上，借用上位機(jī)的顯示設(shè)備和海量的存儲(chǔ)空間，可以在基于微軟的操作系統(tǒng)平臺(tái)WindowsXP上開發(fā)出許多優(yōu)良的軟件并實(shí)現(xiàn)對從下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。為了更好便于監(jiān)控中心人員的查看，可以通過圖形界面程序的設(shè)計(jì)增強(qiáng)人機(jī)的交互性和可觀性。同時(shí)除了數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳遞控制參數(shù)以外，還可以通過程序設(shè)計(jì)，調(diào)用存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行分析，進(jìn)一步挖掘潛藏在數(shù)據(jù)中的信息，從其中總結(jié)規(guī)律，為以后的安全工作產(chǎn)生工作提供重要數(shù)據(jù)，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(hù)。

在這里給出的僅是系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu)框圖，重要模塊的程序?qū)崿F(xiàn)流程將在3.4中闡述。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

根據(jù)3.3的分析，在軟件的設(shè)計(jì)方面，主要分為下位機(jī)和上位機(jī)兩個(gè)部分。嵌入式系統(tǒng)(下位機(jī))與通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(上位機(jī))相比具有很多不同點(diǎn)，首先嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定用戶群而進(jìn)行設(shè)計(jì)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(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，同時(shí)嵌入式系統(tǒng)本身一般不具備開發(fā)能力。因此嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方面存在許多差異。下面我們將分別闡述在下位機(jī)和上位機(jī)上運(yùn)行的各主要功能模塊的設(shè)計(jì)流程，其中以下位機(jī)的講解為主。

3.4.1 uC/OS-II 系統(tǒng)控制模塊

在下位機(jī)上，為了充分利用系統(tǒng)的資源，嵌入了一個(gè)成熟、開源的嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-II 。在本次設(shè)計(jì)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(tǒng)專家Jean.J.Labrosse編寫的一款源代碼開放的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)。與其他嵌入式操作系統(tǒng)系統(tǒng)相比，除具有源代碼開放的有點(diǎn)外，他的可移植性強(qiáng)、功能相對強(qiáng)大，而且其穩(wěn)定性與可靠性很高，因此本次設(shè)計(jì)選用這一款操作系統(tǒng)。

系統(tǒng)上電以后先運(yùn)行自檢程序，如果系統(tǒng)的功能模塊出現(xiàn)異常，則產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，為了避免因發(fā)出聲音警報(bào)可能造成的恐慌，本次設(shè)計(jì)通過EVK1100自帶的LED燈陣列來提示異常，工作人員可以通過LED燈陣列顯示的不同信號(hào)快速的查詢到問題的所在點(diǎn)，及時(shí)的排除問題。

待判斷系統(tǒng)各功能模塊運(yùn)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(shè)計(jì)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，開始執(zhí)行任務(wù)調(diào)度、任務(wù)同步、內(nèi)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中并沒有提供，需要自己移植相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。在本次設(shè)計(jì)中，我們選擇在uC/OS-II中移植lwip來實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。

lwip是瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院的一個(gè)開源的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)，lwip是一個(gè)輕型的IP協(xié)議，有無操作系統(tǒng)的支持都可以運(yùn)行，其對內(nèi)存的需求并不高，差不多幾百字節(jié)的RAM和40K左右的ROM就可以運(yùn)行，這使lwip協(xié)議棧適合在低端的嵌入式系統(tǒng)中使用。因此lwip可以很好的滿足本次設(shè)計(jì)的對網(wǎng)絡(luò)功能的需求。

3.4.2信號(hào)處理模塊的軟件設(shè)計(jì)流程

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

3.4.2.1非圖像信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)

（1）PID算法介紹

為了將瓦斯?jié)舛染S持在一個(gè)正常的水平，要求系統(tǒng)能夠接受地面控制中心的控制參數(shù)對通風(fēng)電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)為了體現(xiàn)靈活性，要求系統(tǒng)在平時(shí)能夠自我調(diào)控，減少人的工作量。本次設(shè)計(jì)選用PID控制器實(shí)現(xiàn)平時(shí)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)。系統(tǒng)能夠根據(jù)瓦斯的濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)又能保證在緊急時(shí)刻將控制權(quán)交給地面控制中心。PID算法控制原理如圖3.4.2.1-1所示：