基于嵌入式處理器的煤礦主扇風機控制系統設計

雷聲媛 邵瑞

摘要：為提高對煤礦主扇風機的自動化控制能力，設計基于嵌入式處理器的煤礦主扇風機控制系統。系統主要由AD信息采集模塊、總線控制模塊、上位機通信模塊、嵌入式調度模塊和集成信息處理模塊等結構構成，并采用人機交互技術進行控制過程中的指令交互和程序加載。以嵌入式集成處理器作為控制核心芯片構建主控模塊;在AD信息采集模塊中設置8通道同步采樣模式，并結合ZigBee組網方案構建網絡通信協議;采用嵌入式交叉編譯技術進行程序編譯，在MCU控制單元進行煤礦主扇風機APP控制，形成智能控制平臺，并設計接口程序實現控制指令的遠程傳輸，完成系統的集成設計。測試結果表明，采用該系統進行煤礦主扇風機控制的控制精度較高、穩定性良好，且系統具有很好的人機交互能力，證明該系統具有明顯的應用優勢。

關鍵詞：嵌入式集成處理器;人機交互;煤礦主扇風機;智能控制

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

DesignofMineMainFanControlSystemBasedonEmbeddedProcessor

LEIShengyuan，SHAORui

（DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering，YulinVocationalandTechnicalCollege，Yulin719000，China）

Abstract：Inordertoimprovetheautomaticcontrolabilityofthemainfanincoalmine，acontrolsystembasedonembeddedprocessorisdesigned.ThecontrolsystemismainlycomposedofADinformationacquisitionmodule，buscontrolmodule，uppercomputercommunicationmodule，embeddedschedulingmoduleandintegratedinformationprocessingmodule，andadoptshumancomputerinteractiontechnologytocarryoutinstructioninteractionandprogramloadinginthecontrolprocess.Themaincontrolmoduleistouseembeddedintegratedprocessorasthecorechip.Itsets8channelsynchronoussamplingmodeinADinformationacquisitionmodule，andbuildsnetworkcommunicationprotocolbasedonZigBeenetworkingscheme.Embeddedcrosscompilationtechnologyisadoptedforprogramcompilation.APPcontrolofthemainfanofthecoalmineiscarriedoutintheMCUcontrolunittoformanintelligentcontrolplatform.Theinterfaceprogramisdesignedtorealizeremotetransmissionofcontrolinstructionsandcompletetheintegrateddesignofthesystem.Thetestresultsshowthatthecontrolprecisionofthesystemishigh，thestabilityisgood，andthesystemhasgoodmanmachineinteractionability，whichprovesthatthesystemhasobviousapplicationadvantages.

Keywords：embeddedintegratedprocessor;humancomputerinteraction;coalminemainfan;intelligentcontrol

0引言

煤礦主扇風機是一種實現煤礦通風的重要設備。對煤礦主扇風機的優化控制是改善煤礦生產環境的關鍵步驟之一，這一過程對控制性能具有較高的要求[1]。通常來說，對煤礦主扇風機的控制主要體現在電氣控制、機電控制等方面，通過現代化的信息傳感設備實時采集煤礦主扇風機的工況信息，提供對煤礦主扇風機進行控制的基礎信息，再結合智能控制技術進行煤礦主扇風機控制系統的開發，提高煤礦主扇風機控制的智能化程度[2]。目前，隨著集成自動控制技術的不斷發展，對煤礦主扇風機控制系統的控制穩定性及控制質量的要求也越來越高。因此考慮采用嵌入式的集成控制方法，進行煤礦主扇風機控制系統的優化設計。

對煤礦主扇風機集成智能控制系統的開發設計主要分為硬件設計和軟件設計兩大部分。本研究在成熟的控制軟件設計的基礎上，重點對煤礦主扇風機控制系統的硬件模塊進行開發設計。基于IEEE488.2標準下Bus總線進行煤礦主扇風機集成智能控制系統的嵌入式開發，設計一種基于嵌入式處理器的煤礦主扇風機控制系統設計方案。該控制系統主要由AD信息采集模塊、煤礦主扇風機總線控制模塊、上位機通信模塊、嵌入式調度模塊和集成信息處理模塊等結構組成。系統設計思路如下：首先進行系統總體結構的設計，然后進行煤礦主扇風機智能控制系統的硬件模塊集成化設計。在此基礎上進行實驗測試分析，得出有效性結論。

1煤礦主扇風機控制系統軟件部分介紹

所提的基于嵌入式處理器的煤礦主扇風機控制系統的監控軟件部分采用了OPC傳輸協議，該傳輸協議能夠提供高效、便捷、可靠的設備驅動程序，通過標準的OLE/COM接口實現多設備間的信息交互，在軟件程序與現場控制之間起到了良好的紐帶作用。本研究在OPC傳輸協議的基礎上，采用了MCGS嵌入式版，并將其安裝在主控設備中，該軟件能夠即時地存儲數據、即時生成動態變化曲線和報表。監控軟件的功能結構，如圖1所示。

圖1中，實時數據庫是控制系統各個部分信息交互和處理的中心，通過實時數據庫可將MCGS各部分組成一個整體。系統將信息采集模塊所上傳的數據傳輸并保存至實時數據庫中，在實時數據庫中對數據進行處理。在實時數據庫中可以有效儲存數據，并以多種形式直觀地顯示實時監控數據和歷史監控數據[3]。同時，在實時數據庫中按照控制命令能夠有效地對系統硬件部分進行控制或調整。對于超限參數發出告警并記錄告警信息，在實時數據庫中的警告信息傳輸至上位機后，上位機可發布相應的控制指令。

不僅如此，MCGS還具有完善的安全保障機制，只有具有操作權限的人才能夠對控制系統進行操作，有效避免非法登錄、系統意外關閉和惡意躥高數據等情況。

在此基礎上，構建基于嵌入式處理器的煤礦主扇風機控制系統的軟件部分，如圖2所示。

分析圖2，系統的軟件工作流程為：由故障查詢記錄、歷史記錄、運行參數、和日報表數據構成了歷史數據，和信息采集模塊所上傳的即時數據一起儲存在實時數據庫中，MCGS嵌入式版與系統硬件和上位機通信模塊相連接，在實時數據庫中通過MCGS嵌入式版對數據進行相應的處理，在相關告警指令下由上位機發出控制命令，實現對煤礦主扇風機的控制。

2系統總體架構設計及功能技術指標分析

2.1系統總體架構設計

首先進行煤礦主扇風機集成智能控制系統的總體設計并進行功能模塊分析和介紹。煤礦主扇風機控制系統建立在通用計算機平臺上，控制系統采用ARM作為核心控制單元，結合物聯網技術和嵌入式技術進行的煤礦主扇風機控制系統開發設計，采用VIX總線控制技術實現煤礦主扇風機控制系統的總線集成控制和信息調度，構建煤礦主扇風機控制系統的集成信息處理器。系統的主要功能模塊分為用戶控制模塊、數據處理模塊和輸出模塊。采用ADSP21160作為核心處理器[4]，進行煤礦主扇風機控制系統的集成信息處理和控制質量的收發，采用嵌入式的交叉編譯方法進行煤礦主扇風機控制系統的上位機通信協議設計，采用ISA/EISA/MicroChannel擴充總線進行煤礦主扇風機控制系統的總線收發控制。系統的總體結構構架，如圖3所示。

根據圖3所示的煤礦主扇風機集成智能控制系統的總體構架，采用ADSP21160處理器系統作為煤礦主扇風機控制的主控系統，結合PLC邏輯控制方法，進行控制信息采集和總線控制，在D/A轉換器中實現煤礦主扇風機控制系統的信息轉換和人機交互設計[5]。系統的硬件結構組成，如圖4所示。

2.2系統功能技術指標分析

煤礦主扇風機控制系統硬件功能模塊構成，如圖5所示。

結合煤礦主扇風機控制系統的應用環境，進行煤礦主扇風機控制系統的功能模塊化分析，在PLC邏輯可編程芯片控制下進行煤礦主扇風機控制系統外圍執行器控制[6]，實現煤礦主扇風機控制系統的硬件集成設計。

結合圖5進行分析可知，控制系統主要由AD信息采集模塊、煤礦主扇風機總線控制模塊、上位機通信模塊、嵌入式調度模塊和集成信息處理模塊等組成。在此基礎上，采用人機交互模塊進行煤礦主扇風機控制過程中的指令交互和程序加載，在嵌入式Linux的內核結構中進行煤礦主扇風機控制系統的硬件開發和嵌入式設計[78]。分析煤礦主扇風機控制系統的功能結構和技術指標，煤礦主扇風機控制系統技術指標描述如下：

（1）煤礦主扇風機控制信息采集的多通道數據記錄動態范圍：-20dB～+20dB，Linux內核配置的放大量為45B，指令信息輸出的幅度±10V;

（2）煤礦主扇風機控制指令加載：8通道同步、異步輸入;

（3）煤礦主扇風機的控制指令離散采樣率：≥200kHz;

（4）VME總線傳輸的A/D分辨率：10位（至少）;

（5）控制指令交叉編譯的D/A分辨率：24位（至少）;

（6）嵌入式PCI總線控制的數模轉換速率：≥120kHz。

根據上述功能模塊分析和控制系統的技術指標描述，進行煤礦主扇風機集成智能控制系統的硬件模塊化開發設計。

3系統的硬件模塊化開發與實現

煤礦主扇風機控制系統主要由AD信息采集模塊、煤礦主扇風機總線控制模塊、上位機通信模塊、嵌入式調度模塊和集成信息處理模塊等組成，下面詳細介紹各個主要功能模塊。

3.1AD信息采集模塊

系統的核心處理芯片采用DSP芯片，在此基礎上構建煤礦主扇風機控制系統的AD信息采樣模塊。AD模塊采用DS18B20作為煤礦主扇風機控制系統的外圍器，采用32位嵌入式設計方法進行煤礦主扇風機控制系統的輸出信息采樣[9]。結合交叉編譯控制技術，采用傳感信息采樣技術進行煤礦主扇風機控制系統的傳感信息采集，并利用ADI公司的ADSP21160處理器系統作為嵌入式處理器。

AD信息采集模塊主要采集的信息有故障查詢記錄、日報表數據、運行參數（采樣通道等）、電量信號（電能、電壓、電能及功率因數等）、非電量信號（溫度、轉速等）[10]。

AD信息采集模塊，如圖6所示。

3.2總線控制模塊

采用ADI公司的ADM706芯片作為總線控制模塊的核心芯片，結合嵌入式的ARM進行煤礦主扇風機控制系統的總線輸出控制設計，并與之后的信息集成處理模塊一起實現煤礦主扇風機控制的智能信息處理和人機交互設計。構造風機控制的總線編譯控制器，在智能控制過程中實現煤礦主扇風機控制和人機交互，采用ISA/EISA構架模式進行煤礦主扇風機控制系統的總線開發設計，設計煤礦主扇風機控制系統的總線傳輸協議，在ARM嵌入式微處理器環境下進行煤礦主扇風機控制系統的AD轉換，采用ADSPBF537BBC5A實現煤礦主扇風機控制總線設計[1112]，得到總線控制模塊設計，如圖7所示。

3.3上位機通信模塊

上位機通信模塊通過引導ROM配置異步存儲器，在SPI接口使用PF10作為SPI，讀取0x00字節的個數來決定地址寬度，從地址0x20000000執行終端執行上位機通信控制協議。采用高速A/D芯片AD9225作為煤礦主扇風機控制的信息傳輸中心，用AD/DA轉換器進行煤礦主扇風機控制系統的脈沖控制[13]。使用ADI公司的EENOTE68設計煤礦主扇風機控制系統的上位機調節器，得到上位機通信模塊設計，如圖8所示。

3.4嵌入式調度模塊

在嵌入式調度模塊中，結合ZigBee組網方案構架煤礦主扇風機控制的網絡通信協議。采用嵌入式的交叉編譯技術進行煤礦主扇風機控制系統的程序編譯，采用FLASH、RAM、SOC作為嵌入式調度模塊的緩存器，采用標準的JTAG接口：TMS、TCK、TDI、TDO進行系統的嵌入式調度，構建煤礦主扇風機的智能控制平臺，設計接口程序實現控制指令的遠程傳輸[14]，得到嵌入式調度模塊的硬件構成，如圖9所示。

3.5集成信息處理模塊

集成信息處理模塊是實現煤礦主扇風機控制系統的信息集成處理，設計煤礦主扇風機控制的自動控制傳輸協議，在程序加載模塊中實現對煤礦主扇風機控制系統的指令加載和輸出轉換控制，采用PCI總線進行煤礦主扇風機控制系統的嵌入式開發和集成信息處理。構建時鐘總線電路和復位電路，進行煤礦主扇風機控制系統的程序交叉編譯設計，采用ADSP21160處理器系統實現煤礦主扇風機自動節能調節和風速控制[15]。采用16位的196.608KSa/Sec/Chan數字化儀HPE1433A進行煤礦主扇風機控制系統的總線開發和集成調度。綜上分析，得到系統的集成信息處理模塊設計，如圖10所示。

3.6系統集成設計

在上述進行了系統的模塊化設計的基礎上，采用嵌入式的交叉編譯技術進行煤礦主扇風機控制系統的程序編譯，在MCU控制單元進行煤礦主扇風機APP控制，構建煤礦主扇風機的智能控制平臺，設計接口程序實現控制指令的遠程傳輸，實現系統的硬件集成設計，如圖11所示。

4系統測試與結果分析

為了測試基于嵌入式處理器的煤礦主扇風機控制系統的有效性能，進行如下系統測試。

測試模型建立在VisualDSP++平臺上，以D/A測試程序為例，采用DSP在線燒寫EEPROM，設置煤礦主扇風機控制的載頻為520Hz，低頻為14Hz，煤礦主扇風機控指令脈沖寬度為2μs，信號的調制幅度在4V以內。

首先測試基于嵌入式處理器的煤礦主扇風機控制系統的控制指令收斂性，記錄不同工作頻率下的系統控制調制幅度變化曲線，如圖12所示。

從圖12中的曲線變化情況可以看出，基于嵌入式處理器的煤礦主扇風機控制系統的控制指令收斂曲線的調制幅度均位于4V以下。由于0150Hz屬于中低頻段，系統的穩態精度和收斂速度還未達到理想狀態，因此控制指令收斂曲線存在小幅度的震蕩，但這種震蕩會隨著系統工作頻率的增加而慢慢減弱。圖12所示結果證明了采用本文系統進行煤礦主扇風機控制的收斂性較好、穩定性較強、人機交互性較好。

為進一步驗證基于嵌入式處理器的煤礦主扇風機控制系統的有效性能，測試不同荷載下系統的控制響應時間。分別加載3種不同的煤礦主扇風機控制系統，根據控制單元中記錄的從數據庫發布告警指令到上位機發出控制命令所經歷的時間，如表1所示。

分析表1可知，將本文控制系統的響應時間與基于PID控制系統和基于BP控制系統的響應時間進行對比，在荷載不斷增加的情況下，本文系統的控制響應時間始終最小，證明采用本文系統進行煤礦主扇風機控制的響應時間較短，時效性更強。

在一個控制系統中，控制效果可通過數據召回率和控制精度兩個角度反映出來。這其中，數據召回率與控制精度成反比例關系，即數據召回率越高時，控制精度越低。因此為驗證基于嵌入式處理器的煤礦主扇風機控制系統的控制精度，設計對比實驗，將該系統與與基于PID控制系統和基于BP控制系統進行對比，測試不同系統的監控數據召回率，如表2所示。

分析表2可知，隨著系統迭代次數的不斷變化，不同控制系統的監控數據召回率也在隨之變化。基于BP控制系統的變化幅度在三種模型中為最大，但是其監控數據召回率比基于PID控制系統略小。本文所設計的基于嵌入式處理器的煤礦主扇風機控制系統的信息召回率在三種系統中始終保持最低，這也充分證明了本文所提系統的監控精度最高，控制效果最好。

5總結

本文采用嵌入式的集成控制方法進行煤礦主扇風機控制系統的優化設計，結合智能控制芯片進行煤礦主扇風機控制系統的硬件開發，提高煤礦主扇風機的智能控制性，提出一種基于嵌入式處理器的煤礦主扇風機控制系統設計方案，首先設計系統的總體結構，然后進行煤礦主扇風機集成智能控制系統的硬件模塊化設計，對AD信息采集模塊、煤礦主扇風機總線控制模塊、上位機通信模塊、嵌入式調度模塊和集成信息處理模塊進行詳細設計，并實現系統的有效集成。測試結果表明，基于嵌入式處理器的煤礦主扇風機控制系統的穩定性較好、控制響應能力較強，具有明顯的應用優勢。

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（收稿日期：2019.08.21）