基于DSP和单片机的煤与瓦斯突出监测系统设计

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基于DSP和单片机的煤与瓦斯突出监测系统设计

发布日期：2011-05-02

0 引言

煤与瓦斯突出(以下简称突出)是煤矿生产的重大自然灾害之一,会造成煤矿生产中断、人员伤亡等巨大损失,严重制约着矿井产量和经济效益的提高。近年来,随着煤矿采掘深度的不断增加和开采规模的不断扩大,突出问题日趋严重。因此,对突出的预测预报技术一直是突出防治研究的热点。目前,对于突出的预测预报方法大多是接触式预报方式,其主要通过钻孔煤屑排粉量、钻孔瓦斯涌出初速度、钻孔瓦斯压力、钻孔钻屑的瓦斯解吸强度和煤、岩的坚固性系数等指标来判定突出危险性。这些方法都需要专门的施工作业,而且操作复杂,可靠性差,既影响了采掘速度,又耗费了大量的人力和物力。

电磁辐射(EME)是煤层受载变形过程中向外辐射电磁能量的过程,与煤层的受载状况和变形破裂过程密切相关[1-2]。利用电磁辐射法对突出等灾害进行预测具有操作简单、快速实时、不影响生产、不受人工等外界因素干扰、可靠性高等优点。因此,笔者基于电磁辐射法,采用TMS320C5409 DSP芯片和AT89S51单片机设计了一种突出监测系统。该系统采用非接触式测量方式,在使用时不占用生产时间,同时不需要钻孔施工,且能够不间断地监测突出,具有十分重要的社会效益和经济效益。

1 电磁辐射法预测突出原理

突出从时间上可分为准备、发动、发展及结束4个阶段。预测突出就是要在其准备及发动阶段,根据前兆信息判断突出的危险程度。大量的试验表明,煤体在受载变形和破裂过程中能够产生频带较宽的电磁辐射脉冲信号,信号的强度和脉冲数与煤体变形破裂程度基本呈正相关。应力、瓦斯压力越大,电磁辐射信号就越强,信号脉冲数越多,突出的危险性也就越大[2]。可见,煤体在变形破裂过程中伴随产生的电磁辐射信号能够比较准确地反映突出前煤体的变化发展过程。因此,通过监测电磁辐射信号的变化来预测突出是切实可行的。

2 系统构成

由于井下环境复杂多变,而突出发生时,煤体和瓦斯会在极短的时间内(几秒到几分钟)从煤岩层内以极快的速度向采掘空间内喷出。这就要求突出监测系统能够快速及时地预测预报突出的情况,必须实时且不间断地监测电磁辐射信号的变化情况。

煤层在变形破裂过程中的电磁辐射信号十分微弱,且在采集的过程中极易受到外界信号的干扰,这些干扰信号主要源于50 Hz交流市电、电源的开关火花、井下压力机械振动产生的颤噪效应以及其它用电设备等。这些大量的噪声和干扰可对微弱的电磁辐射信号产生很大的影响,因此,必须采取适当的方法进行去噪,得到真正意义上的电磁辐射信号。

小波分析是当前应用数学中快速发展的新领域。利用小波分析的多分辨率分析处理能力,通过DSP就能很好地去除电磁辐射中的噪声。另外,为了实时地了解电磁辐射信号主频带f的大小和变化情况,需要将检测到的电磁辐射信号通过快速傅里叶变换(FFT)计算出f值,在FFT过程中的大量数据需要DSP进行实时处理。该系统采用DSP和单片机的双CPU处理平台,可充分利用DSP对大容量数据和复杂算法的处理能力以及单片机接口良好的控制能力,能够很好地实现对突出电磁辐射信号的监测功能。单片机主要用来完成整个系统的协调和人机交互,即与上位机通信、按键操作、LCD显示、声光报警等功能,而DSP则完成数据的采集和处理任务。两片CPU根据系统总体功能进行合理分工,并行处理相应数据,大大提高了运算速度。

3　系统硬件设计

3.1　数据采集模块

3.1.1　模拟信号采集电路

系统的模拟信号采集电路主要由天线、电压一级跟随器、前置放大器、低通滤波器、主放大器等组成[3]。首先通过宽带低频天线采集采掘工作面前方煤体变形破裂的电磁辐射信号。因天线接收到的电磁辐射信号较弱,容易受到其它信号的干扰,故采用全封闭的金属壳进行屏蔽。另外,由于电磁辐射信号较弱,容易衰减,所以在信号处理前先经过电压一级跟随器,以提高电路的输入阻抗和降低电路的输出阻抗。经前置放大器放大和低通滤波器滤波后的信号经主放大电路放大后由毫伏变为伏量级。

3.1.2　AD转换器与DSP接口

AD转换器是模数转换电路中的核心器件。为了提高采样数据的精度,要求选择的AD转换芯片的位数应尽量高。出于实际成本和精度考虑,采用TI公司生产的8位并行AD转换芯片TLC5510A[4],其最高频率可达20 MHz,能实现实时数据采集功能。调理后的电磁辐射信号经TLC5510A的模拟量输入引脚送入,利用TMS320C5409内部定时器来控制A/D采样率,在每次产生定时器中断时读取数据,这样可通过设置定时器的初始值来改变采样率。采集数据时只需通过译码电路确定其地址,直接读出TLC5510A转换后的数据即可,无需另外编写AD转换接口程序。需要注意的是,由于TMS320C5409的I/O电平为3.3 V,TLC5510A的I/O电平为5 V,因此,需在两者之间加电平转换芯片。

3.2　DSP数据处理模块

系统采用的TMS320C5409是TI公司推出的高性能定点DSP[5]。该芯片采用改进的哈佛结构及多组总线结构实现并行处理机制,由独立的累加器、乘法器和比例移位器实现复杂的算术运算,功耗低,智能化外设丰富,完全能够满足系统的处理要求。本系统中TMS320C5409主要用于电磁辐射信号的采集及数据处理,在运算过程中完成FFT和小波变换去噪等数据处理任务以及与单片机通信等。

3.3　DSP与单片机的通信接口

由于系统采用主从式双CPU结构,DSP和单片机之间的数据通信是必不可少的。它们之间通信接口的设计和实现是整个系统数据传输的关键所在,而双口RAM(双端口共享存储器)能够实现多CPU间快速数据变换,具有速度快、方式简单、存取共享信息所用的时间一般与存取CPU外部RAM中数据所用时间一样等优点。

系统选用IDT公司生产的IDT7130双口RAM芯片。IDT7130是1 KB×8位高速双口静态RAM,拥有10位地址总线、8位数据总线,具有两套相互独立、完全对称的地址总线、数据总线和控制总线。双端口RAM在使用上应注意的一个问题就是有可能发生争用,即当两个端口的RAM同时读写同一双端口RAM时会产生争用,出现写入值和读出值可能不是所期望值的数据混乱现象。为防止两边总线同时对同一地址进行访问而导致数据混乱现象的发生,该芯片内总线仲裁电路提供了BUSY和INT两种冲突解决方法。由于IDT7130将其片内0x3FEH和0x3FFH单元用作通信“邮箱”,通过左、右两端口对上述两单元的写、读操作,可使INT标志置1或清0,故系统利用INT标志进行总线仲裁,同时结合DSP和单片机的中断机制,使DSP、单片机与双口RAM通信时不需要插入等待周期,从而实现对双口RAM的全速存取,以达到数据缓冲与高速通信的目的。DSP和单片机的通信接口电路如图3所示,其中GAL20V8用作地址译码,以分别产生双口RAM的片选信号CEL和CER,74HC373为8位锁存器。

3.4 单片机及外围电路

系统的单片机选用ATMEL公司生产的AT89S51,其与工业标准的MCS-51系列单片机指令集和输出管脚相兼容。AT89S51片内有4 KB可编程FLASH、128 B RAM,32位可编程I/O线、2个16位定时/计数器、5个中断优先级2层嵌套中断,内部带有振荡器和看门狗(WDT)电路。特别是其具有ISP在线编程功能,该功能的优势在于改写单片机存储器内的程序时不需要把芯片从工作环境中剥离,方便易用,并使CPU支持的工作频率更高,最高工作频率达33 MHz,从而具有更快的计算速度。

单片机外围电路主要包括键盘输入、LCD显示、时钟复位、声光报警以及与上位机的通信模块等,其主要用来完成整个系统的控制协调和人机交互任务,即与上位机通信、按键操作、LCD显示、声光报警等。

4 系统软件设计

系统软件主要包括单片机软件和DSP软件。两者任务各不相同,需要完成数据采集、数字滤波、双口RAM访问、人机交互、声光报警及数据远程通信等众多任务。为了使软件设计简洁明了,采用模块化结构设计,将整个系统软件分成几个既相互独立又相互联系的模块,方便以后的编写和调试。系统软件设计主要包括采用单片机C51语言编写的人机接口与通信程序、采用DSP C5409A汇编语言与C语言混合编程的DSP数据采集与数据处理、数字滤波、数据通信等程序。