基于嵌入式处理器的煤矿主扇风机控制系统设计

雷声媛 邵瑞

摘要：为提高对煤矿主扇风机的自动化控制能力，设计基于嵌入式处理器的煤矿主扇风机控制系统。系统主要由AD信息采集模块、总线控制模块、上位机通信模块、嵌入式调度模块和集成信息处理模块等结构构成，并采用人机交互技术进行控制过程中的指令交互和程序加载。以嵌入式集成处理器作为控制核心芯片构建主控模块;在AD信息采集模块中设置8通道同步采样模式，并结合ZigBee组网方案构建网络通信协议;采用嵌入式交叉编译技术进行程序编译，在MCU控制单元进行煤矿主扇风机APP控制，形成智能控制平台，并设计接口程序实现控制指令的远程传输，完成系统的集成设计。测试结果表明，采用该系统进行煤矿主扇风机控制的控制精度较高、稳定性良好，且系统具有很好的人机交互能力，证明该系统具有明显的应用优势。

关键词：嵌入式集成处理器;人机交互;煤矿主扇风机;智能控制

中图分类号：TP273

文献标志码：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

煤矿主扇风机是一种实现煤矿通风的重要设备。对煤矿主扇风机的优化控制是改善煤矿生产环境的关键步骤之一，这一过程对控制性能具有较高的要求[1]。通常来说，对煤矿主扇风机的控制主要体现在电气控制、机电控制等方面，通过现代化的信息传感设备实时采集煤矿主扇风机的工况信息，提供对煤矿主扇风机进行控制的基础信息，再结合智能控制技术进行煤矿主扇风机控制系统的开发，提高煤矿主扇风机控制的智能化程度[2]。目前，随着集成自动控制技术的不断发展，对煤矿主扇风机控制系统的控制稳定性及控制质量的要求也越来越高。因此考虑采用嵌入式的集成控制方法，进行煤矿主扇风机控制系统的优化设计。

对煤矿主扇风机集成智能控制系统的开发设计主要分為硬件设计和软件设计两大部分。本研究在成熟的控制软件设计的基础上，重点对煤矿主扇风机控制系统的硬件模块进行开发设计。基于IEEE488.2标准下Bus总线进行煤矿主扇风机集成智能控制系统的嵌入式开发，设计一种基于嵌入式处理器的煤矿主扇风机控制系统设计方案。该控制系统主要由AD信息采集模块、煤矿主扇风机总线控制模块、上位机通信模块、嵌入式调度模块和集成信息处理模块等结构组成。系统设计思路如下：首先进行系统总体结构的设计，然后进行煤矿主扇风机智能控制系统的硬件模块集成化设计。在此基础上进行实验测试分析，得出有效性结论。

1煤矿主扇风机控制系统软件部分介绍

所提的基于嵌入式处理器的煤矿主扇风机控制系统的监控软件部分采用了OPC传输协议，该传输协议能够提供高效、便捷、可靠的设备驱动程序，通过标准的OLE/COM接口实现多设备间的信息交互，在软件程序与现场控制之间起到了良好的纽带作用。本研究在OPC传输协议的基础上，采用了MCGS嵌入式版，并将其安装在主控设备中，该软件能够即时地存储数据、即时生成动态变化曲线和报表。监控软件的功能结构，如图1所示。

图1中，实时数据库是控制系统各个部分信息交互和处理的中心，通过实时数据库可将MCGS各部分组成一个整体。系统将信息采集模块所上传的数据传输并保存至实时数据库中，在实时数据库中对数据进行处理。在实时数据库中可以有效储存数据，并以多种形式直观地显示实时监控数据和历史监控数据[3]。同时，在实时数据库中按照控制命令能够有效地对系统硬件部分进行控制或调整。对于超限参数发出告警并记录告警信息，在实时数据库中的警告信息传输至上位机后，上位机可发布相应的控制指令。

不仅如此，MCGS还具有完善的安全保障机制，只有具有操作权限的人才能够对控制系统进行操作，有效避免非法登录、系统意外关闭和恶意蹿高数据等情况。

在此基础上，构建基于嵌入式处理器的煤矿主扇风机控制系统的软件部分，如图2所示。

分析图2，系统的软件工作流程为：由故障查询记录、历史记录、运行参数、和日报表数据构成了历史数据，和信息采集模块所上传的即时数据一起储存在实时数据库中，MCGS嵌入式版与系统硬件和上位机通信模块相连接，在实时数据库中通过MCGS嵌入式版对数据进行相应的处理，在相关告警指令下由上位机发出控制命令，实现对煤矿主扇风机的控制。

2系统总体架构设计及功能技术指标分析

2.1系统总体架构设计

首先进行煤矿主扇风机集成智能控制系统的总体设计并进行功能模块分析和介绍。煤矿主扇风机控制系统建立在通用计算机平台上，控制系统采用ARM作为核心控制单元，结合物联网技术和嵌入式技术进行的煤矿主扇风机控制系统开发设计，采用VIX总线控制技术实现煤矿主扇风机控制系统的总线集成控制和信息调度，构建煤矿主扇风机控制系统的集成信息处理器。系统的主要功能模块分为用户控制模块、数据处理模块和输出模块。采用ADSP21160作为核心处理器[4]，进行煤矿主扇风机控制系统的集成信息处理和控制质量的收发，采用嵌入式的交叉编译方法进行煤矿主扇风机控制系统的上位机通信协议设计，采用ISA/EISA/MicroChannel扩充总线进行煤矿主扇风机控制系统的总线收发控制。系统的总体结构构架，如图3所示。

根据图3所示的煤矿主扇风机集成智能控制系统的总体构架，采用ADSP21160处理器系统作为煤矿主扇风机控制的主控系统，结合PLC逻辑控制方法，进行控制信息采集和总线控制，在D/A转换器中实现煤矿主扇风机控制系统的信息转换和人机交互设计[5]。系统的硬件结构组成，如图4所示。

2.2系统功能技术指标分析

煤矿主扇风机控制系统硬件功能模块构成，如图5所示。

结合煤矿主扇风机控制系统的应用环境，进行煤矿主扇风机控制系统的功能模块化分析，在PLC逻辑可编程芯片控制下进行煤矿主扇风机控制系统外围执行器控制[6]，实现煤矿主扇风机控制系统的硬件集成设计。

结合图5进行分析可知，控制系统主要由AD信息采集模块、煤矿主扇风机总线控制模块、上位机通信模块、嵌入式调度模块和集成信息处理模块等组成。在此基础上，采用人机交互模块进行煤矿主扇风机控制过程中的指令交互和程序加载，在嵌入式Linux的内核结构中进行煤矿主扇风机控制系统的硬件开发和嵌入式设计[78]。分析煤矿主扇风机控制系统的功能结构和技术指标，煤矿主扇风机控制系统技术指标描述如下：

（1）煤矿主扇风机控制信息采集的多通道数据记录动态范围：-20dB～+20dB，Linux内核配置的放大量为45B，指令信息输出的幅度±10V;

（2）煤矿主扇风机控制指令加载：8通道同步、异步输入;

（3）煤矿主扇风机的控制指令离散采样率：≥200kHz;

（4）VME总线传输的A/D分辨率：10位（至少）;

（5）控制指令交叉编译的D/A分辨率：24位（至少）;

（6）嵌入式PCI总线控制的数模转换速率：≥120kHz。

根据上述功能模块分析和控制系统的技术指标描述，进行煤矿主扇风机集成智能控制系统的硬件模块化开发设计。

3系统的硬件模块化开发与实现

煤矿主扇风机控制系统主要由AD信息采集模块、煤矿主扇风机总线控制模块、上位机通信模块、嵌入式调度模块和集成信息处理模块等组成，下面详细介绍各个主要功能模块。

3.1AD信息采集模块

系统的核心处理芯片采用DSP芯片，在此基础上构建煤矿主扇风机控制系统的AD信息采样模块。AD模块采用DS18B20作为煤矿主扇风机控制系统的外围器，采用32位嵌入式设计方法进行煤矿主扇风机控制系统的输出信息采样[9]。结合交叉编译控制技术，采用传感信息采样技术进行煤矿主扇风機控制系统的传感信息采集，并利用ADI公司的ADSP21160处理器系统作为嵌入式处理器。

AD信息采集模块主要采集的信息有故障查询记录、日报表数据、运行参数（采样通道等）、电量信号（电能、电压、电能及功率因数等）、非电量信号（温度、转速等）[10]。

AD信息采集模块，如图6所示。

3.2总线控制模块

采用ADI公司的ADM706芯片作为总线控制模块的核心芯片，结合嵌入式的ARM进行煤矿主扇风机控制系统的总线输出控制设计，并与之后的信息集成处理模块一起实现煤矿主扇风机控制的智能信息处理和人机交互设计。构造风机控制的总线编译控制器，在智能控制过程中实现煤矿主扇风机控制和人机交互，采用ISA/EISA构架模式进行煤矿主扇风机控制系统的总线开发设计，设计煤矿主扇风机控制系统的总线传输协议，在ARM嵌入式微处理器环境下进行煤矿主扇风机控制系统的AD转换，采用ADSPBF537BBC5A实现煤矿主扇风机控制总线设计[1112]，得到总线控制模块设计，如图7所示。

3.3上位机通信模块

上位机通信模块通过引导ROM配置异步存储器，在SPI接口使用PF10作为SPI，读取0x00字节的个数来决定地址宽度，从地址0x20000000执行终端执行上位机通信控制协议。采用高速A/D芯片AD9225作为煤矿主扇风机控制的信息传输中心，用AD/DA转换器进行煤矿主扇风机控制系统的脉冲控制[13]。使用ADI公司的EENOTE68设计煤矿主扇风机控制系统的上位机调节器，得到上位机通信模块设计，如图8所示。

3.4嵌入式调度模块

在嵌入式调度模块中，结合ZigBee组网方案构架煤矿主扇风机控制的网络通信协议。采用嵌入式的交叉编译技术进行煤矿主扇风机控制系统的程序编译，采用FLASH、RAM、SOC作为嵌入式调度模块的缓存器，采用标准的JTAG接口：TMS、TCK、TDI、TDO进行系统的嵌入式调度，构建煤矿主扇风机的智能控制平台，设计接口程序实现控制指令的远程传输[14]，得到嵌入式调度模块的硬件构成，如图9所示。

3.5集成信息处理模块

集成信息处理模块是实现煤矿主扇风机控制系统的信息集成处理，设计煤矿主扇风机控制的自动控制传输协议，在程序加载模块中实现对煤矿主扇风机控制系统的指令加载和输出转换控制，采用PCI总线进行煤矿主扇风机控制系统的嵌入式开发和集成信息处理。构建时钟总线电路和复位电路，进行煤矿主扇风机控制系统的程序交叉编译设计，采用ADSP21160处理器系统实现煤矿主扇风机自动节能调节和风速控制[15]。采用16位的196.608KSa/Sec/Chan数字化仪HPE1433A进行煤矿主扇风机控制系统的总线开发和集成调度。综上分析，得到系统的集成信息处理模块设计，如图10所示。

3.6系统集成设计

在上述进行了系统的模块化设计的基础上，采用嵌入式的交叉编译技术进行煤矿主扇风机控制系统的程序编译，在MCU控制单元进行煤矿主扇风机APP控制，构建煤矿主扇风机的智能控制平台，设计接口程序实现控制指令的远程传输，实现系统的硬件集成设计，如图11所示。

4系统测试与结果分析

为了测试基于嵌入式处理器的煤矿主扇风机控制系统的有效性能，进行如下系统测试。

测试模型建立在VisualDSP++平台上，以D/A测试程序为例，采用DSP在线烧写EEPROM，设置煤矿主扇风机控制的载频为520Hz，低频为14Hz，煤矿主扇风机控指令脉冲宽度为2μs，信号的调制幅度在4V以内。

首先测试基于嵌入式处理器的煤矿主扇风机控制系统的控制指令收敛性，记录不同工作频率下的系统控制调制幅度变化曲线，如图12所示。

从图12中的曲线变化情况可以看出，基于嵌入式处理器的煤矿主扇风机控制系统的控制指令收敛曲线的调制幅度均位于4V以下。由于0150Hz属于中低频段，系统的稳态精度和收敛速度还未达到理想状态，因此控制指令收敛曲线存在小幅度的震荡，但这种震荡会随着系统工作频率的增加而慢慢减弱。图12所示结果证明了采用本文系统进行煤矿主扇风机控制的收敛性较好、稳定性较强、人机交互性较好。

为进一步验证基于嵌入式处理器的煤矿主扇风机控制系统的有效性能，测试不同荷载下系统的控制响应时间。分别加载3种不同的煤矿主扇风机控制系统，根据控制单元中记录的从数据库发布告警指令到上位机发出控制命令所经历的时间，如表1所示。

分析表1可知，将本文控制系统的响应时间与基于PID控制系统和基于BP控制系统的响应时间进行对比，在荷载不断增加的情况下，本文系统的控制响应时间始终最小，证明采用本文系统进行煤矿主扇风机控制的响应时间较短，时效性更强。

在一个控制系统中，控制效果可通过数据召回率和控制精度两个角度反映出来。这其中，数据召回率与控制精度成反比例关系，即数据召回率越高时，控制精度越低。因此为验证基于嵌入式处理器的煤矿主扇风机控制系统的控制精度，设计对比实验，将该系统与与基于PID控制系统和基于BP控制系统进行对比，测试不同系统的监控数据召回率，如表2所示。

分析表2可知，随着系统迭代次数的不断变化，不同控制系统的监控数据召回率也在随之变化。基于BP控制系统的变化幅度在三种模型中为最大，但是其监控数据召回率比基于PID控制系统略小。本文所设计的基于嵌入式处理器的煤矿主扇风机控制系统的信息召回率在三种系统中始终保持最低，这也充分证明了本文所提系统的监控精度最高，控制效果最好。

5总结

本文采用嵌入式的集成控制方法进行煤矿主扇风机控制系统的优化设计，结合智能控制芯片进行煤矿主扇风机控制系统的硬件开发，提高煤矿主扇风机的智能控制性，提出一种基于嵌入式处理器的煤矿主扇风机控制系统设计方案，首先设计系统的总体结构，然后进行煤矿主扇风机集成智能控制系统的硬件模块化设计，对AD信息采集模块、煤矿主扇风機总线控制模块、上位机通信模块、嵌入式调度模块和集成信息处理模块进行详细设计，并实现系统的有效集成。测试结果表明，基于嵌入式处理器的煤矿主扇风机控制系统的稳定性较好、控制响应能力较强，具有明显的应用优势。

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（收稿日期：2019.08.21）