上位机设计方案 - 图文

前言

在我国采用斜井开拓方式的矿井中，随着矿井的不断开采和延伸，井下作业地点距离越来越长。长期以来，职工只能步行，把大量体力和时间消耗在过程中。为此应切实解决井下作业人员体力和时间的武功消耗，确保井下作业的工作和工程质量。目前随着科技水平的不断提高，许多矿井都选用架空人车负担煤矿人员的运输。

基于物联网的矿山井下架空人车系统的基本功能是通过无线传输对车厢进行实现监控，车厢内的工作人员可以在意外事故发生后按下紧急按钮通知地面主控制室采取有效措施，防止灾难发生。

本设计是以组态王软件做为矿井架空人车无线监控系统上位机，完成之后，可以实现对轿厢内情况的视频监控、语音通信、报警以及MP3播放等功能。控制室可以通过上位机来监控轿厢机内的情况以及和任何一个轿厢进行语音通信，以实现控制室对每个轿厢内状态的监控。

1概述

1.1矿用架空人车的概况

矿用架空人车为矿山长距离安全快速地人员运输提供了经济使用的解决方案。其工作原理类似于地面旅游索道，它通过电动机传动减速机上的摩擦轮作为驱动装置，以架空、无极循环的钢丝绳作为牵引承载，此钢丝绳靠尾轮张紧装置进行张紧和绳长调节，沿途采用托绳支撑，以维持钢丝绳在托轮间的贴合力；抱索器将乘人抱索器或物料箱与钢丝绳连接并循环运行，从而实现运送人员及物料的目的。其优势能长期运输，实现无人值守和远程智能监控运行，无需专门操作司机，维护工作量较少。这种矿用架空人车与斜井人车运输相比较，具有更安全使用、运送能力大、动力消耗小，设备结构简单、维护工作量小等优点，深受井下工人的欢迎，大大提高了井下辅助运输的效率。

与国内快速发展的煤矿采掘机械化水平相比，矿井辅助运输明显落后，已成为制约我国煤炭生产发展的主要因素之一。利用架空乘人装置运送井下人员，减少工人上下班的时间和体力消耗，对矿井的高产高效起到推动作用。

矿用架空人车的最新发展方向呈现大运量、高速度、集中控制、稳定安全等特点。具有大运量、连续运输、连续变坡拐弯的特点，而且运行可靠，易于实现自动化和集中控制，经济效益十分明显。地下矿用架空人车也是煤矿乘人装置最为理想的高效连续辅助运输设备，特别是煤矿高产高效现代化的大型矿井，地下矿用架空人车已成为矿井辅助运输机电一体化技术与装备的关键设备。随着高产高效矿井的发展，矿用架空人车的各项功能指标有了很大提高。

1.2 研究目的和意义

斜井人车是运送现场作业人员的重要设备，其工作性能既关系到安全生产，又影响设备的效率。传统的斜井人员运输，多是采用斜井绞车拖动斜井人车，工作效率低，影响行车安全的因素多，运行和维护成本高。因此，采用巷道内的架空运人缆车对原系统进行改造是一个理想的技术方案。缆车运人系统的电机功率远远小于绞车的电机功率，可节约大量的电能，降低运行成本，系统的结构简单，维护方便，并且能够连续工作，运人效率高。

但是，在缆车运人系统中，巷道中设有拉线开关，在紧急情况下需轿厢内人员将身体探出轿厢拉动拉线，操作人员的人身安全难以保证，存在严重的安全隐患。为进一步提高运人缆车运行与管理的现代化水平和操作的安全性能，应用计算机控制技术、测控技术和通讯技术，进行了基于物联网的矿山井下架空人车监控系统设计。

设计将通过无线通讯技术、计算机技术、网络通讯技术可测控技术的综合应用，形成一个具有无线操作控制、语音通讯、轿厢检测和独立音乐播放功能的矿山架空缆车无线通讯与控制系统。项目的研究成果将大大提高架空运人缆车的技术性能和安全性能，可在保证安全生产和提高人车安全及管理水平方面发挥积极作用。

物联网技术是一项蓬勃发展的新兴技术，受到国内外测控领域的普遍关注，其应用可以涉足到社会生产和生活的各个领域。在我国一些在该领域走在世界的前列，在环境监测和环境控制等领域取得了一些应用成果。但是，这是一项全新的技术领域，与其相关的很多技术问题需要不断发展和完善。

1.3 设计内容

本次设计的内容是矿井架空人车无线监控系统上位机设计，具体包括以下几个方面的内容：组态王人机界面、数据处理模块、数据存储模块、接口转换电路、语音通讯模块五部分。系统结构设计如图1-1所示。

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图1-1 系统结构设计图

组态王人机界面：将窗体、命令按钮、文本框、选择框等对象按照用户的需要有机的组合在一起。组态王通过和底层单片机通讯，访问相关设备寄存器来获得各设备的运行情况，并通过动画连接等显示出来。

数据处理模块：系统中实时数据由单片机进行采集、转换，并且由单片机通过通用单片机ASCII通信协议和组态王数据共享。当组态王要读取单片机数据时，将会向单片机发送基于该协议的读命令包，单片机响应后，将数据发送给组态王，进而对数据进行处理。

数据存储模块：组态王可以对单片机采集的数据进行存储，方便日后对数据的整理和查询。

接口转换电路：通过接口转换电路组态王可以与节点机进行通讯和数据交换。 语音通讯模块：语音信号的采集与播放采用AMBE1000模块。AMBE是基于MBE技术的低比特率、高质量语音压缩算法，具有语音音质好和编码速率低等优点，在芯片内部有相互独立的语音编码单元和解码单元，可同时完成语音的编码和解码任务。并且所有的编码和解码操作都能在芯片内部完成，不需要额外的存储器。这些特性使它非常适合于数字语音通信、语音存储以及其它需要对语音进行数字处理的场合。

系统设计完成之后，控制室可通过组态王界面对系统的运行过程进行监控和控制，也可以一对一选择不同缆车进行通讯，每个缆车中工人也可以主动要求与控制室通讯，实现双向通讯。

2总体设计方案

本次设计所要设计的上位机，首先要有良好的可视化界面，在完善功能的基础上对界面进行美观和复杂化，并对各个功能进行扩展，提高其应用的普通型。对各个功能按钮进行程序设计，实现各部分功能，完成调试，实现PC机。与单片机进行通信，最终实现人机界面。

数据的处理和存储都是由组态王软件完成。

在与轿厢机语音通信方面，采用AMBE-1000模块实现全双工语音通讯。 此外在与节点机连接时，需要一个接口转换电路。

2.1系统功能与组成 2.1.1 系统所要实现的功能

（1）系统能够对人车的运行状态进行监控；

（2）系统能够对节点机发送来的数据进行接受和处理，并提供相应的可视化菜单； （3）系统能够对轿厢机发送相应的控制信号；

（4）系统能够在遇到异常情况发生报警信号的时候，对报警信息进行处理；

（5）系统能够一对一选择不同的轿厢进行通讯，每个轿厢中的工人也可主动要求与控制室通讯，实现双向通讯。

2.1.2 系统的组成

根据系统的设计及控制要求，系统可分为以组态王为基础的人机界面、接口转换电路、语音通讯模块三大部分。 （1） 人机界面

人机界面是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。

人机界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或称界面所说人机

结合面，信息交换，功能接触或互相影响，指人和机器的硬接触和软触，此结合面不仅包括点线面的直接接触，还包括远距离的信息传递与控制的作用空间。人机结合面是人机系统中的中心—环节，主要由安全工程学的分支学科安全人机工程学去研究和提出解决的依据，并过安全工程设备工程学，安全管理工程学以及安全系统工程学去研究具体的解决方法手段措施安全人机学。它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。现在大量运用在工业与商业上，简单的区分为“输入”（Input）与“输出”（Output）两种，输入指的是由人来进行机械或设备的操作，如把手、开关、门、指令（命令）的下达或保养维护等，而输出指的是由机械或设备发出来的通知，如故障、警告、操作说明提示等，好的人机接口会帮助使用者更简单、更正确、更迅速的操作机械，也能使机械发挥最大的效能并延长使用寿命，而目前市面上所指的人机接口则多界狭义的指在软件人性化的操作接口上。 （2） 接口转换电路

随着计算机产业的不断发展，USB接口越来越成为主流。由于其支持热插拔且数据传输速度越来越快的优点，USB已经成为计算机的标准接口。然而在工业领域，工业产品的接口技术发展相对缓慢，工业现场中的许多设备仍然使用RS485接口，另外I2C和SPI也是两种比较主流的串行总线，它们的传输线少，速度快，可靠性高。但是往往工业产品所需要的控制程序还是在基于计算机的软件里完成，比如可编程控制器、人机界面、变频器等等，需要将计算机里的控制程序下载到工业产品里。

目前很多厂家开发了这种转换技术，但很多转换器只提供RS485、I2C和SPI接口中的一种或两种，并且大多转换器的USB接口都是用“虚拟串口”来实现，在实际应用中很不方便。为了适应这种现实情况，很有必要使用USB到RS485，I2C，SPI的转换技术，同时提供这三种接口来实现计算机与带有此接口的设备之间的数据传输。 （3） 语音通讯模块

主控制模块AMBE-1000话筒、喇叭CSP1027模拟放大

图2-1 语音通信模块框图

语音处理模块的框图如图所示，其中AMBE-1000是语音处理模块的核心，它起到解压语音信息的功能。当压码时，它通过话筒采集语音信息，将其压缩，然后被主控制芯片读取，将语音数据必送出去。处于解码状态时，主控制芯片将语音处理发送给语音芯片，语音芯片解压语音编码，能过D/A转换器，然后将模拟信号放大，再通过喇叭广播出去。

4 接口转换电路的设计

在微机领域中，USB是最流行的串行数据总线，而在工业控制领域中，RS485无疑是目前最流行不过的串行通讯总线了。在工业应用系统中，常需要解决USB和RS485相互通讯的问题。本设计以CYGNAL公司的桥接器芯片CP2101为核心设计和实现了USB和RS485的转换器。

4.1 串口数据通讯 4.1.1 USB 总线标准简介

USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种应用在PC领域的新型接口技术，在微机领域广泛应用,主要具有以下优点：可以热插拔；携带方便；标准统一；可以连接多个设备。USB在PC上往往具有多个接口，可以同时连接几个设备，如果接上一个有4个端口的USB HUB时，就可以再连上4个USB设备，以此类推连下去。

4.1.2 RS485总线标准简介

在工业控制数据通讯中，RS485通讯数据总线应用最为广泛。RS2485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，故传输信号能在1000m以外得到恢复 RS2485在19kpbs下能传输1200m ，用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS2485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。RS2485只能半双工工作，发收不能同时进行，但它只需一对双绞线。

4.1.3 USB和RS485的通讯

在工业控制中，需要在PC机上监控远程现场的运行情况。这样，可以通过USB接口转换成RS485总线与远程现场的智能仪表进行数据通讯。以下对USB和RS485通讯接口进行设计。

4.2 USB和RS485通讯接口的结构

USB和RS485通讯接口的结构如图4-1所示。我们使用芯片CP2101作为USB与UART的数据转换器，然后再使用MAX1483作为UART与RS485总线的数据转换器。由CP2101输出的UART信号能够驱动集成器件MAX1483，因此在CP2101 与MAX1483 之间再加上一个驱动芯片1G07，详细的电路图如图4-2。

图4-1 USB与RS485通讯接口结构

4.3 USB 和RS485 通讯接口的电路原理

图4-2中详细描绘了USB和RS485通讯接口的电路原理。图中左边的CON4是USB总线的端子，USB采用的是4线结构,其中1号线是电源线VBUS，4号线是地线GND，2 、3号线分别是差模信号数据线D-和D+。

图4-2 USB和RS485通讯接口的电路原理图

4.3.1 CP2101 功能说明

此通讯接口电路中的核心部件是CYGNAL公司的USB转UART桥接器CP2101。CP2101 是一种高度集成的USB转UART桥接器,提供一个使用最小化的元件和PCB空间实现UART转USB的简便的解决方案。该芯片包含一个USB2.0全速功能控制器、USB收发器、振荡器、512个字节的E2 PROM和带有调制解调器控制信号的通用异步串行数据传输端口(UART),所有功能都集成在一个5mm×5mm MLP228封装的IC中。

CP210的内部结构和引脚定义分别如图4-3和表2所示。CP210包含一个USB2.0全速功能控制器、USB收发器、振荡器、512个字节的E2PROM、电压调节器和带有调制解调器控制信号的通用异步串行数据传输端口(UART)。CP2101中的USB功能控制器符合全速(12Mbps)USB2.0规范,并且集成了USB收发器和片内相应的上拉电阻。USB功能控制器管理USB和UAR间所有的数据传输以及由USB主控制器发出的命令请求和用于控制UART功能的命令。

图4-3 CP2101内部结构图

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