实用案例：嵌入式采煤工作面安全集中监控系统

主要技术包括：①各信号的周期型采集实现；②模拟信号的滤波等处理；③数字滤波算法的实现；④uC/OS-II操作系统的移植；⑤相关驱动模块的开发；⑥lwip网络协议栈的嵌入；⑦自动闭环控制(PID算法)的实现；⑧JPEG图像压缩算法的实现。

3.2 系统硬件架构与资源配置

3.2.1系统硬件组成分析

系统的硬件总体结构框图如图3.2所示：

根据本次大赛的要求，考虑到本次设计对功能的要求以及其使用环境的特殊性，本次设计选用ATMEL公司的AVR 32 AT32UC3A芯片。这款芯片的指令集为紧凑型单周期RISC指令集，并且集成DSP指令集，具有很强的数据运算处理能力，并兼具高性能、低功耗等特点。完全能够满足本次设计所要求的性能稳定、功耗低等要求。为了充分利用系统的资源和发掘该款芯片的潜能，实现多任务的控制，在其中嵌入了实时性强可靠性高的操作系统uC/OS-II 。

在硬件的整体设计方面，主要分为四个部分，以各种传感器和画面采集器为中心的数据采集模块，以滤波整形电路为主的模拟信号处理模块，以MCU为中心的数字信号(数据)处理模块，和以地面上位机为中心的数据显示存储和处理模块。其中数据采集模块根据信号的不同处理方式又可以分为两类，以各种传感器为中心的信号采集模块和以摄像头为中心的现场画面采集模块。

给系统上电以后，首先运行系统自检程序，确认各个功能模块正常以后，系统进入正常运行模式。通过定时装置和给定的初始参数，系统依次选通各个信号采集模块。各个传感器和画面采集器将采集到得模拟信号经过处理以后进行A/D转换，然后提交给MCU。MCU根据预设计的程序处理各种信号，然后将处理好的信号传送到地面信息监控中心和系统本身自带的控制模块。

这里以瓦斯控制为例，采煤工作面的上隅角往往是瓦斯浓度最高的地方，可以通过在上隅角放置瓦斯浓度传感器，实时的检测那里的瓦斯浓度，从而保证工作环境的正常和采煤区周边环境的安全。系统采集到经过模拟信号处理和A/D转换以后的数据，经过处理以后，将结果发往地面控制中心和系统自带的控制模块。系统自带控制模块根据需要适时自适用的控制通风机的转速，将瓦斯的浓度控制在一个合理的范围，同时系统本身也可以接受地面控制中心发来的控制信息，对通风机的转速进行控制，从而实现系统的监和控。

考虑到实际的需要和处理器本身的处理能力，以及网络数据的传输压力。这里没有采用实时视频传输的方案，转而采用既能满足对进行状况的实时监测又能充分利用系统资源减小功耗的方案：通过采集画面的方式到达实时监控的目的。例如可以在规定的时间内多次采集采煤工作面现场的画面（例如5帧/s），然后将采集到得画面进行图像压缩处理，将处理后的数据上传到位于地面的控制中心，在显示器上显示出采煤工作面的画面，从而实现对井下采煤工作面的监控。

通过将采集处理以后的数据实时的传输到地面控制中心，存储到数据库。科研人员调用数据库中的数据，并对其进行分析，从中总结规律，从而找到更好的更安全的作业方案，进而更好的保护人员的安全和采煤区环境的稳定。

3.2.2板卡选用说明

由于ATMEL公司生产的以AVR（R）32 UC内核为基础的EVK1100平台，其MCU支持３２位精简指令集(RISC)，拥有512K字节闪存， 并拥有一个内置的10/100以太网媒体接入控制器（MAC），有一个SRAM/SDRAM外部总线接口，而它主频最高可达66MHz频率，而且还提供有完整的集成开发环境（IDE）。可以对其直接进行程序的烧写。此外板上还配备了LED矩阵，显示模块和足够多的外联接口等丰富资源。正是由于它具有的这些特点，可以很好的满足本此设计的各个需求。通过在32位AVR MCU上移植优秀的小型uC/OS-II系统，使得整个系统的资源得到更好的使用。

并且通过板上丰富的外接接口，可以与自制的板卡进行连接，进而进一步扩展系统的功能，例如针对各种被检信号的传感器，现场画面采集器、通风电机、井下压力自动报警装置、控制摄像头转动等，都可以通过接口与系统结合在一起。而且该平台自带以太网接口，可以方便的接入网络，实现信息通过网络进行的远距离传输的需要，同时通过一定的保密机制，可以通过任何一台接入网络的电脑实时的访问井下的监控系统，便于远程监控的专家的指导。

3.2.3系统器件使用清单

针对整个设计作品资源的分配，可以参见表3.2中的器件使用清单。

表3.2 器件使用清单