摘 要： 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是礦井高產(chǎn)出、高效率、安全生產(chǎn)的重要保障。煤礦井下環(huán)境惡劣，礦井監(jiān)控系統(tǒng)必須具有較強抗干擾能力、電器防爆、不采用中繼器、遠距離傳輸數(shù)據(jù)等高性能指標。本文結(jié)合USB接入技術(shù)的特點及煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的實際情況，討論了一種新型的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)傳輸接口的設(shè)計思路和軟件程序設(shè)計方法，較好地實現(xiàn)軟件實時性和通信系統(tǒng)部分硬件通用性等方面的要求。
　　關(guān)鍵詞： 煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng) USB技術(shù) 硬件設(shè)計 軟件 驅(qū)動程序
　　1.引言
　　煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦實現(xiàn)對井上、井下的甲烷、一氧化碳、風(fēng)速、負壓、溫度、煙霧等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，由計算機進行處理，并可對設(shè)備、局部生產(chǎn)環(huán)節(jié)或過程進行控制，滿足全礦或局部范圍內(nèi)安全監(jiān)測監(jiān)控需要的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、傳感器及其他相關(guān)設(shè)備組成，可集中快速地對礦井中的環(huán)境參數(shù)及各種開關(guān)量進行連續(xù)監(jiān)測和實時監(jiān)控，是現(xiàn)代化礦井生產(chǎn)調(diào)度、安全監(jiān)測監(jiān)控和科學(xué)管理不可缺少的技術(shù)設(shè)備。
　　煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)分地面和井下兩部分，其組成如圖1所示。地面部分由PC微機配用通訊傳輸接口及專用監(jiān)控軟件組成，外配中英文打印機、遠程終端、大屏幕投影儀等設(shè)備構(gòu)成功能強大的信息處理中心。井下部分主要由礦用本安型監(jiān)控分站、礦用隔爆兼本安型監(jiān)控分站、各種模擬量及開關(guān)量傳感器、擴展器、斷電器、聲光報警器等構(gòu)成監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。井下設(shè)備能及時將各種監(jiān)測監(jiān)控信息通過傳輸線上傳給地面中心站，并能依據(jù)監(jiān)測到的信息和中心站下傳的命令做出快速反應(yīng)［１］。
　　傳輸接口是監(jiān)控總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和中心站主機的橋梁，其作用主要是接收各節(jié)點送來的信息，送中心站處理；接收中心站信息，送相應(yīng)節(jié)點；實現(xiàn)井下本質(zhì)安全型防爆電器設(shè)備與地面非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的隔離。傳輸接口在系統(tǒng)中是中心站主機的一個外設(shè)，我們采用主機和外設(shè)接口的主流技術(shù)——USB技術(shù)來實現(xiàn)，即它是一個USB設(shè)備，須遵守USB協(xié)議規(guī)范。
　　2.USB系統(tǒng)描述
　　USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它是一種應(yīng)用在計算機領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能，可以連接多個接口設(shè)備，便于攜帶。USB作為計算機結(jié)構(gòu)的一種新的擴展，具有分時復(fù)用的特點，多個不同速度的USB外設(shè)可以通過集線器同時連接到同一臺主機的同一USB接口上，在總線帶寬允許的情況下，多個外設(shè)可以同時工作互不影響。USB技術(shù)的這些特點，完全滿足了我們礦井監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N要求。
　　USB系統(tǒng)用主控制器管理主機與USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。它與主控制器間的接口依賴于主控制器的硬件定義。同時，USB系統(tǒng)也負責(zé)管理USB資源， USB系統(tǒng)具有三個基本組件：主控制器驅(qū)動程序（HCD），可把不同主控制器設(shè)備映射到USB系統(tǒng)中。HCD與USB之間的接口叫HCDI，特定的HCDI由支持不同主控制器的操作系統(tǒng)定義，通用主控制器驅(qū)動器（UHCD）處于軟結(jié)構(gòu)的最底層，由它來管理和控制主控制器。系統(tǒng)軟件中的最高層通過UHCD的軟件接口與主控制器通信。USB驅(qū)動程序（USBD）在UHCD驅(qū)動器之上，它提供驅(qū)動器級的接口，滿足現(xiàn)有設(shè)備驅(qū)動器設(shè)計的要求。主機軟件，在某些操作系統(tǒng)中沒有提供USB系統(tǒng)軟件。這些軟件本來是用于向設(shè)備驅(qū)動程序提供配置信息和裝載結(jié)構(gòu)的。在這些操作系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動程序?qū)?yīng)用提供的接口而不是直接訪問USBDI（USB驅(qū)動程序接口）結(jié)構(gòu)［２］。
　　3.USB接口的硬件設(shè)計
　　煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的工作分站主要負責(zé)發(fā)出控制指令和數(shù)據(jù)采集，并將采集到的各傳感器數(shù)據(jù)進行特殊處理后，以數(shù)據(jù)塊的形式發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)的中心站主機，并接受控制命令。監(jiān)控系統(tǒng)主機與主站的接口采用USB接口技術(shù)設(shè)計可以滿足系統(tǒng)的各種性能指標要求。在系統(tǒng)中，我們將地上中心站主機作為整個USB傳輸系統(tǒng)中的主機，將主站作為USB設(shè)備。設(shè)備主要考慮采用飛利浦公司的ISP 1581作為USB設(shè)備芯片增加外圍電路和接口電路完成，可應(yīng)用USB技術(shù)的傳輸穩(wěn)定可靠性、易于開發(fā)等方面的特點。通過它連接主站中礦井數(shù)據(jù)采集器，把采集的信號傳輸至主機，它作為主站與主機連接的一個橋梁，完成數(shù)據(jù)傳輸功能。
　　4.系統(tǒng)主機軟件設(shè)計
　　客戶軟件主要通過與USB設(shè)備的功能單元進行通信，實現(xiàn)所需功能?？蛻糗浖蚒SB設(shè)備不能直接訪問， 必須經(jīng)過USB系統(tǒng)軟件和USB總線接口模塊才能夠?qū)崿F(xiàn)其與功能單元間的通信。它的設(shè)計包括界面應(yīng)用程序和USB設(shè)備驅(qū)動程序兩部分［３］。
　　開發(fā)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)時，主機軟件部分主要包括運行于用戶模式的應(yīng)用軟件與運行于內(nèi)核模式部分的USB設(shè)備驅(qū)動程序兩個部分。設(shè)備驅(qū)動程序不能直接訪問硬件，需要通過操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)軟件和USB總線接口模塊來對硬件進行控制;用戶應(yīng)用軟件構(gòu)架在驅(qū)動程序之上，擁有友好的人機交互模式，將監(jiān)控系統(tǒng)收集的井下各種數(shù)據(jù)信號以表格或圖形化的方式實時或查詢顯示，并生成系統(tǒng)統(tǒng)計報表。其中應(yīng)用程序的主要功能有:啟動/關(guān)閉 USB 設(shè)備，檢測 USB設(shè)備，設(shè)置 USB 數(shù)據(jù)傳輸端口，采集數(shù)據(jù)，顯示/分析數(shù)據(jù)。
　　5.USB接口驅(qū)動程序設(shè)計
　　Windows環(huán)境下驅(qū)動程序共有三類，分別是KMD（Kernel Mode Driver，內(nèi)核模式驅(qū)動程序）、VDD（VirtualDeviceDriver.虛擬設(shè)備驅(qū)動程序）和WDM （Win32 Driver Mode. Win32驅(qū)動程序模型）。其中WDM是一個跨平臺的驅(qū)動程序模型，可以在不修改源代碼的情況下經(jīng)過重新編譯后在非Intel平臺上運行。WDM在NT4.0驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)上增加了對高級電源管理（PowerManagement）、即插即用（PnP），Windows管理接口（WMI）的支持。
　　煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中USB接口設(shè)備驅(qū)動程序包括5個例程:驅(qū)動程序入口例程、即插即用例程、分發(fā)例程、電源管理例程、卸載例程［4］。參用WDM體系結(jié)構(gòu)完成礦井下的特殊要求。其中設(shè)備驅(qū)動被分成若干層: 底層驅(qū)動程序、中間層驅(qū)動程序、高層驅(qū)動程序。每層驅(qū)動繼續(xù)把I/O請求劃分成更簡單的請求后傳給更下層的驅(qū)動執(zhí)行。底層驅(qū)動程序收到I/O請求后通過硬件抽象層與硬件發(fā)生作用，完成I/O請求工作，其工作模式如如圖2所示。
　　6.結(jié)語
　　目前應(yīng)用USB接入技術(shù)的新型煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，已經(jīng)在某煤礦試運行，系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，USB傳輸接口完全能夠滿足信號傳輸?shù)囊?，使信號的傳輸更加快捷、方便、可靠?br/>　　
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