上位机设计方案.docx

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上位机设计方案

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

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UniversalSerialBus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USBHUB时，就可以再连上4个USB设备，以此类推连下去。

4.1.2RS485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200mV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。

4.1.3USB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。

4.2USB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4-1USB与RS485通讯接口结构

4.3USB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4-2USB和RS485通讯接口的电路原理图

4.3.1CP2101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E2PROM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×5mmMLP228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4-3CP2101内部结构图

CP2101支持USB的终止和恢复信号功能，这样便于CP2101器件以及外部电路的电源管理.当在总线上检测到终止信号时，CP2101将进入终止模式。

在进入终止模式时，CP2101会输出SUSPEND和/SUS2PEND信号。

SUSPEND和/SUSPEND在一个CP2101复位后也会输出，直到在USB要求的器件配置完成。

CP2101在下述任何一种情况时退出终止模式：

（1）在USB总线上检测到恢复信号；

（2）在总线上检测到一个USB复位信号；（3）CP2101设备硬件复位。

有一点要注意的是：

SUSPEND和/SUSPEND引脚在CP2101复位期间均为高电平，如果此时对设计的电路有影响，可以在/SUSPEND引脚外接一个10kΩ的下拉电阻。

CP2101的UART接口包括TX（发送）和RX（接收）数据信号以及RTS，CTS，DSR，DTR，DCD和RI控制信号。

UART支持RTS/CTS，DSR/DTR和X2On/X2Off握手协议。

CP2101的UART接口支持多种数据格式和波特率，由在微机上通过软件编程设置，所支持的数据格式和波特率如表1所示。

CP2101包括一个内置的E2PROM。

这个内置的E2PROM可以用于存储自定义的USB设备供应商身份识别（ID），产品代码，产品描述字符串，功率，设备版本号和序列号等数据。

注意对于连接到同一个PC机的多个CP2101的设备，需要惟一的序列号。

CP2101从USB总线的VBUS信号线提取电源。

CP2101片内包括一个实现5V转3V电压调节器。

电压调节器的3V电压从VDD引脚输出，使得外部的设备可以从CP2101上提取电源。

4.3.2　MAX1483功能说明

MAX1483是MAXIM公司生产的低功耗RS422/485与UART转换器件。

其中的A、B引脚接RS422/485总线；DI为UART信号输入引脚；DE为UART转换RS422/485信号允许引脚；RO为RS422/485信号转换UART输出引脚；/RE为RS422/485信号转换UART允许引脚，低电平有效；GND接地；VCC接+5V直流电源。

 4.3.3微机与设备通过USB和RS485的数据通讯

图2设计的USB到RS485的转换接口电路，只能进行主从式数据通讯，由微机作为主机，连接RS485的设备只能作为被动传输数据的从机。

当主机没有发送数据时，CP2101的TxD引脚处于空闲状态，为高电平，经反相后为低电平，此时接收允许信号/RE有效，主机可以接收数据，数据从RO引脚输入到CP2101RxD引脚。

当主机发送信号1时，DE和DI同时为高电平，RS485总线上的数据为信号1；当主机发送信号0时，DE和DI同时为低电平，MAX1483没有输出数据的信号，因而RS485总线上的数据为信号0。

4.4USB和RS485通讯接口软件设计

要使微机通过设计的USB与RS485的转换电路与设备进行通讯，需要在微机上设计通讯软件。

微机上应用程序访问CP2101有两种方式：

一是自行编写USB设备驱动程序,与CP2101通讯；二是通过CYG2NAL公司提供的免费的驱动程序与CP2101通讯。

CYGNAL公司提供的免费的驱动程序把连接在USB总线上的CP2101作为一个虚拟的串口,因此对CP2101的操作就与操作一个串口一样简单。

应用程序访问串口也有很多种方法，可以通过MSCOMM控件或SPCOMM控件，也可以使用Windows操作系统的API来访问。

下面使用微软提供的MSCOMM控件介绍微机与转换器通讯软件的设计。

要使用MSCOMM控件，则首先要安装控件。

如果在微机上安装了MicrosoftVisualBasic，则MSCOMM控件已经自动安装，否则需要手动安装。

在MicrosoftVisualBasic的光盘上找到MSComm32.ocx文件,复制到系统的System32目录下，然后在Windows的“开始”菜单中的运行中键入regsvr32MSComm32.ocx,按“确定”按钮,即完成MSCOMM控件的安装.安装完成后，MSCOMM控件可以在Mi2crosoftVisualC++、MicrosoftVisualBasic、BorlandC++Builder和BorlandDelphi中使用。

MSComm控件有很多重要的属性,但首先必须熟悉几个最常用最重要的属性。

CommPort设置并返回通讯端口号。

Settings以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。

PortOpen设置并返回通讯端口的状态。

也可以打开和关闭端口。

Input从接收缓冲区返回和删除字符。

Output向传输缓冲区写一个字符串。

RThreshold触发串口OnComm事件接收缓冲区字符数的阈值。

当接收缓冲区字符数大于这个阈值时，将触发OnComm事件。

SThreshold触发串口OnComm事件发送缓冲区字符数的阈值。

当发送缓冲区字符数小于这个阈值时，将触发OnComm事件。

在微机上安装了CYGNAL公司为CP2101提供的免费的驱动程序后，转换器接到微机上后将以一个虚拟的串口出现，如COM3。

这样与转换器通讯就和串口通讯的操作相同。

微机与现场仪表的通讯要根据仪表的通讯协议，目前比较流行是MODBUS现场总线协议。

5语音处理模块的设计

5.1主控电路的设计

主控电路也可成为CPU模块，是整个设计的核心。

负责对整个设计中所有数据的处理、存储、设备控制等工作。

主控芯片为意法半导体Cortex-M3系列的STM32F103RBT6。

这款芯片因为采用了ARM公司的高性能“Cortex-M3”内核，所以比较以往的8位单片机在性能上有很大的提升。

内部资源非常丰富，有2个12位模数转换器、7通道DMA控制器、7个定时器、2个I2C接口、3个USART接口等资源，可以满足设计的需要。

系统主控电路如图5-1所示。

图5-1主控电路

5.2语音处理模块的设计

根据对语音构成的分析，应运而生了多种对音频信号的压缩编码算法，如CELP、RELP、VSELP、MP-MLQ、LPC-10、MBE等，它们通过不同的算法，实现对音频信号的压缩。

这些压缩编码算法的压缩率、语音质量各有所长，其中美国DVSI（DigitalVoiceSystemInc）公司提出的先进多带激励AMBE（AdvancedMulti-BandExcitation）压缩编码算法是其中的杰出代表。

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，AMBE-1000是一款高性能多速率语音编码/解码芯片，语音编码解码速率可以在2400～9600bps之间以50bps的间隔变化，即使在2400bps的时候，仍能保持自然的声音质量和语音可懂度。

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[7]。

AMBE1000的原理图如图5-2所示。

图5-2语音处理电路

AMBE1000是DigitalVoiceSystems公司的语音编解码芯片，用来实现双工的语音压缩/解压缩功能，能实现低传输速率下高质量的通话。

它采用先进的AMBE压缩算法，压缩速率最低可达2.4Kb/s。

目前，这种算法以其能实现的低传输速率和高通话质量而在世界范围内得到了广泛应用，甚至用在下一代移动通信系统中[8]。

具体来说，AMBE-1000具有如下独特之处：

低硬件成本和高通话质量；无需外围辅助设备；比特差错和背景噪声良好的鲁棒性；可变传输速率2.4Kb/s～9.6Kb/s；可自动插入舒适噪声；可选的串行和并行接口；自带回声抑制功能；DTMF信号的检测与产生；低功耗。

AMBE-1000最基本的组成部分就是一个编码器和一个解码器，两者相互独立。

编码器接收8KHZ采样的语音数据流（16bit线性，8bitA律，8bitU律）并以一定的速率输出信道数据。

相反，解码器接收信道数据并合成语音数据流。

编码器和解码器接口的时序是完全异步的。

AMBE-1000读写一帧数据所需的时间远小于20ms。

也就是说在20ms时间内，除了读1帧或写1帧数据外，处理器还有大量的时间做其它的事。

这使人们有可能在半双工的低速信道内实现全双工的语音通话。

AMBE-1000采用A/D-D/A芯片作为语音信号的接口。

输入输出的语音数据流的格式必须是相同的（16bit线性的，8bitA律，8bitu律），信道接口采用8位或16位的微控制器。

图5-3语音后处理电路

CSP1027-S是D/A转换芯片，其主要作用如下所述。

芯片可选择的功能包括回声抵消、VAD（语音激活检测）、电源模式、数据/前向纠错速率的选择等，这些功能由外围管脚或输入到解码器的命令帧数来决定，并且送往解码器用于控制的数据和语音数据是不同的。

A/D-D/A芯片的选择对所设计的系统的声音质量起着关键的作用。

由于A律或U律压扩芯片在采样时对数据做了压缩以减少位数，为了声音质量的考虑，建议采用16位线性的芯片。

选择芯片时要特别注意信噪比以及滤波器的频率响应特性。

A/D-D/A的硬件接口是很灵活的，时钟和激励信号可以由外部送入也可以由内部产生给可编程A/D-D/A发送控制字需要一个额外的接口。

信道接口使芯片易于集成到设计的系统中。

基本的信道接口包括串口和并口，它们都能工作于主动模式和被动模式，模式选择的控制信号可以由芯片内部给出也可以从外部送入。

常规操作时，每20ms编码器输出一帧编码过的数据，解码器需接收到这样的数据。

编码器和解码器的数据需要格式化，格式化的主要目的就是为编码数据流提供对齐信息。

数据的格式包括帧格式和非帧格式。

并口模式只工作于帧格式，串口模式既可工作于帧格式也可工作于非帧格式。

帧格式和非帧格式两种格式都是为了实现相同的功能：

为编码数据流提供定位信息。

工作于帧格式时，每20ms由编码器送出一帧数据，该帧数据有固定的结构，其中包含了用于本地控制的状态标志位。

实际上按一定波特率的编码数据才是帧格式中需要在信道间传送的语音数据。

帧格式下，系统需要在传送编码数据的同时传送足够的信息，这些信息用于在解码器端重构语音数据流。

这些信息可以很具体，但至少要满足用于重构的要求。

非帧格式下，编码器的输出数据可以认为是连续的声音数据流，这些编码数据中包含了帧的信息。

这种格