基于LabVIEW的矿压监测系统设计

杜静静，张福平，张新良

(河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作　454003)

0　引言

目前国内大部分煤矿回采工作面采用自移式液压支架，它以高压液体为动力，由金属构件和若干液压元件组成，使支架的支撑、切顶、移架和输送机推移等工序全部实现了机械化，工作面的支护质量可以通过液压支架的活动状况反映出来，因此可以把液压支架随煤炭开采中的压力变化作为矿压观测的主要内容，通过对工作面进行长期的矿压观测，分析矿压显现规律，为综采支架支撑的工作阻力和顶板压力情况提供可靠数据，预测顶板灾害，预防事故发生[1]。现在比较先进的矿压监测系统主要由压力分机、采集器、适配器以及计算机4部分组成，将煤矿井下压力等数据采集后，通过电缆或电话线等方式传送到井上，利用计算机对这些数据进行分析处理[2]。这类系统需要以计算机网络为主体，兼容井下通讯电缆、光缆专线、等数据传输模式。近年来，采用无线技术的顶板压力监控系统正逐渐兴起[3]，这种系统一定程度上解决了有线方式布线繁琐的问题，但是仍然存在结构复杂、稳定性低、易受外部环境干扰、成本高等不足。

针对当前各种监控系统存在的各种问题，文中提出了一种新型的煤矿顶板压力监测系统设计方案，如图1所示。该系统由顶板压力检测装置、智能手持采集仪和上位机监控系统3部分构成。压力检测装置定时采集压力数据并通过无线红外通讯将数据传输给智能手持采集仪，智能手持采集仪将压力数据串口通讯传输给上位机监控系统。上位机监控系统利用LabVIEW数据采集分析软件设计[4]，利用其强大的信号处理能力和多任务并行处理机制，完成对矿压数据的采集、滤波、分析，生成矿压观测报告。

图1　矿压监测系统整体结构图

1　矿压监测系统设计

从降低系统的功耗和成本，提高采集数据的精确度和优化数据通讯方式的思想出发，分别对矿压检测设备、智能手持采集仪和上位机监测系统的软硬件系统进行设计。

压力检测设备采用模块化设计思想：

(1)使用薄膜应变片作为敏感元件，组成惠斯登测量电桥，将压力变化转换为与之相对应的电压值，经A/D模数转换器转化为数字信息，定时存入铁电存储器。

(2)光敏触发数码管实时显示矿压值，对上下限进行报警。

(3)与智能手持采集仪进行红外通讯，完成对各测量点矿压检测设备进行编号、实时时钟校准和数据传输。其硬件结构如图2所示。

图2　矿压检测设备硬件结构

智能手持采集仪主要完成：

(1)通过红外无线通讯方式读取矿压检测设备的压力数据，并通过串口通讯将数据传输到上位机监控系统中进行处理；

(2)通过按键操作对矿压检测设备进行控制，包括设备编号、时钟校准、存储器操作、定时器、上下限参数的设定等；

(3)通过移植图形支持系统ucGUI设计人机交互界面，进行实时数据的分析和图形显示。其硬件结构如图3所示。

图3　手持采集仪硬件结构

上位机监控系统采用图形化编程软件LabVIEW开发智能虚拟仪表，利用其多任务并行处理机制完成与手持采集仪的串口通讯，矿压数据的分析和图形化显示等。

2　基于状态机的通讯机制及其编程实现

2．1基于状态机的通讯机制

仪器间的相互数据通讯通常有2种实现方式。一种是被动接收类型的通讯方式，发送方以一定的数据帧结构广播数据，接收方始终处于被动地位，按照约定的数据帧结构接收并解释数据。另一种是基于仪器控制的通讯，发送方首先发送仪器请求指令，接收方返回约定应答，在一问一答的“握手”成功条件下，完成仪器间的通信，工作过程中，发送方始终占主动地位。

如上所述，所设计的矿压监测系统中，压力检测设备与手持采集仪、手持采集仪与上位机监控系统的数据通讯都涉及到多个任务的并行操作，因此被动接收类型的通讯方式无法胜任。对于仪器控制的通讯过程，如果在编程中使用传统的顺序执行结构，由于微处理器(CPU)本身的结构特点与执行软件指令的工作方式决定了任何CPU都不可能获得圆满的容错保障，因此在通讯的过程中CPU仅仅通过复位方法从非法运行方式中恢复出来将显得十分困难，进而会造成无限制等待(卡死)问题，为此，文中提出使用状态机[5]的设计思想，即将每个仪器完成的功能视为由一系列的状态及状态下的进程构成，程序由“初始化”状态开始，由“停止”状态结束。每一个状态都可能导致一个或多个状态的发生，其下一状态是由当前输入信息和当前状态所决定，从而保证操作时序的正确性。以手持采集仪与上位机监控系统串口通讯为例，其通讯过程如图4所示，描述如下。

图4　手持采集仪与上位机串口通讯

图5　上位机数据通讯状态机

上位机监控系统端状态转换如图5所示，初始状态0：发送请求仪器信号；主机确认状态1：接收仪器应答并判断，若成功，跳转至下一状态，否则跳转至初始状态；主机命令帧状态2：主机发送操作命令，操作从机或请求从机的数据；接收数据状态3：按约定格式接收手持采集仪发送的数据并处理，接收数据超时返回初始状态0，否则数据接收完毕后，进入状态4，发送确认帧给手持采集仪。

手持采集仪端状态转换如图6所示，初始状态0：接收主机请求信号并解释，若正确，进入下一状态，否则跳转至初始状态；仪器应答状态1：发送仪器应答信号给上位机；命令帧解释状态2：接收命令帧并解释，若为请求数据命令，进入状态3；若为控制命令，进入状态5；否则，命令帧错误返回初始状态；发送数据状态3：按约定数据帧格式发送数据帧给上位机，等待上位机确认；数据发送确认状态4：接收上位机发送的数据接收完毕确认信号后，返回初始状态；控制命令状态5：解释控制命令，执行手持采集仪参数设置。

图6　手持采集仪数据通讯状态机

2．2状态机数据通讯的程序实现

2．2．1手持采集仪下位机状态机

根据手持采集仪的设计功能，在其串口中断处理函数中完成状态机的设计(switch语句)，手持采集仪选用STC89C52R单片机，它采用全双工的串行异步传输方式，接收器是双缓冲结构，读写缓冲器SBUF便可完成数据的接收和发送。与串口通讯相关的控制寄存器是SCON，设置其为波特率可变、10位异步收发器，同时利用发送中断标志位TI检测数据是否发送完毕，接收中断标志位RI检测数据是否接收完毕[6]，其主要程序如表1所示。

表1　手持采集仪串口中断函数

2．2．2上位机状态机

上位机的设计软件目前主要有Visual C++、Visual Basic、National Instruments LabVIEW和组态软件等，对于状态机的设计，如果使用顺序编程模式，在实现时往往需要很多限制条件，但在LabVIEW中，可以使用while结构、移位寄存器和条件选择结构来完成状态机的设计，如图7所示。其中，“串口通讯状态机”枚举常量设置为严格自定义类型，项名分别为“请求仪器”、“主机确认”、“主机命令帧、“接收数据”和“发送确认”，分别对应图5所示的上位机串口通讯的5种状态。

图7　LabVIEW上位机串口通讯状态机设计

条件选择结构中，根据当前状态所描述的条件分支，完成相应的串口通讯操作，并根据当前状态和输入信息，决定“串口通讯状态机”枚举常量的下一个状态值，实现状态机的更新。

移位寄存器(在while结构上右键添加)，初始化为请求仪器状态，其采用的是先入先出的结构，在循环的过程中保存前一次的运行结果，即串口通讯过程的下一个状态。

3　上位机监控系统设计

矿压监测系统上位机操作界面如图8所示。主要完成串口通讯参数设置、数据采集和显示、数据保存、手持采集仪参数设置等。“采集按钮”和“手持采集仪参数”按钮的机械动作设置为“单击时转换”。

图8　矿压监测系统上位机界面示意图

在其程序框图中，基于串口通讯状态机的设计思路如图7所示，利用“采集按钮”和“手持采集仪参数”按钮的值决定是否进行串口通讯、执行“控制模式”或“接收模式”的串口通讯，如图9所示。

图9　LabVIEW串口通讯状态机程序框图

LabVIEW中串口通讯使用的vi函数位于程序框图/函数选板/仪器IO自选板下，按照配置串口、打开串口、串口通讯及关闭串口4个步骤完成操作，可参考书籍[7]，在此不再赘述。

4　结束语

针对目前煤矿顶板压力监测的不足，文中从硬件和软件两个方面给出了一种新型的煤矿顶板压力监测系统设计方案，硬件方面主要考虑了系统的高精度、低成本、低功耗、简便性，并给出了详细的设计过程。软件方面，为了保证数据的准确传输，提出了一种基于仪器控制的串口通讯方法，并给出了相应的关键实现程序。试验证明，该系统与传统的人工监测技术相比，具有检测精度高、稳定性好、高分辨率、多通道信号传输，节省人力和时间等优点，解决了井下布线困难的问题。所提出的矿压监测系统设计方案和通讯方法对其他具有类似功能要求的自动抄表系统的设计具有重要的参考价值。

参考文献：

[1]原国政．矿压监测在顶板安全管理中的应用，煤炭工程，2006，(12)：54-55．

[2]刘日成，李金海，徐春超．矿用液压支架压力监测系统在综采工作面的应用．煤矿安全，2012，43 (6)：67-68．

[3]侯波，宋建成，郑丽君，张斌．矿井顶板状态监测系统的研究．仪表技术与传感器，2009(1)：53-55．

[4]陈锡辉，张银鸿．LabVIEW 8．20程序设计从入门到精通．北京：清华大学出版社，2007．

[5]闻东海，杨峰，梁波．基于状态机的虚拟仪器自动检测系统设计．通信技术．2008，41(8)：46-47．

[6]郭天祥．新概念51单片机C语言教程．北京：电子工业出版社，2009．

[7]陈树学，刘萱．LabVIEW宝典．北京：电子工业出版社，2011．