三、方案设计

　　本次设计所涉及到的主要技术包括：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。

　　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。

　　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。

　　根据工作平台的不同，我们可以将软件的设计从总体上分为两部分，第一部分主要是在下位机中嵌入了小型操作系统uC/OS-II的工作平台，第二部分是运行WindowXP操作系统上位机的工台中以在下位机平台上的系统开发为主。

　　在下位机工作平台上，与3.1中硬件系统总体结构相对应的，我们又可以将软件系统细分为四部分。这四部分分别为信号采集模块、信号处理模块、控制模块和网络数据传输模块。在信号采集模块主要完成的功能为信号的选通，即在约定的时间周期内依次处理各个传感器或图像采集器传递过来的数据；信号处理模块也分为两部分：图像信号处理作为单独的一部分；瓦斯浓度信号、顶板压力信号、粉尘浓度信号和井下水位信号的处理方法类似，所以把它整体看作一部分；电机控制模块主要包括通风电机控制模块和摄像头的云台控制模块；在网络传输模块主要完成数据的上下传输，实现远程控制等功能。实现各个功能模块的程序通过uC/OS-II进行统一的调度。通过给底层硬件开发驱动程序，对上层软件屏蔽器件的差距，方便应用层各功能模块程序的实现，和通过操作系统提供的接口对最底层硬件的控制。

　　在上位机工作平台上，借用上位机的显示设备和海量的存储空间，可以在基于微软的操作系统平台WindowsXP上开发出许多优良的软件并实现对从下位机传来的数据的存储。为了更好便于监控中心人员的查看，可以通过图形界面程序的设计增强人机的交互性和可观性。同时除了数据显示、数据存储和传递控制参数以外，还可以通过程序设计，调用存储在数据库中的数据对其进行分析，进一步挖掘潜藏在数据中的信息，从其中总结规律，为以后的安全工作产生工作提供重要数据，进一步提高井下工作的安全性和对周边生态环境的保护。

　　在软件的设计方面，主要分为下位机和上位机两个部分。嵌入式系统(下位机)与通用型计算机系统(上位机)相比具有很多不同点，首先嵌入式系统通常是面向特定用户群而进行设计的，通常具有低功耗、体积小、集成度高等特点，再次嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，同时嵌入式系统本身一般不具备开发能力。因此嵌入式系统和通用计算机系统在软件设计和实现方面存在许多差异。下面我们将分别阐述在下位机和上位机上运行的各主要功能模块的设计流程，其中以下位机的讲解为主。

　　uC/OS-II是有美国嵌入式系统专家Jean.J.Labrosse编写的一款源代码开放的实时嵌入式系统。与其他嵌入式操作系统系统相比，除具有源代码开放的有点外，他的可移植性强、功能相对强大，而且其稳定性与可靠性很高，因此本次设计选用这一款操作系统。

　　系统上电以后先运行自检程序，如果系统的功能模块出现异常，则产生报警信号，为了避免因发出声音警报可能造成的恐慌，本次设计通过EVK1100自带的LED灯阵列来提示异常，工作人员可以通过LED灯阵列显示的不同信号快速的查询到问题的所在点，及时的排除问题。