待判断系统各功能模块运行正常以后启动uC/OS-II。uC/OS-II可以大致分成核心、任务管理、时间处理、任务同步与通信和CPU移植等五个部分。在本次设计中,这五个部分都将涉及到。uC/OS-II正常启动以后,开始执行任务调度、任务同步、内存管理和时间管理等功能模块。其中网络通信功能在uC/OS-II中并没有提供,需要自己移植相关网络协议栈。在本次设计中,我们选择在uC/OS-II中移植lwip来实现TCP/IP协议栈。
lwip是瑞典计算机科学院的一个开源的TCP/IP协议栈实现,lwip是一个轻型的IP协议,有无操作系统的支持都可以运行,其对内存的需求并不高,差不多几百字节的RAM和40K左右的ROM就可以运行,这使lwip协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。因此lwip可以很好的满足本次设计的对网络功能的需求。
根据信号的特征和信号处理的方式,这一模块的实现主要可以分为两大部分:第一部分为对传感器传来信号的处理,它们的信号处理流程相似,我们一瓦斯信号的处理流程做例进行详解;第二部分为图像信号处理模块,不同于前面所提到的信号的处理方式,其设计到图像采集和压缩等问题,因此我们将其实现流程单独讲解。
为了将瓦斯浓度维持在一个正常的水平,要求系统能够接受地面控制中心的控制参数对通风电机进行控制,同时为了体现灵活性,要求系统在平时能够自我调控,减少人的工作量。本次设计选用PID控制器实现平时系统的自我调节。系统能够根据瓦斯的浓度自动调节通风电机的转速,同时又能保证在紧急时刻将控制权交给地面控制中心。
PID是比例、积分、微分的缩写,将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,用这一控制量对被控对象进行控制,这样的控制器就称为PID控制器。本次设计之所以选择PID控制器,主要是考虑到PID具有以下优点:技术成熟、易被人们熟悉和掌握、不需要建立数学模型、控制效果好。
比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应。偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,使控制量向减少偏差的方向变化。积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。在控制的过程中,只要有偏差存在,积分环节的输出就会不断增大。直到偏差e(t)=0,输出的u(t)才可能维持在某一常量,是系统在给定值r(t)不变的条件下趋于稳态。微分环节的作用是组织偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势(变化速度)进行控制。偏差变化的越快,微分控制器的输出就越大,并能在偏差值变化之前进行修正。微分作用的引入,将有助于减少超调量,克服震荡,使系统趋于稳定。
嵌入式采煤工作面安全集中监控系统
本程序在采样时刻到达以时,才会打开相关信号通道,在本模块中先采集瓦斯浓度信号,然后程序运行。
为了保证所设计产品的实用性和灵活性,允许其根据实际需要,因使用环境的不同或其它一些因素调节相应的初始参数。在程序的每次运行的开始都要检测是否有修改参数的请求,若有则保存修改后的参数,然后采集经A/D转换后的瓦斯浓度信号。通过数字信号滤波以后,将有用的信号传寄给PID控制单元,并通过网络模块上传到上位机。
数字滤波具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。常用的数字滤波方法有算数平均值滤波、中位值滤波、惯性滤波、加权平均值滤波和限幅滤波。
为了更快更好的网络中的传输图像,需要对采集到的信号进行压缩处理,压缩后的图像在保持不失真的情况下,可以降低网络流量,加快传输速度。
在综合考虑对采集到的图像信号进行处理可以选用的各种算法后,我们最后决定选用JPEG图像压缩算法。通过JPEG图片压缩算法能够将所采集到得图像压缩成可以满足需求的数据格式,而且考虑到JPEG格式是使用最广泛的图片格式,它采用的是特殊的压缩算法,将不易被人眼察觉的图像颜色删除,从而达到较大的压缩比(可达到2:1甚至40:1),有“身材娇小,容貌姣好”的美称,同时其算法在本次有限资源的开发平台中可以得以实现,因此本次设计选用JPEG压缩算法。
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