基于USB接入技術的煤礦安全監控系統傳輸接口設計

　　摘 要： 煤礦安全監控系統是礦井高產出、高效率、安全生產的重要保障。煤礦井下環境惡劣，礦井監控系統必須具有較強抗干擾能力、電器防爆、不采用中繼器、遠距離傳輸數據等高性能指標。本文結合USB接入技術的特點及煤礦監控系統的實際情況，討論了一種新型的煤礦監控系統傳輸接口的設計思路和軟件程序設計方法，較好地實現軟件實時性和通信系統部分硬件通用性等方面的要求。
　　關鍵詞： 煤礦安全監測系統 USB技術 硬件設計 軟件 驅動程序
　　1.引言
　　煤礦安全監控系統應用于煤礦實現對井上、井下的甲烷、一氧化碳、風速、負壓、溫度、煙霧等環境參數進行監測，由計算機進行處理，并可對設備、局部生產環節或過程進行控制，滿足全礦或局部范圍內安全監測監控需要的系統，該系統由數據處理系統、信息傳輸系統、傳感器及其他相關設備組成，可集中快速地對礦井中的環境參數及各種開關量進行連續監測和實時監控，是現代化礦井生產調度、安全監測監控和科學管理不可缺少的技術設備。
　　煤礦安全監控系統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、大屏幕投影儀等設備構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控分站、礦用隔爆兼本安型監控分站、各種模擬量及開關量傳感器、擴展器、斷電器、聲光報警器等構成監測監控網絡。井下設備能及時將各種監測監控信息通過傳輸線上傳給地面中心站，并能依據監測到的信息和中心站下傳的命令做出快速反應［１］。
　　傳輸接口是監控總線網絡系統和中心站主機的橋梁，其作用主要是接收各節點送來的信息，送中心站處理；接收中心站信息，送相應節點；實現井下本質安全型防爆電器設備與地面非本質安全型電氣設備的隔離。傳輸接口在系統中是中心站主機的一個外設，我們采用主機和外設接口的主流技術——USB技術來實現，即它是一個USB設備，須遵守USB協議規范。
　　2.USB系統描述
　　USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它是一種應用在計算機領域的新型接口技術，用于規范電腦與外部設備的連接和通訊。USB接口支持設備的即插即用和熱插拔功能，可以連接多個接口設備，便于攜帶。USB作為計算機結構的一種新的擴展，具有分時復用的特點，多個不同速度的USB外設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，多個外設可以同時工作互不影響。USB技術的這些特點，完全滿足了我們礦井監控系統數據傳輸的各種要求。
　　USB系統用主控制器管理主機與USB設備間的數據傳輸。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系統也負責管理USB資源， USB系統具有三個基本組件：主控制器驅動程序（HCD），可把不同主控制器設備映射到USB系統中。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定義，通用主控制器驅動器（UHCD）處于軟結構的最底層，由它來管理和控制主控制器。系統軟件中的最高層通過UHCD的軟件接口與主控制器通信。USB驅動程序（USBD）在UHCD驅動器之上，它提供驅動器級的接口，滿足現有設備驅動器設計的要求。主機軟件，在某些操作系統中沒有提供USB系統軟件。這些軟件本來是用于向設備驅動程序提供配置信息和裝載結構的。在這些操作系統中，設備驅動程序將應用提供的接口而不是直接訪問USBDI（USB驅動程序接口）結構［２］。
　　3.USB接口的硬件設計
　　煤礦安全監控系統的工作分站主要負責發出控制指令和數據采集，并將采集到的各傳感器數據進行特殊處理后，以數據塊的形式發送給監控系統的中心站主機，并接受控制命令。監控系統主機與主站的接口采用USB接口技術設計可以滿足系統的各種性能指標要求。在系統中，我們將地上中心站主機作為整個USB傳輸系統中的主機，將主站作為USB設備。設備主要考慮采用飛利浦公司的ISP 1581作為USB設備芯片增加外圍電路和接口電路完成，可應用USB技術的傳輸穩定可靠性、易于開發等方面的特點。通過它連接主站中礦井數據采集器，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，完成數據傳輸功能。
　　4.系統主機軟件設計
　　客戶軟件主要通過與USB設備的功能單元進行通信，實現所需功能。客戶軟件和USB設備不能直接訪問， 必須經過USB系統軟件和USB總線接口模塊才能夠實現其與功能單元間的通信。它的設計包括界面應用程序和USB設備驅動程序兩部分［３］。
　　開發煤礦安全監控系統時，主機軟件部分主要包括運行于用戶模式的應用軟件與運行于內核模式部分的USB設備驅動程序兩個部分。設備驅動程序不能直接訪問硬件，需要通過操作系統提供的系統軟件和USB總線接口模塊來對硬件進行控制;用戶應用軟件構架在驅動程序之上，擁有友好的人機交互模式，將監控系統收集的井下各種數據信號以表格或圖形化的方式實時或查詢顯示，并生成系統統計報表。其中應用程序的主要功能有:啟動/關閉 USB 設備，檢測 USB設備，設置 USB 數據傳輸端口，采集數據，顯示/分析數據。
　　5.USB接口驅動程序設計
　　Windows環境下驅動程序共有三類，分別是KMD（Kernel Mode Driver，內核模式驅動程序）、VDD（VirtualDeviceDriver.虛擬設備驅動程序）和WDM （Win32 Driver Mode. Win32驅動程序模型）。其中WDM是一個跨平臺的驅動程序模型，可以在不修改源代碼的情況下經過重新編譯后在非Intel平臺上運行。WDM在NT4.0驅動程序結構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。
　　煤礦安全監控系統中USB接口設備驅動程序包括5個例程:驅動程序入口例程、即插即用例程、分發例程、電源管理例程、卸載例程［4］。參用WDM體系結構完成礦井下的特殊要求。其中設備驅動被分成若干層: 底層驅動程序、中間層驅動程序、高層驅動程序。每層驅動繼續把I/O請求劃分成更簡單的請求后傳給更下層的驅動執行。底層驅動程序收到I/O請求后通過硬件抽象層與硬件發生作用，完成I/O請求工作，其工作模式如如圖2所示。
　　6.結語
　　目前應用USB接入技術的新型煤礦安全監測系統，已經在某煤礦試運行，系統數據顯示，USB傳輸接口完全能夠滿足信號傳輸的要求，使信號的傳輸更加快捷、方便、可靠。
　　
　　參考文獻：
　　［1］張景坤，張仿彥.淺談KJ95N型煤礦安全監控系統的應用［J］.工礦自動化，2009.06.
　　［2］蓋素麗，常青.USB接口的驅動程序開發［J］.河北省科學院學報，2005.02.
　　［3］ 劉偉.基于WDM模型的USB設備驅動程序開發［J］.情報雜志，2006.05.
　　［4］靳方義，王桂花.KJ95安全生產監控系統［J］.煤炭技術，2005.08.