梁志勇，戴胜华

(北京交通大学 电 子信息工程学院，北京 1 00044)

本文以基于ARM的嵌入式系统设计技术为背景，设计了一个基于C/S结构的煤矿监测控制系统。该监控系统通过对煤矿矿井的井下温度、危险气体浓度等参数进行检测，从而保证生产的安全进行。由于这些环境监测参数在隧道、地铁等地施工中也会出现，因此，该系统对铁路地下工程建设也有一定的借鉴意义。

1 系统结构及外围硬件

1.1 系统结构

C/S（Client/Server，客户机/服务器）模式又称C/S结构，是20世纪80年代末逐步成长起来的一种模式，是软件系统体系结构的一种。C/S结构的关键在于功能的分布，一些功能放在前端机（即客户机）上执行，另一些功能放在后端机（即服务器）上执行。功能的分布在于减少计算机系统的各种瓶颈问题，该结构的优点是能充分发挥客户端PC的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器[1]。

本系统采用C/S模型，客户机即煤矿井下监控分站（简称分站）采用LM3S8962为控制芯片，负责采集和处理井下环境信息，并通过以太网实时与地面主站通信。服务器即井上中心站，采用PC机，主要完成环境的监控以及远程操作等功能，可实时读取分站状态，从而对整个系统进行有效管理。系统结构如图1。

1.2 外围硬件

在硬件方面，严格按照《煤矿安全监控系统通用技术要求》完成监控系统的总体硬件设计，系统中所有电路以及电源等设备均为本质安全型，供电采用KDW12型稳压电源，这款电源箱主要应用于煤矿井下含有爆炸性气体的环境中，配有备用电源箱。

井下分站微处理器选用基于ARM公司Cortex-M3系列处理器架构生产的LM3S8962，该处理器有丰富的存储器和外设资源都为系统的功能实现和扩展奠定了基础，它能够很好地满足煤矿监测控制系统的要求。监测分站由通讯控制板、接线板、显示板组成。通讯控制电路板是分站的核心部分，需要自行设计，由MCU、断电器、电源模块以及以太网通讯模块等组成。分站可接多路模拟量传感器，采用CAN总线通信，分站与PC机采用以太网进行通信。

图1 井下分站系统结构图

图2 分站程序流程图

2 程序设计

2.1 分站程序设计

由于分站数据采集和处理的实时性、多任务的要求，系统采用RT-Thread嵌入式操作系统来完成多任务的调度和维护。RT-Thread嵌入式操作系统具有灵活的内存管理方式，可嵌套的中断支持等特征，易于开发相关的应用程序。

2.1.1 RT-Thread下的多任务结构

本系统在RT-Thread上运行3个任务：读取采集数据、通过以太网发送数据、接收和执行井上中心站的控制命令。读取采集数据任务通过CAN通信中断进入中断程序来执行，RT-Thread系统提供可嵌套的中断支持，从而使采集任务的实时性得到保证。数据发送任务负责与井上中心站的双向通信，通过TCP/IP协议传送传感器数据。接收和执行任务通过接收井上中心站的命令信号，对相应的继电器进行控制。分站程序流程如图2。

2.1.2 网络通信

通过移植LwIP协议栈，使RT-Thread系统具备网络通信功能。LwIP是一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。LwIP的主要目的是减少存储器利用量和代码尺寸，使LwIP适合应用于小的、资源有限的嵌入式系统。由于TCP/IP的处理与其他运算并行处理会降低通讯的性能，所以我们把应用程序分解为2个部分：（1）专注于处理通信；（2）做其他的运算。通讯协商的部分将包含在TCP/IP线程中，而大部分的数据运算在另一个线程中处理。分站TCP通信程序要完成的任务包括：将采集的温度、压力、瓦斯等模拟量信息和井下设备的开/停状态传送到井上中心站；接收中心站传来的控制命令，通过CPU的I/O口接电平驱动电路驱动断电器，实现吸合或断开，从而实现对井下大型用电设备的开停控制。

2.2 上位机界面设计

上位机界面采用VC++的MFC单文档界面进行编程[2]，实现与井下分站通信，显示传感器数据，控制断电器、显示断电器开关状态等功能。其中TCP/IP通信部分采用WIN32的API函数中的Socket套接字进行编程，以此来实现以太网通信。为了保证通信的可靠性，采用协议族中的TCP作为通信协议。因此套接字使用流式套接字Stream Socket（类型标识符为SOCK_STREAM）。流式套接字提供了一种可靠的面向连接的数据传输方法，不管是对单个的数据还是对数据包，流式套接字都是提供一种流式传输，能保证数据无重复地到达目的地[3]。上位机界面软件中TCP通信部分的程序流程如图3。

图3 TCP通信程序流程

3 结束语

本文介绍结合嵌入式系统技术设计的基于Cortex-M3的煤矿监测控制系统方案，已经基本实现了数据采集、控制断电器以及地面中心机与分站的通信功能，并以基于嵌入式的TCP/IP协议栈进行网络通信，可为系统提供良好的兼容性，利于消除不同监测监控平台间的协议壁垒，对以后研究和开发速度快、性价比高、安全性高的监测系统有很高的参考价值。

本系统使用标准的TCP/IP协议，易于实现系统的移植和改造，可广泛应用于隧道和地下等大型工程建设中。

[1] 黄 刚，赵 校. B/S和C/S模式在MIS中的比较[J]. 铁路计算机应用，2004，13（4）：50-51.

[2] 徐红勤. MFC应用程序对象的通信方法[J]. 数据通信，2004（4）：51-52.

[3] 何 进，谢松巍. 基于Socket的TCP/IP网络通讯模式研究[J]. 计算机应用研究，2001，18（8）.