基于USB接入技术的煤矿安全监控系统传输接口设计

【前言】基于USB接入技术的煤矿安全监控系统传输接口设计由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。传输接口是监控总线网络系统和中心站主机的桥梁，其作用主要是接收各节点送来的信息，送中心站处理；接收中心站信息，送相应节点；实现井下本质安全型防爆电器设备与地面非本质安全型电气设备的隔离。传输接口在系统中是中心站主机的一个外设，我们采用主机和外设接口...

摘 要： 煤矿安全监控系统是矿井高产出、高效率、安全生产的重要保障。煤矿井下环境恶劣，矿井监控系统必须具有较强抗干扰能力、电器防爆、不采用中继器、远距离传输数据等高性能指标。本文结合USB接入技术的特点及煤矿监控系统的实际情况，讨论了一种新型的煤矿监控系统传输接口的设计思路和软件程序设计方法，较好地实现软件实时性和通信系统部分硬件通用性等方面的要求。

关键词： 煤矿安全监测系统 USB技术 硬件设计 软件 驱动程序

1.引言

煤矿安全监控系统应用于煤矿实现对井上、井下的甲烷、一氧化碳、风速、负压、温度、烟雾等环境参数进行监测，由计算机进行处理，并可对设备、局部生产环节或过程进行控制，满足全矿或局部范围内安全监测监控需要的系统，该系统由数据处理系统、信息传输系统、传感器及其他相关设备组成，可集中快速地对矿井中的环境参数及各种开关量进行连续监测和实时监控，是现代化矿井生产调度、安全监测监控和科学管理不可缺少的技术设备。

煤矿安全监控系统分地面和井下两部分，其组成如图1所示。地面部分由PC微机配用通讯传输接口及专用监控软件组成，外配中英文打印机、远程终端、大屏幕投影仪等设备构成功能强大的信息处理中心。井下部分主要由矿用本安型监控分站、矿用隔爆兼本安型监控分站、各种模拟量及开关量传感器、扩展器、断电器、声光报警器等构成监测监控网络。井下设备能及时将各种监测监控信息通过传输线上传给地面中心站，并能依据监测到的信息和中心站下传的命令做出快速反应［１］。

传输接口是监控总线网络系统和中心站主机的桥梁，其作用主要是接收各节点送来的信息，送中心站处理；接收中心站信息，送相应节点；实现井下本质安全型防爆电器设备与地面非本质安全型电气设备的隔离。传输接口在系统中是中心站主机的一个外设，我们采用主机和外设接口的主流技术――USB技术来实现，即它是一个USB设备，须遵守USB协议规范。

2.USB系统描述

USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种应用在计算机领域的新型接口技术，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能，可以连接多个接口设备，便于携带。USB作为计算机结构的一种新的扩展，具有分时复用的特点，多个不同速度的USB外设可以通过集线器同时连接到同一台主机的同一USB接口上，在总线带宽允许的情况下，多个外设可以同时工作互不影响。USB技术的这些特点，完全满足了我们矿井监控系统数据传输的各种要求。

USB系统用主控制器管理主机与USB设备间的数据传输。它与主控制器间的接口依赖于主控制器的硬件定义。同时，USB系统也负责管理USB资源， USB系统具有三个基本组件：主控制器驱动程序（HCD），可把不同主控制器设备映射到USB系统中。HCD与USB之间的接口叫HCDI，特定的HCDI由支持不同主控制器的操作系统定义，通用主控制器驱动器（UHCD）处于软结构的最底层，由它来管理和控制主控制器。系统软件中的最高层通过UHCD的软件接口与主控制器通信。USB驱动程序（USBD）在UHCD驱动器之上，它提供驱动器级的接口，满足现有设备驱动器设计的要求。主机软件，在某些操作系统中没有提供USB系统软件。这些软件本来是用于向设备驱动程序提供配置信息和装载结构的。在这些操作系统中，设备驱动程序将应用提供的接口而不是直接访问USBDI（USB驱动程序接口）结构［２］。

3.USB接口的硬件设计

煤矿安全监控系统的工作分站主要负责发出控制指令和数据采集，并将采集到的各传感器数据进行特殊处理后，以数据块的形式发送给监控系统的中心站主机，并接受控制命令。监控系统主机与主站的接口采用USB接口技术设计可以满足系统的各种性能指标要求。在系统中，我们将地上中心站主机作为整个USB传输系统中的主机，将主站作为USB设备。设备主要考虑采用飞利浦公司的ISP 1581作为USB设备芯片增加电路和接口电路完成，可应用USB技术的传输稳定可靠性、易于开发等方面的特点。通过它连接主站中矿井数据采集器，把采集的信号传输至主机，它作为主站与主机连接的一个桥梁，完成数据传输功能。

4.系统主机软件设计

客户软件主要通过与USB设备的功能单元进行通信，实现所需功能。客户软件和USB设备不能直接访问， 必须经过USB系统软件和USB总线接口模块才能够实现其与功能单元间的通信。它的设计包括界面应用程序和USB设备驱动程序两部分［３］。

开发煤矿安全监控系统时，主机软件部分主要包括运行于用户模式的应用软件与运行于内核模式部分的USB设备驱动程序两个部分。设备驱动程序不能直接访问硬件，需要通过操作系统提供的系统软件和USB总线接口模块来对硬件进行控制;用户应用软件构架在驱动程序之上，拥有友好的人机交互模式，将监控系统收集的井下各种数据信号以表格或图形化的方式实时或查询显示，并生成系统统计报表。其中应用程序的主要功能有:启动/关闭 USB 设备，检测 USB设备，设置 USB 数据传输端口，采集数据，显示/分析数据。

5.USB接口驱动程序设计

Windows环境下驱动程序共有三类，分别是KMD（Kernel Mode Driver，内核模式驱动程序）、VDD（VirtualDeviceDriver.虚拟设备驱动程序）和WDM （Win32 Driver Mode. Win32驱动程序模型）。其中WDM是一个跨平台的驱动程序模型，可以在不修改源代码的情况下经过重新编译后在非Intel平台上运行。WDM在NT4.0驱动程序结构上增加了对高级电源管理（PowerManagement）、即插即用（PnP），Windows管理接口（WMI）的支持。

煤矿安全监控系统中USB接口设备驱动程序包括5个例程:驱动程序入口例程、即插即用例程、分发例程、电源管理例程、卸载例程［4］。参用WDM体系结构完成矿井下的特殊要求。其中设备驱动被分成若干层: 底层驱动程序、中间层驱动程序、高层驱动程序。每层驱动继续把I/O请求划分成更简单的请求后传给更下层的驱动执行。底层驱动程序收到I/O请求后通过硬件抽象层与硬件发生作用，完成I/O请求工作，其工作模式如如图2所示。

6.结语

目前应用USB接入技术的新型煤矿安全监测系统，已经在某煤矿试运行，系统数据显示，USB传输接口完全能够满足信号传输的要求，使信号的传输更加快捷、方便、可靠。

参考文献：

［1］张景坤，张仿彦.浅谈KJ95N型煤矿安全监控系统的应用［J］.工矿自动化，2009.06.

［2］盖素丽，常青.USB接口的驱动程序开发［J］.河北省科学院学报，2005.02.

［3］ 刘伟.基于WDM模型的usb设备驱动程序开发［J］.情报杂志，2006.05.

［4］靳方义，王桂花.KJ95安全生产监控系统［J］.煤炭技术，2005.08.

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