基于FPGA的多路矿用气体传感器调校系统

发布时间：2017-10-20 08:16

  本文关键词：基于FPGA的多路矿用气体传感器调校系统

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【摘要】：在煤矿安全生产过程中,矿用气体传感器起着至关重要的作用,它可以实时监测矿井下的各种有毒有害气体,所以它的可靠性和灵敏度是非常重要的。国家安全生产监督管理总局对矿用气体传感器的定期调校作了完善的规定。利用矿用气体传感器调校系统可以有效地完成矿用气体传感器的显示值、响应时间和报警功能的调校,确保煤矿的安全生产。 由于矿用气体传感器的大量使用,大中型煤矿生产过程中需要调校的传感器数量非常大,而目前的调校系统最多只能对4-8台传感器进行同时调校,有时在一个周期内根本无法完成对传感器的调校,成为制约煤炭生产的主要瓶颈。针对上述问题,本文设计了一种基于FPGA的多路矿用气体传感器调校系统,该系统以C8051F020单片机和FPGA协同工作作为核心控制器件,通过与工控机的通信实现同时对64台矿用气体传感器的自动调校。该系统分为工控机、气路控制、信号采集和红外调校四个模块,其中工控机模块负责调校指令的发送、数据的采集处理和调校过程的监控；气路控制模块负责对标准气体进气气路的切换、通入标准气体流量的控制和64路气体传感器气路的控制；信号采集模块负责采集64路气体传感器的输出信号作为调校的依据；红外调校模块负责对64路矿用气体传感器发送红外调校信号实现调校任务。 针对在对64路矿用气体传感器同时调校时,由于单片机I/0口和其他片上资源的限制,难以实现同时对64路矿用气体传感器调校的问题,应用FPGA对单片机进行扩展,由FPGA负责对64路气体传感器气路的控制、64路气体传感器的输出信号的采集以及64路矿用气体传感器红外调校信号的发送,保证了多路矿用气体传感器调校系统调校任务的完成。 对多路矿用气体传感器调校系统进行了实验调试,调试结果表明：该系统能有效完成同时对64台矿用气体传感器的调校任务,具有精度高、效率高、稳定性好的特点；更重要的是,在对大批量矿用气体传感器进行调校时,该系统调校速度快,调校时间短,保证了大中型煤矿大批量矿用气体传感器调校任务的完成,确保煤矿的正常生产。而且本系统利用单片机和FPGA协同工作,充分利用单片机工作稳定、控制能力强的优势和FPGA速度快、设计灵活的优势,具有很强的实用性和可扩展性。
【关键词】：FPGA 单片机 多路气体传感器 智能调校系统
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD71;TN791
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 课题研究的背景和意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.3 论文完成的工作13-15
• 第二章 多路矿用气体传感器调校系统原理及设计方案15-29
• 2.1 矿用气体传感器15-17
• 2.1.1 气体传感器的分类15-16
• 2.1.2 智能传感器工作原理16-17
• 2.2 矿用气体传感器调校原理17-18
• 2.3 多路矿用气体传感器调校系统方案设计18-29
• 2.3.1 系统难点18-20
• 2.3.2 整体方案设计20
• 2.3.3 工控机模块20-22
• 2.3.4 气路控制模块22
• 2.3.5 红外调校模块22-27
• 2.3.6 数据采集模块27-29
• 第三章 多路矿用气体传感器调校系统的核心器件29-45
• 3.1 FPGA芯片29-34
• 3.1.1 FPGA的开发流程29-31
• 3.1.2 选择FPGA的方法31-32
• 3.1.3 硬件描述语言的选择32-33
• 3.1.4 开发工具的选择33-34
• 3.2 FPGA最小系统设计34-39
• 3.2.1 电源35-36
• 3.2.2 下载方式36-38
• 3.2.3 配置FLASH芯片38-39
• 3.2.4 复位电路39
• 3.3 MCU芯片39-41
• 3.3.1 单片机型号选择39-40
• 3.3.2 软件开发环境Sil icon Laboratories IDE40-41
• 3.4 C8051F020最小系统设计41-45
• 3.4.2 串行通信接口设计41-42
• 3.4.3 JTAG接口设计42-43
• 3.4.4 复位和时钟电路电路设计43-45
• 第四章 多路矿用气体传感器调校系统的硬件实现45-55
• 4.1 气路控制模块硬件设计45-50
• 4.1.1 标准气体控制电路46
• 4.1.2 气体流量控制电路46-48
• 4.1.3 气路控制电路48-50
• 4.2 气体传感器数据信号采集电路硬件设计50-51
• 4.3 红外控制电路硬件设计51-52
• 4.4 硬件电路抗干扰处理52-55
• 第五章 多路矿用气体传感器调校系统软件设计55-75
• 5.1 单片机程序设计55-66
• 5.1.1 主程序设计与交叉开关配置55-58
• 5.1.2 通信协议的设定58-59
• 5.1.3 串口通讯程序设计59-61
• 5.1.4 气路控制程序设计61-62
• 5.1.5 传感器输出信号采集程序62-63
• 5.1.6 模拟信号采集及均值滤波器程序设计63-66
• 5.2 FPGA程序设计66-75
• 5.2.1 标准气路控制FPGA程序设计66-68
• 5.2.2 数据采集模块FPGA的软件设计68-72
• 5.2.3 红外控制模块FPGA的软件设计72-75
• 第六章 多路矿用气体传感器调校系统运行测试75-79
• 6.1 系统调校要求75
• 6.1.1 调校环境条件75
• 6.1.2 调校标准样气75
• 6.2 系统运行实验75-79
• 6.2.1 系统频率测量误差76
• 6.2.2 响应时间实验76-77
• 6.2.3 调校完成时间实验77-79
• 第七章 总结与展望79-81
• 7.1 总结79-80
• 7.2 展望80-81
• 参考文献81-85
• 致谢85-86
• 攻读学位期间发表的学术论文86

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 陈阳海;;红外遥控工作原理 编码方式及常用信号传输协议[J];电子制作;2007年11期

2 孟杰;任鸿秋;田慕琴;;一种基于DSP的瓦斯传感器校验仪设计[J];工矿自动化;2012年03期

3 王红;栾震辉;;微机控制采煤机综合液压试验台[J];煤矿机电;2006年03期

4 李艳军;郭正刚;张志新;马孝江;;基于FPGA多通道同步数据采集系统设计[J];微计算机信息;2007年26期

5 张洪刚;邢焕革;王德石;胡坤;;基于FPGA的大规模矩阵开关设计[J];鱼雷技术;2006年02期

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本文编号：1066203