基于MODEM技术的煤矿数据远程传输系统的设计与实现.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 基于MODEM技术的煤矿数据远程传输系统的设计与实现 姓名杜超 申请学位级别硕士 专业控制理论与控制工程 指导教师李丽宏 20090501 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 基于 MODEM 技术的煤矿数据远程传输系统的设计与实现 摘 要 近些年，随着政府部门对煤炭产量和安全生产管理力度的加大，使得 煤矿信息数据远程传输成为煤炭产量计量与管理不可缺少的环节，防爆计 量器具因而也成为矿用产品领域中的一个焦点，其数据的远程传输是解决 问题的关键。 本文介绍一种基于单片机和调制解调技术的煤矿数据远程传输系统， 该系统主要完成的功能包括对煤炭产量信息和井下环境参数的采集、显示 和超限报警，并且把采集到的数据实时送往井上的计算机进行处理。使用 该系统后，调度人员可以在调度室或远程终端及时、合理地对井下进行调 度。该系统由隔爆兼本安电源、井下数据采集分站、井上通讯管理单元和 计算机监控四大子系统组成，在文中运用模块化设计思想完成各子系统的 硬件电路和软件程序的设计。 本文设计的隔爆兼本安电源共三路输出，可供分站以及各种传感器使 用；井下数据采集分站以 C8051F023 微控制器为核心，分站可以连接多种 类型的传感器，完成对煤炭产量信息和井下环境参数的采集、处理和传输； 其中放置在井下的前端采集模块在采集模拟量时可以使用频率、电压型的 传感器，并且采集分站带有 8 路开关量输入和输出接口，可以控制井下设 备的开停；井上通讯管理单元主要负责将井下数据采集分站送来的 FSK 信 号进行解调后送到上位机进行相关的处理， 井上通讯管理单元的 Modem 模 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 块采用拨号方式，通讯管理站需要一个 Modem 即可完成通讯任务的管理。 整个系统线路连接简便，能够适应煤矿的恶劣环境，具有良好的通用性， 并且具有扩展性强、便于调试、安装和维护等优点；计算机监控系统的软 件采用 VB6.0 编写，可以实时显示煤炭产量和井下环境情况，并且具有查 询功能，便于井上工作人员统计相关信息。 本文重点分为两部分一是从本安防爆产品的安全性能要求出发，介 绍了防爆基础理论和隔爆、本安防爆基本原理，全面论述了隔爆、本安防 爆技术的特点，介绍了本安电路设计中需要注意的问题，接着对防爆标志 的确定和安全参数等分别做了相关说明。二是从目前远程数据传输系统的 基本原理出发，对目前几种比较流行的远程传输方法进行了对比，最终确 定了基于公用电话网技术的远程数据传输方案。该系统以现有比较成熟、 实用、可靠的检测设备为主体，进一步开发和完善井下数据采集分站和井 上通讯管理单元等关键设备，开发了计算机综合信息管理系统，实现煤矿 安全管理信息系统的综合智能化辅助决策功能和综合性自动化控制。 研制的样机在实验室调试运行表明，该系统可以实现设计的功能要求， 实时性好，结构简便，适合一般小型煤矿对成本和维护性简便的要求，可 以给煤矿的调度工作带来很大的方便。同时可以实现一个矿区的集中安全 监测，为其它远距离监测系统提供了一种简便可行的设计方案。 关键词煤矿监测，隔爆兼本安电源，C8051F023，远程传输，MODEM 太原理工大学硕士研究生学位论文 III THE DESIGN AND REALIZATION OF DATA REMOTE TRANSMISSION SYSTEM FOR COAL MINE BASED ON MODEM TECHNIQUE ABSTRACT Now,with the enhance of government management for measuring coal production and secure supervision, it causes data remote transmission for coal mine system as a indispensable part in measure and management.The explosion-proof measure instrument has become a focus in the field of coal mine. The problem of data remote transmission has developed into an important section. A kind of data remote transmission system for coal mine is introduced in this thesis,which is based on single chip microcontroller and MODEM technique. The central functions of the system include collectting coal production ination and data acquisition of environmental and mechanical parameters,displaying,alarming when the parameter exceeds initialization and transmitting remotely data that is analysised by monitoring computer complete.After using this system,workers can send out orders timely and reasonably attemper devices.This system is composed of explosion-proof and intrinsic safety power supply, subsystems of data acquisition,communication manager and monitoring and controlling computer.The thesis mainly introduces 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV design of each module’s hardware circuit and software program adopted modularization thinking. The explosion-proof and intrinsic safety power supply in this thesis have a total of three output channels for the use of subsystems of data acquisition and all kinds of sensor.Subsystem of data acquisition revolves about single chip microcontroller C8051F023,it connects with many types of sensors as so to realize data acquisition,display and communication.Acquisition of simulation parameters can adapt to sensors that put out frequency and voltage signal,and acquisition module have themselves temperature sensor and 8 channels of switch acquisition which can control on-off of devices. The task of communication manager is turning to FSK signal by the use of demodulation,and then the signal is sended out the monitoring and controlling computer.The system can be fitted in bad circumstance of mine,and it has advantage of extending,debugging,fixing,maintenance and current.The programme of monitoring and controlling computer is compiled for VB6.0,it realize to display currently the coal production ination and data acquisition of environment. The monitoring and controlling system has inquiry function that make workers to statistic ination expediently. This paper has two important parts. Firstly,it mainly introduces some blast theory and Explosion-proof principle from security perance,describes the characteristics of Explosion-proof technology and explains the basic concept and important parameter detailedly. Also makes some explaination for 太原理工大学硕士研究生学位论文 V Explosion-proof weighing indicator, blast sign and safety parameter. Secondly,it compares several porpular remote data transmission systems on the point of basic principle and makes certain the project of remote data transmission system based on PSTN. The system will not only develop and perfect some key equipment, such as the explosion-proof industrial Ethernet Switeh,underground intelligent control substation,and so on,bul also perfect the integrated ination management system.So as to lead the system to realize the function of intelligent aided decision-making and automation control. Result of practical operation manifests the system can achieve demand of design and hasgood real-time capability,and it satisfies requirement of pint-size mine and brings muchconvenience for dispatch work of mine.A digging can be detection by long-distance acquisition of computer,and it offers a kind of ology of remote supervision system. KEY WORDScoal mine monitoring,C8051F023,flameproof and intrinsic safe power supply,remote transmission,modulator-demodulator 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文中 不包含其他个人或集体已经发表或者撰写过的科研成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名 日期 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学 校可以采用影印、缩印或者其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可 允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交 换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文 在解密后遵守此规定） 。 本人签名 日期 导师签名 日期 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 随着微型控制器、传感器及现代通讯技术的发展，自动化称重技术得到了快速发 展，称重技术在数字化、网络化、智能化等方面都取得了长足的进步。数字化、网络化、 智能化已成为现代称重技术的主要特点。电子皮带秤作为一种动态控制型衡器，已经广 泛应用于国民经济各领域，取得了显著的经济效益。目前电子皮带秤已经向着矿用产品 领域进军，煤矿用电子秤是国家安全生产部门为了有效解决年产 30 万吨以上的煤矿由 于使用带式输送机进行计量而提出的。 煤矿数据远程传输系统是适用于煤矿井下进行煤 炭产量计量与井下安全环境监控的设备。这一产品的问世，解决了年产 30 万吨以上煤 矿井下利用皮带输送机进行计量的问题， 同时也在一定程度上对违规过度采掘国有煤炭 资源具有一定的监督作用。 煤炭工业是国民经济和社会发展的基础产业。目前，煤炭在我国一次能源生产和消 费结构中占 67左右；据中国工程院研究报告预测，到 2050 年煤炭在我国能源消费结 构中的比例仍将保持在 50以上，且绝对量还会成倍增长。因此，煤炭在相当长的时期 内还将是我国的主要能源， 煤炭工业的可持续发展直接关系着建设全面小康社会目标的 实现和国家能源安全。改革开放以来，我国煤炭工业取得巨大成就，2007 年原煤产量达 到 25.23 亿吨。但是，煤矿行业的安全生产情况不容乐观。20012005 年，全国煤矿共 发生事故 18514 起， 死亡 31064 人， 平均每年发生各类事故约 3702 起， 死亡约 6213 人。 其中， 发生一次死亡 30 人以上特别重大事故 42 起， 一次死亡 10-29 人特大事故 214 起， 平均每年发生 42 起多，占全国各类特大事故起数的 36。特别是从 2004 年第三季度到 2005 年底煤矿相继发生了 6 起死亡百人以上的特别重大事故， 损失惨重， 造成了严重的 社会影响[1]。因此，对矿井有害气体或危险成分的监测和对通风设备及断电控制设备运 行状态的监测及控制十分重要。 1.1 课题的背景及意义 随着我国工业的飞速发展以及与世界先进工业技术的接轨， 防止事故性爆炸的工业 现场安全问题已引起政府部门的高度重视。特别是近几年煤矿事故频频发生，各种关于 工业现场安全性问题的法律法规相应出台，矿用安全监测也相继成为矿用产品的焦点。 安全监控是实现矿井安全生产预防事故的主要措施之一， 也是现代化矿井管理的重 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 要技术措施。我国自主研发的多种监控系统对改善煤矿安全生产状况起到了积极作用， 通过对井下环境参数的分析，为事故发生的可能性提供数据资料，以便于对将要发生的 事故采取防范措施；对即将发生的事故及时给予报警，自动实现断电，以避免事故的扩 大化。但是很多监控系统在实际应用时存在着弊端，由于不同系统的监控相互独立，兼 容性差，而且网络化的监控系统由于采用不同的通信及信息交换标准，很难做到信息共 享和统一管理。充分利用先进的信息化手段和工业监控技术，加快矿井机械化、自动化 和信息化建设，解决我国煤矿安全生产中的共性、关键性技术难题，是改善我国煤矿安 全状况的重要手段和推动煤矿安全生产工作的有力措施。 目前国内几个生产厂家的传输系统产品在实际的使用中发现一些不足， 比如产品在 煤矿井下适应性差，对安装环境依赖较大；其次是数据远程传输问题，一些厂家采用 RS485 总线技术，在传输速率高的情况下数据误码率比较大，造成不准确等问题，并且 传输距离只能达到几公里。 由此可见寻找一种适用于煤矿井下数据远程传输的方案势在 必行。在此基础上，同时结合国内同类产品在性能方面的优缺点，本文提出了一种基于 MODEM（调制解调）技术的煤矿数据远程传输系统。本文是以山西万立科技有限公司 研发课题“KC1 型矿用井下数据传输系统”为背景而撰写的，其成果对提高安全检测、 监控的自动化、信息化水平，增强煤矿安全调度指挥、管理决策能力具有重要意义。 煤矿数据远程传输系统是将井下数据采集分站采集到的煤矿用电子皮带秤上的煤 炭重量信号、皮带运转的速度信号、断电控制设备运行状态和井下有害气体浓度信息一 起远程传输到井上通讯管理单元，达到监控煤炭产量和井下环境的目的。其中远程数据 传输成为系统中的一个鲜明突出的问题， 远程数据传输的准确性与稳定性直接影响着系 统的性能，因此远程传输成为系统设计的一个要点。目前远程传输系统主要有四种解决 方案一是采用现场总线技术，该方案铺设网络的费用高，维护量大；二是需要利用 RS485 总线技术进行信息的远程传输，但是传输距离有限，往往需要增加中继设备，给 系统造成一定的不便；三是需要光纤技术进行信息的远程传输，但是系统的成本费用较 高且不便于维护，不适合用在煤矿井下；四是利用公用电话网通过 Modem 技术进行数 据传输，这样不仅可以摆脱分布式总线系统繁琐的布线、中继、放大以及运行过程中维 护量大等问题，而且系统扩展极为方便，基本不受设备地域的限制。该方案灵活实用且 成本低廉，是适用于煤矿井下远程传输系统的一种理想方案[2]。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1.2 国内外研究现状和发展趋势 随着煤矿灾害事故的不断增加， 世界各主要采煤国家均日益重视煤矿安全综合治理 技术的研究和发展，并实行大投入来进行研究。因此，近几年来，煤矿安全治理技术及 装备方面均具有其长足的进步和发展。 1.2.1 国外煤矿安全监测监控系统的发展 最近 20 年，各国煤矿煤炭产量和井下安全环境监测系统发展迅速，为煤炭产量监 控提供了有效的手段，也为预防煤矿事故起了重要的作用。当矿井的瓦斯、一氧化碳监 测系统检测到这些有害气体超限并提示报警时，如果及时采取安全措施，可以避免人员 伤亡和煤矿事故的发生。安全监测系统对于煤矿安全来说是比较重要的，那我们先来看 一下各国监测系统的发展状况。 1、英国 MINOS 监测系统。MINOS 监测系统是英国有代表性的先进的监测系统， 它能对井下环境进行连续监测，包括①低浓度瓦斯用 BMI 瓦斯检测器，测量范围 0-3CH4；②高浓度瓦斯用 BM2H 瓦斯检测器，测量范围 0-100CH4；③瓦斯 抽放系统的负压；④风速用 BA2，BA4，BAS 风速检测器，测量范围 0-2m/s、0-5m/s、 0-10m/s；⑤风压；⑥烟雾及粉尘。 2、德国 TF-200 煤矿监测系统。TF-200 系统是 YF-24 系统的更新产品，功能扩大， 传输通道由 24 个增加到 52 个。其技术特点如下①主要传感器高浓度瓦斯、低浓度 瓦斯、CO、风速等传感器；②中心站系统容量为 176 个模拟量，352 个开关量；主要 设备为计算机、打印机、记录仪、模拟盘；③传输系统传输方式为调频，52 个信息通 道传输距离为 18-41km；调换方式 v/f 变换，f5-15hz；④分站容量为 4、8、16 个 传感器组；供电方式为 10-24V[2]。 3、波兰 CMM-10m 煤矿数据传输系统。适合于小煤矿，可配接 20 个测点，可用循 环方式监测各测点的参数，包括瓦斯浓度和风速。 国外在不断完善煤矿安全的跟踪预测的基础上， 开展了研究瓦斯突出的动态预测技 术和突出危险区域预测技术。俄罗斯建立了区域预测预报专家系统。德国研发的“超越 现实”是一种高安全性的通讯技术，可以完全改变井下矿工的工作方式。矿工通过“数 字眼镜” （检测机器故障的装置）查看出现故障的机器，然后将这些信息传输到井上监 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 控计算机，井上监测计算机会给出非常详细的、有动画演示的维修步骤。矿工不需要亲 自去检查机器，完全由计算机来检查并处理数据[3]。 1.2.2 国内煤矿安全监测监控系统的发展 我国煤炭产量监测和井下环境监测监控技术应用较晚，80 年代初，从波兰、法国、 德国、英国和美国等如 DAN6400、TF200、MNIOS 和 Senturion-200引进了一批煤矿安 全监控系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际 情况，先后研制出 KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、 KJ92 等监控系统，在我国煤矿已大量使用。实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产 和管理起到了十分重要的作用，各局矿已把它作为一项重大安全装备。随着电子技术、 计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要， 国内各主要科研单位和生产厂家 又相继推出了 KJ90、KJ95、KJ101、KFJ2000、KJ4/KJ2000 和 KJG2000 等监控系统， 以及 MSNM、WEBGIS 等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。 截至目前，黑龙江煤矿安全监察局利用黑龙江移动的 GSM 和 GPRS 网络己对全省 812 处矿井实现了风机主扇监控和瓦斯浓度监控，占全省煤矿计划实现安全监控总数的 74，并已实现了全部联网。我省已投资 4 亿元建设全省煤矿瓦斯监测监控系统，省内 大部分煤矿安装了瓦斯监测传感器，并进入山西省煤矿监测监控网络系统，各级控制中 心都可以对井下的瓦斯浓度监测监控，各级煤炭生产主管部门及时掌握井下瓦斯情况， 一旦瓦斯超限，自动化装置就会按预案处置，值班人员也会通知有关部门采取相应得措 施，总的看来中国矿山正在向数字化矿山的方向迈进[4]。 1.2.3 我国煤矿安全生产系统集成存在的问题 1、煤矿产量和井下环境监控系统的通信协议不规范。 由于现有厂家的监控系统几乎都采用各自专用通信协议，所以，很难找到两个相互 兼容的系统。系统各自处于封闭状态，系统间无法实现信息共享，更很难实现全局或更 高级别的联网。 现在我国煤炭安全监控系统主要有以下系统 KJZ000、 KJ4、 KJ66、 KJ10、 KJ86、KJ78、KJ83、KJ98、KJ75、KJ80、KJF2000、KJ95、KJ90 等。有的可以往关系 数据库存贮数据，有的是自己的数据系统，即使往关系数据库中存贮数据有的只存历史 数据，有的同时存实时数据。甚至有的厂家为了自己系统的保密甚至对数据库加密。对 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 用户提供接口也不统一，所以有必要研究异构系统的数据集成问题。 2、提高系统的安全性和可靠性，煤矿监测监控技术属于技术密集型领域，确保系 统的安全性和可靠性非常必要。这主要包括硬件设备的密封防潮，电路可靠接地，通信 线路阻抗匹配，安全隔离，防止雷电覆击，以及系统软件冗错，系统自检，故障诊断， CPU 死机自动复位、网络管理、权限定义、密码保护等。总之，随着科技进步，煤矿监 测监控技术已渗透到采煤、掘进、机电、运输、通讯和办公管理等各个环节，为煤矿安 全生产和高产发挥了重要的作用，并且有着广阔的发展前景[5]。 1.3 系统设计要求和方案 煤矿煤炭产量监控和井下环境监测系统设计时要考虑如下问题 第一是安全、 防爆； 第二是信号远距离传输。 第一个问题在设计时必须严格参照国家防爆有关标准对进行电 路的设计；第二个问题必须考虑远程信号传输的稳定性与实用性。目前信号远程传输普 遍采用 RS485 总线方式、恒流源传输方式等，通讯距离一般都在 10 公里以下，而且传 输速率慢。如果对于较远的传输距离只有靠采用增加中继的办法加以实现，但是煤矿中 情况特殊，采用中继将使系统复杂，维修不便，而采用 Modem 技术利用电话网络的远 程传输方案可以有效地解决这个问题， 是目前适合于煤矿井下远程传输的理想而又适用 的方案。第三个问题是井下皮带秤计量精度不高，使用中动态累计误差在 1左右，计 量精度受到井下环境的制约，而选用高性能、高精度的 AD 可以提高计量精度[6]。 井下数据采集分站是煤矿煤炭产量监控和安全生产监控系统中的重要组成设备， 它 与隔爆兼本安型稳压电源及多种矿用传感器组合在一起， 在井上通讯管理单元的管理下 实现对矿井下环境监测与控制。 根据最新的中华人民共和国安全生产行业标准 AQ-2006 煤矿安全监控系统通用技术要求的规定。井下分站应该具有模拟量、开关量的 采集、传输、断电存储及断电控制等功能，用来实时监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、局 部通风机开停、主通风机开停等，能够实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控 制等，能够接收上位机的控制命令实施手动断电或者复电功能[5]。 在煤矿应用场合，从机（井下数据采集分站）和主机（井上通讯管理单元）之间的 距离较远， 直接用串行口 Rxd 、 Txd 或加线驱动器， 通讯也较难实现， 我们利用 MODEM 技术通过电话线拨号实现井下分站和井上通讯管理单元的数据交换[7]。本数据传输系统 的井下设备设备为隔爆兼本安型电气设备，井上的为本安型电气设备。 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 煤矿数据远程传输系统的工作原理是 本安兼隔爆电源为井下数据采集分站提供直 流；电源井下分站负责将井下各设备的重量模拟量信号，频率信号，开关量信号经单片 机采集和处理之后，经过远传模块将数字信号转换为正弦载波信号，通过电话线把数据 远程传输至井上通讯管理单元，井上单元对接收到的数据再作出相应的恢复输出，井下 分站内置有 Modem 通讯模块，可以接受来自井上的呼叫信号；同时井上监控管理上位 机可以通过井上通讯管理单元对井下采集分站进行拨号，分站检测到振铃信号后，建立 通信链路，进行数据的传输，分站同时会接收到上位机的控制命令对井下皮带秤进行调 零等操作[8] 。系统结构图如图 1-1 所示。 单 片 机 远 传 通 讯 模 块 8路开关量输出 8路开关量输入 频率数字量信号 重量模拟量信号 RS232通讯接口 隔爆兼本安电源 单 片 机 远 传 拨 号 模 块 8路开关量输入 8路开关量输出 频率量信号输出 RS232通讯接口 220V AC输入 电话线缆 井下数据采集分站井上通讯管理单元 最大20公里 上位机监控管理 图 1-1 煤矿数据传输系统结构图 Fig1-1 data transmission system in Coal Mine structure chart 1.4 本文主要研究的内容 本论文的主要研究内容包括以下几个方面 1、将本安防爆技术应用在煤矿数据远程传输系统中，设计并完成符合国家爆炸性 气体环境用电气设备要求的隔爆兼本安型电源。 根据 MT/T408-1995MT/T408-1995 煤矿用直流稳压电源的相关标准，完成 了为井下数据采集分站供电的隔爆兼本安型电源硬件设计。实现功能如下 1 提供 5V、1.5A ，5V、1.8A ，12V、500mA 共三路直流电压输出； 2 停电后，电源中后备电池能连续供电 2 小时。 2、重点介绍了煤矿数据远程传输系统中的井下数据采集分站和井上通讯管理单元 的硬件电路设计，对其中的关键设计进行了分析。 根据煤矿安全监控系统通用技术要求 ，完成了监测监控系统中井下数据采集分 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 站和井上通讯管理单元的总体软硬件设计。实现功能如下 1 井下数据采集分站提供 1 路 RS232 信号传输； 2 采集分站具有 16 位 AD 转换功能，实现重量信号转换结果实时远程传输； 3 实现 8 路开关量信号输入传输，监控现场设备工作状态，延迟1 秒； 4 实现 8 路开关量信号输出传输，延迟1 秒； 5 采集分站频率量信号（20Hz2000Hz）输入传输，误差0.3； 6 采集分站可配接多种传感器类型电压型或频率型等； 7 采集分站本身具备超限报警功能； 8 分站有数据处理功能和存储功能，当分站与地面主机脱机时，能独立工作，并 能实现全部原有功能。 3、着重对煤矿远程数据传输系统的方案进行对比与分析，提出了基于电话网技术 的远程数据传输系统方案，并将这一方案应用于煤矿数据远程传输系统中。同时着重对 Modem 电路设计、Modem 与单片机硬件接口技术等进行了分析。 4、介绍了系统功能软件及上位机程序设计，给出了具体的流程图设计方案。 5、最后对系统进行了动静态测试，测试数据中对系统性能进行了分析，分析了误 差产生的原因，并提出了解决方案。 6、对本设计中的疑难问题进行了分析，并提出了解决方案。 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 第二章 MODEM 技术在煤矿数据远程传输系统中的应用 在煤矿数据远程传输系统中， 要求能够把煤矿井下现场检测的产量信息和井下环境 信息传递到井上调度控制室中，同时井下系统又要接受来自上位机的控制命令，以便实 现远程设备之间数据的采集、参数调整。这就需要监控管理上位机与井下现场单片机之 间进行远程通讯。系统在充分考虑系统的成本与可靠性等因素后，采用了目前最广泛使 用的模拟电话线路作为数据传输信道，通过煤矿内部电话网进行数据的远程传输。 2.1 远程数据采集系统的类型 在远程数据采集系统中，终端数据到中心处理系统的传输可以选用以下几种方式 无线传输、电力线载波、公众电话网传输和 Internet 传输。通常按照传输方式的不同， 将远程数据采集系统分为以下几类无线远程数据采集系统、基于电力线载波技术的远 程数据采集系统、基于嵌入式 Internet 技术的远程数据采集系统和基于公众电话网的远 程数据采集系统。 1、无线远程数据采集系统 该系统是利用无线信道，将终端数据调制到射频由天线发射出去，在中心处理系统 处，由天线接收并解调出数据。在无法采用有线传输的情况下，无线远程数据采集系统 更显优势。但这种系统的成本较高，技术较为复杂，而且需要占用有限的频率资源。 2、基于电力线载波技术的远程数据采集系统 交流电网是世界上最普及的网络。利用电力线载波实现终端到中心的数据传输，必 将大大降低成本。通常先对现场采集的数据进行编码，再通过锁相环电路进行调制。载 波信号经放大后，藕合至电力线，完成数据发送。中心将电力线上耦合进来的载波信号 经锁相环电路进行解调，再送入解码器恢复原数据。为了避免频段干扰，载波频率一般 选择在长波段 100300kHz。但是交流电网的干扰因素众多，因此误码率较高，而且电 力线载波传输仅限于同一个电力变压器供电范围内，这些缺点都限制了它的应用[9]。 3、基于嵌入式 Internet 技术的远程数据采集系统 嵌入式 Internet 技术是近几年发展起来的新技术。它创新性地提出低价微控制器 MCU作服务器这一理念，使底层数据采集系统与 Internet 的无缝连接有了可行方案。 目前 MCU 形成嵌入式网络服务器方案有多种， 其中最具发展价值的是将普通 8 位 MCU 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 与以太网控制芯片结合， 在 MCU 上嵌入 TCP/IP 协议栈及以太网控制芯片驱动程序， 根 据用户需求，对 TCP/IP 协议进行“裁剪” ，只保留满足功能的基本协议，可使整个代码 不超过几 KB。在执行数据采集任务时，MCU 对现场采集的数据进行 IP 封装，驱动以 太网控制芯片对 IP 封装数据进行以太帧物理封装并发送到中心处理系统。这是一种非 常有前途的技术，但相对其他几种远程数据采集技术来说，软件工作较为复杂[10]。 4、基于公众电话网的远程数据采集系统 公众电话网是世界上比较普及的几大网络之一。由于灵活、实用，公众电话网传输 方式被很多开发人员所青睐，因而应用十分广泛。数据必须被调制后才能在公众电话网 上传输。 井下数据采集单元和井上数据监视单元借助于电话网络传送数据时， 发送端首先必 须对信号进行调制， 将数字信号变成音频模拟信号， 经过电话网络的传输， 到了接收端， 还要有解调装置将音频模拟信号还原成数字信号。大量外置 Modem 提供标准的 RS232 接口， 所以Modem通过串口可以直接与PC机相连； 而单片机的串行口不是标准的RS232 接口，Modem 不能直接和单片机相连，必须设计相应的电平转换接口。两个 Modem 之 间是通过电话网络连接。两个 Modem 之间需要载波信号进行沟通，只有它们之间成功 的建立一条载波链路后，才能进行数据的传输[11]。 2.2 基于公用电话网技术的远程数据通讯方案 公众电话网的英文全称是Publie Switch Telephone Network， 缩写为PSTN。 本系统是 将现场采集的数据通过PSTN传输到数据采集中心的系统。由于灵活、实用，己被广泛 的应用于自动远程监测等领域。 我国的电话网采用的是FSK频移键控方式，电话线上传输的信号为音频信号，而 单片机系统只能处理数字信号。 因此需要通过专用的调制解调芯片将单片机的数字信号 转换成音频信号。数据远程传输装置可以分为井上主叫和井下被叫两部分。在双方通信 开始之前，主叫由拔号芯片产生DTMF信号，DTMF信号经调制解调芯片放大后送到电 话线上发出被叫号码。被叫收到振铃信号后将双方电话线连通，完成握手协议后即可进 行数据传输[12]，通讯结构如图2-1所示。通信方案应该视具体情况来决定。首先必须要 确定哪一方设备为主叫，哪一方设备为被叫。 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 上位机监控管理 系统 井下数据采集监 测分站 ModemModem 数字信号 数字信号 音频信号 电话网 音频信号 井上井下 图 2-1 公用电话网通讯系统总体结构图 Fig 2-1 communication system based on PSTN structure flow chart 煤矿数据远程传输系统采用自动拨号方式， 井上通讯管理单元通过电话网与井下现 场多台采集分站进行通讯。井下分站中单片机完成对各电子皮带秤煤炭产量数据的测 量，并随时或定时向通讯管理单元进行汇报，监控管理上位机再进行数据处理、显示打 印等操作。通讯管理单元可以通过自动拨号依次呼叫井下的各个井下分站，单