基于FPGA的煤矿突水监测数据采集系统的设计
摘要
煤矿突水灾害一直是困扰和制约煤炭生产的五大灾害之一。随着我国多数煤层的开采进入深层位,开采深度、开采强度、开采速度、开采规模的增加和扩大,近年来煤矿水害一直呈高发趋势。针对当前煤矿开采过程中突水监测参数单一、动态监测不够完善的状况,本论文提出了一种基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)技术的多参数煤矿突水监测数据采集系统设计方案。
论文首先讨论了FPGA的技术特点和基本结构,选定了Altera公司的Cyclone EP1C6Q240C8芯片作为系统数据处理和控制核心。接着介绍了FPGA的典型开发流程、Verilog硬件描述语言(Verilog HDL)、QuartusⅡ综合设计平台和ModelSim仿真工具。另外,由于井下环境恶劣、突水监测点随机,系统采用了CAN总线技术实现与上位机通信。
在基本理论部分,通过分析研究煤矿突水灾害的预警原理,提取了煤矿突水前变化较为明显的四种物理量：温度、应力、应变、水压作为监测对象。同时,简要介绍了数据采集技术和井下监测系统的设计原则。
论文的硬件设计部分对系统的关键因素：电源、时钟、AD转换、CAN总线接口和下载电路等部分的设计与实现过程都做了详细的阐述。重点介绍了电源电路、AD转换电路：为减少干扰,电源电路采取隔离供电方式分别给输入／输出接口电路和系统内部电路供电；AD转换采用的AD7862芯片为四通道模拟输入,两路信号同时采样,单通道最高采样频率为125KHz。随后,简要介绍了本设计中的抗干扰措施。
在软件设计部分,论文详细介绍了FPGA内部各子模块的具体功能和实现方式：时钟模块、数字滤波器和FIFO缓存模块利用Quartus II设计平台中的Mega Wizard插件管理工具定制实现；AD控制模块和CAN总线接口控制模块采用有限状态机设计实现。软件编程采用Verilog硬件描述语言,最大限度的保证了系统软件的可移植性。并对系统进行了功能测试,验证了设计功能的实现。
最后,论文在总结该数据采集系统研究成果的基础上,对今后的研究方向进行了展望。
The coal mining water inrush is one of the five coal mine disasters, which invariably perplex and limit the coal production. With the majority of our coal seam mining into the Deep place, mining depth, mining strength, mining speed, mining scale of the increase and expansion, water inrush disaster has shown a trend of high, in recent years. For the imperfect situations, that the water inrush monitoring parameters is single and the deficiency of dynamic monitoring, this paper studies a novel water inrush multi-parameter monitoring data acquisition system based on FPGA (Field Programmable Gate Array) technology.
Firstly, this paper discusses the technical features and basic structure of FPGA. Altera's Cyclone EP1C6Q240C8 chip Selected as the system core of the data processing and control. Then, introduces the typical FPGA development process, Verilog hardware programming language (Verilog HDL), QuartusⅡintegrated design platform and Modelsim simulation tool. In addition, because of the underground environment is poor and water monitoring points are random, the system uses the CAN bus technology to communication with PC.
In the section of the basic theory, through the analysis of coal mine water inrush disaster warning theory, four physical quantities extracted as monitoring objects, which before coal mine water inrush are obviously changed. They are temperature, stress, strain and pressure .Then, briefly describes the data collection techniques and Coal mine monitoring system design principles.
In this paper's system hardware design section, the key factors of the design and the implementation process have done a detailed description, includes:power, clock, AD conversion, CAN bus interface and download circuits. Focused on the power circuit and AD conversion circuit:Isolate power supply mode used in the power circuit to reduce interference, respectively to input / output interface circuit and system internal circuitry; AD conversion using the AD7862 chip four-channel analog input, two signals at the same time sampling, the maximum single channel Sampling frequency of 125KHz. Subsequently, briefly introduced the measures of anti-EMI, in this design.
In the software design section, this paper introduces FPGA inside various sub-modules'specific features and design methods. The designs of clock module and digital filter, FIFO buffer are designed and implemented using Mega Wizard Plug-In Manager, in the QuartusⅡ. AD conversion control module and CAN bus Interface module are designed using FSM (Finite State Machine). Software programming using Verilog HDL, system software ensures maximum portability. And the system function tested to verify the implementation of design functions.
Finally, based on the results the paper summarizes the data acquisition system research, and future research directions are suggested.
论文首先讨论了FPGA的技术特点和基本结构,选定了Altera公司的Cyclone EP1C6Q240C8芯片作为系统数据处理和控制核心。接着介绍了FPGA的典型开发流程、Verilog硬件描述语言(Verilog HDL)、QuartusⅡ综合设计平台和ModelSim仿真工具。另外,由于井下环境恶劣、突水监测点随机,系统采用了CAN总线技术实现与上位机通信。
在基本理论部分,通过分析研究煤矿突水灾害的预警原理,提取了煤矿突水前变化较为明显的四种物理量：温度、应力、应变、水压作为监测对象。同时,简要介绍了数据采集技术和井下监测系统的设计原则。
论文的硬件设计部分对系统的关键因素：电源、时钟、AD转换、CAN总线接口和下载电路等部分的设计与实现过程都做了详细的阐述。重点介绍了电源电路、AD转换电路：为减少干扰,电源电路采取隔离供电方式分别给输入／输出接口电路和系统内部电路供电；AD转换采用的AD7862芯片为四通道模拟输入,两路信号同时采样,单通道最高采样频率为125KHz。随后,简要介绍了本设计中的抗干扰措施。
在软件设计部分,论文详细介绍了FPGA内部各子模块的具体功能和实现方式：时钟模块、数字滤波器和FIFO缓存模块利用Quartus II设计平台中的Mega Wizard插件管理工具定制实现；AD控制模块和CAN总线接口控制模块采用有限状态机设计实现。软件编程采用Verilog硬件描述语言,最大限度的保证了系统软件的可移植性。并对系统进行了功能测试,验证了设计功能的实现。
最后,论文在总结该数据采集系统研究成果的基础上,对今后的研究方向进行了展望。
The coal mining water inrush is one of the five coal mine disasters, which invariably perplex and limit the coal production. With the majority of our coal seam mining into the Deep place, mining depth, mining strength, mining speed, mining scale of the increase and expansion, water inrush disaster has shown a trend of high, in recent years. For the imperfect situations, that the water inrush monitoring parameters is single and the deficiency of dynamic monitoring, this paper studies a novel water inrush multi-parameter monitoring data acquisition system based on FPGA (Field Programmable Gate Array) technology.
Firstly, this paper discusses the technical features and basic structure of FPGA. Altera's Cyclone EP1C6Q240C8 chip Selected as the system core of the data processing and control. Then, introduces the typical FPGA development process, Verilog hardware programming language (Verilog HDL), QuartusⅡintegrated design platform and Modelsim simulation tool. In addition, because of the underground environment is poor and water monitoring points are random, the system uses the CAN bus technology to communication with PC.
In the section of the basic theory, through the analysis of coal mine water inrush disaster warning theory, four physical quantities extracted as monitoring objects, which before coal mine water inrush are obviously changed. They are temperature, stress, strain and pressure .Then, briefly describes the data collection techniques and Coal mine monitoring system design principles.
In this paper's system hardware design section, the key factors of the design and the implementation process have done a detailed description, includes:power, clock, AD conversion, CAN bus interface and download circuits. Focused on the power circuit and AD conversion circuit:Isolate power supply mode used in the power circuit to reduce interference, respectively to input / output interface circuit and system internal circuitry; AD conversion using the AD7862 chip four-channel analog input, two signals at the same time sampling, the maximum single channel Sampling frequency of 125KHz. Subsequently, briefly introduced the measures of anti-EMI, in this design.
In the software design section, this paper introduces FPGA inside various sub-modules'specific features and design methods. The designs of clock module and digital filter, FIFO buffer are designed and implemented using Mega Wizard Plug-In Manager, in the QuartusⅡ. AD conversion control module and CAN bus Interface module are designed using FSM (Finite State Machine). Software programming using Verilog HDL, system software ensures maximum portability. And the system function tested to verify the implementation of design functions.
Finally, based on the results the paper summarizes the data acquisition system research, and future research directions are suggested.
引文
[1]张泓,晋香兰.世界主要产煤国煤田与煤矿开采地质条件之比较[J].煤田地质与勘探,2007,(12)：1-9.
[2]韩进.矿井水害监控及决策支持技术研究[D].上海：上海大学,2008.
[3]尹尚先.煤矿区突(涌)水系统分析模拟及应用[D].北京：中国矿业大学(北京校区),2002.
[4]国家安全生产监督管理总局.国家安全生产监督管理总局政府网站事故查询系统[DB/OL]. http://media.chinasafety.gov.cn:8090/iSystem/shigumain.jsp,2011-03-10.
[5]张立海,张业成.中国煤矿突水灾害特点与发生条件[J].中国矿业,2008,(2)：44-46.
[6]魏红霞.煤矿井下多参数突水信息的动态评价方法及系统设计[D].太原：太原理工大学,2010.
[7]王英钢.矿山突水监测技术的研究现状及发展趋[J].势安全生产与监督,2009,(2)：54-55.
[8]翟培合.采场底板破坏及底板水动态监测系统研究——电阻率CT技术在煤矿中的开发应用[D].泰安：山东科技大学,2005.
[9]王应吉,孙淑琴,李伟,王泽恒.核磁共振技术在煤矿突水监测中应用的设想[J].煤矿安全,2007,38(9)：66-69.
[10]姜福兴,叶根喜,王存文等.高精度微震监测技术在煤矿突水监测中的应用[J].岩石力学与工程学报,2008,27(9)：1932-1938.
[11]程凤霞.煤矿水害实时监测预警系统[D].武汉：中国地质大学(武汉),2008.
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[14]赵艳艳.混合扩频的同步技术研究及实现.西安：西安电子科技大学,2009.
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