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1、1绪 论 1.1定义 煤矿安全监控系统（coalminesafetymonitoringsystem）是具有模拟量、开关量、累计量采集、传输、存储、处理、显示、打印、声光报警、控制等功能，用于监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、风速、风压、温度、烟雾、馈电状态、风门状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制，由主机、传输接口、分站、传感器、断电控制器、声光报警器、电源箱、避雷器等设备组成的系统。1.2项目研究的意义煤矿安全生产是各国煤炭行业的共同话题，各国政府都极为重视。中国自1949年以后，更是高度重视煤矿的安全。经过广大科技人员和煤矿职工的努力，安
2、全生产技术有了长足的发展。煤矿安全的内涵随着社会的发展也在不断丰富和扩展。但同时我们也应看到中国煤矿井下生产条件复杂，地质条件多变，自然灾害较为严重。与世界发达国家相比，中国的煤矿安全状况和水平仍有相当大的差距，形势非常严峻。与世界发达国家相比，中国的煤矿安全状况不容乐观。在中国的基础产业门类中，煤炭是事故最多、伤亡最大的一个行业，占工业死亡总人数的60以上。据国家煤矿安全监察局发布的全国煤矿生产和安全情况统计，我国煤矿百万吨死亡率仍维持在一个较高的状态。如表1所示。表1 09至11年全国煤矿生产和安全情况 年份原煤产量（亿吨）死亡人数（人）百万吨死亡率1）200929.6 26310.892
3、2010 32.424330.798201135.219730.564注：1）煤矿百万吨死亡率：即每生产100万吨煤炭允许死亡的人数比例虽然表1中显示近年来，百万吨死亡率持下降趋势，但是煤矿死亡人数仍旧过高。这种局面已经在影响到我国经济社会的发展，造成上述结果的因素之一，是部分煤矿安全生产工作不到位，在管理和生产上存在较大漏洞，因此尽快建立健全一套煤矿井下安全监控系统以辅助煤矿企业管理安全生产是很有必要的。针对我国煤矿的现状，一批用于井下安全监控的系统正处于研发过程中，这些矿山井下安全监控系统，对于煤矿系统加强安全生产管理有较好的作用。就目前煤矿安全的形势，国家贯彻落实全国煤矿瓦斯治理现场会精
4、神和“先抽后采、监测监控、以风定产”的方针，为保障煤矿安全生产，必须加强煤矿安全监控系统监察工作。1.3项目研究的现状及发展趋势煤炭是我国最为重要的能源资源，煤炭生产的安全事关重大。我国煤矿安全生产面临着非常严峻的形势，而广泛应用监测监控是加强和改进煤矿安全生产工作的有效手段。国有煤矿一般都安装有安全监控系统、工业电视系统和其他一些小型系统，例如水文资料监测、瓦斯传感器管理系统等。随着生产的发展，可能会产生越来越多的子系统。但所有这些系统绝大多数都存在信息孤岛问题，是相对独立的系统。这些系统都有自己独立的数据存储方式，调研后认为这些系统有的数据冗余度较大。所以将多业务统一集成，充分利用监测监控
5、系统的海量数据，提高数据的利用率和清晰化，是提高煤矿安全监测监控效果的重要方式。随着对安全生产的更高要求，尤其是在煤矿安全形势严峻的情况下，通过通信、网络技术实现全局煤矿监控系统的集中监测，为局领导及相关技术人员提供各矿实时监测数据，有利于局领导对下属各矿的管理，有利于安全生产和指挥调度。为适应当前发展需要，需尽快建立适应局矿的网络化煤矿综合监控信息系统。特别是煤矿企业安全生产的监管问题，使矿区和地方管理部门能够真实地看到安全生产的状况，以便及时的制定政策，使煤矿开发合理化、安全化，透明化。近年来，随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业安全生产的需要，许多煤矿加大了安全投入，煤矿安全监
6、控系统得到了普遍应用。越来越多的煤矿企业装备或更新改造了矿井安全监控系统，大大提高了矿井安全生产水平，同时也为该技术的使用、维护和发展提出了更高的要求。1.4本文的主要内容本课题是基于虚拟仪器而设计的煤矿安全监控系统。该系统不仅提高了井下安全参数的检测能力，并且加强了计算机与人的交流功能，是系统更为的人性化。本文的工作有：（1）调查了国内煤矿安全生产情况，以及煤矿监测监控系统在国内煤矿生产中的发展情况和重要作用。（2）结合煤矿实际情况，设计安全监测系统的总体框架。（3）根据建设综合监测应用平台的需要，主要针对关键技术：底层数据采集、数据传输等进行了重点分析。本文主要内容有：本文首先介绍了课题的
7、研究背景和意义以及煤矿安全监测技术在国内的发展，讲述了论文研究的目的和意义，以及文章的主要内容和结构。然后介绍本系统总体设计，这里主要介绍了基于虚拟仪器的煤矿安全监控系统的优势以及系统设计的任务分析，从而给出了系统的原理框图。在介绍总体设计之后本文再分别介绍了系统的模块设计过程和软件设计过程。在模块设计过程中主要介绍硬件设计和选择，并分别列出了采集模块、信号处理模块、数据采集卡模块和显示模块的设计。而在系统软件设计介绍中，提出了系统的软件设计方法和使用的仿真软件Labview,给出了系统的软件流程框图，并对子程序进行了介绍。系统设计完成之后再对系统进行调试及仿真。文章最后对整篇文章的主要设计工
8、作给以简要总结，然后分析煤炭行业的业务发展和安全监测技术的发展趋势，并指出需要进一步研究和完善的问题。2系统的总体设计2.1系统的方案论证与选择国内煤矿都安装有煤矿安全监控系统，下面我们分别就传统的煤矿安全监控系统和基于虚拟仪器的煤矿安全监控系统分别加以介绍和比较。方案一：传统煤矿安全监控系统国有煤矿一般都安装有安全监控系统、工业电视系统和其他一些小型系统，例如水文资料监测、瓦斯传感器管理系统等。随着生产的发展，可能会产生越来越多的子系统。但所有这些系统绝大多数都存在信息孤岛问题，是相对独立的系统。这些系统都有自己独立的数据存储方式，调研后认为这些系统有的数据冗余度较大。传统的煤矿安全监控系统
9、如图1所示。瓦斯传感器温度传感器XX传感器湿度传感器瓦斯监控分站温度监控分站湿度监控分站压力监控分站数据传输接口地面中心站压力传感器XX监控分站图1 传统的煤矿安全监控系统原理框图方案二：基于虚拟仪器的煤矿安全监控系统基于虚拟仪器的煤矿安全监控系统，是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成，具有可视化界面的仪器，它可使任何一个用户方便灵活的用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作；并可以根据不同的测试要求，通过窗口切换不同的虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模。虚拟仪器系统利用各种仪器驱动程序和实用软件包，实现对各种仪器的编程控制
10、，完成数据的采集、传输和分析处理。该系统如图2示。 瓦斯传感器温度传感器XX传感器湿度传感器数据采集卡计算机虚拟仪器压力传感器图2 基于虚拟仪器的煤矿安全监控系统原理框图该系统的特点在于：(1)性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I0，工程师在数据高速倒入磁盘的同时就能实时的进行复杂的分析。(2)扩展性强由于虚拟仪器软件的灵活性，用户只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级就可以改进整个测试系统。(3)开发时间少在驱动和应用两个层面上，虚拟仪器高效的软件架构
11、能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新科学技术结合在一起。(4)软件与硬件无缝连接虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。虚拟仪器软件平台的发展趋势就是为所有的I0设备提供了标准的接口，帮助用户轻松的将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。鉴于虚拟仪器的煤矿安全监控系统有以上一些特点及优势，本文选用虚拟仪器设计煤矿安全监控系统。2.2系统的任务分析煤矿井下环境参数测试系统是针对目前国内煤矿的环境参数(包括瓦斯浓度、温度、湿度、压力等)进行设计的。它负责对矿井下的各项环境参数进行采集、处理、分析、判断、显示，当任何一个参数超出设定范围时，发出报警信号并做出相应的处理（例如断电）。为
12、了保证系统的可靠稳定，本系统采用模块化设计方案。系统由以下几个模块组成：（1）采集模块，主要完成煤矿井下环境参数的测量采集。模块包括四个传感器：温度传感器、瓦斯传感器，湿度传感器，压力传感器。（2）信号处理模块。主要是将传感器送来的电信号转变为能被数据采集卡采集的电信号。（3）数据采集卡（DAQ）模块。对处理过的信号进行采集，并传送到地面计算机。（4）输出模块。通过计算机中的软件对各项数据进行处理判断，得出井下的安全现状，并显示各项参数。2.3系统的原理框图通过对系统的任务分析，得到系统的总原理框图。如图3示。采集模块输出模块数据采集卡模块信号处理模块图3 系统的原理框图3 系统硬件设计本设计
13、主要包括四大模块，采集模块，信号处理模块，数据采集卡模块，输出模块。 由采集模块采集环境参数信号，通过信号处理模块进行处理转变成符合数据采集卡参数要求的信号，处理过的信号在发送到计算机进行判断显示。如图4所示。传感器采集信号信号处理数据采集卡采集信号计算机判断显示图4 系统的工作流程框图3.1采集模块本设计中采集模块是通过个类传感器对信号进行初步采集的模块。设计中共测取四种安全参数，分别用到了瓦斯传感器、温湿度传感器和气压传感器。下面我们分别介绍这几个传感器相关原理和参数。3.1.1瓦斯传感器GJC4甲烷传感器工作原理：当仪器置于存在甲烷气体的环境时，甲烷气体通过仪器外壳的气窗进入气室，气室内
14、的传感器（载体催化元件）表面产生无焰燃烧，其阻值增大，使桥路输出与甲烷浓度成正比的电信号。信号经线性放大器放大后输入A/D转换器，经微处理器数据处理，由数码管显示出甲烷浓度，并经信号输出电路输出信号，供其它设备使用。仪器的报警电路是由蜂鸣器、发光二极管及驱动电路组成，当甲烷浓度超过设定的报警点时，仪器会发出声光报警信号。当甲烷浓度超过设定的断电点时，仪器会有断电指令信号输出；甲烷浓度超过断电点以后，只有当甲烷浓度降低到设定的复电点以下时，仪器才会解除断电指令输出。仪器具有防冲击保护措施，当甲烷浓度4.00%时，数码管闪烁、蜂鸣器鸣叫，仪器自动对黑白元件进行断电保护，并恒定输出1000Hz频率。
15、在本系统的设计中，我们选用了GJC4矿用低浓度甲烷传感器。如图5所示。图5 GJC4矿用低浓度甲烷传感器其输出是2001000Hz的频率信号，相对应的瓦斯浓度范围是04，当检测到的瓦斯浓度超过给定值时，它上面的红色LED灯会闪烁，峰鸣器会连续鸣叫，提示操作人员瓦斯浓度超限。其主要参数指标如表2示。 表2 GJC4矿用低浓度甲烷传感器主要参数指标项目技术指标测量范围（CH4）（04）%基本误差（CH4）01.0013.003.004.000.1真值10%真值0.3真值分辨率0.01% CH4响应时间20s工作电源DC（924）V/50mA(本安电源)输出信号（2001000）Hz、RS485（波
16、特率可调）数字信号2400bps传输距离2km报警方式继续声光报警、报警点连续可调声级强度85dB防爆型式Exibd I传感器寿命1年显示方式4位LED外型尺寸27012050mm重量1kg配套设备FYF5型矿用遥控器3.1.2温湿度传感器SHT11非接触式温度传感器：非接触式温度传感器的热敏元件与被测对象不需要接触，主要通过物体的热辐射原理实现温度测量。测量时不影响原有温度场，适合于快速运动或热容量小的对象的温度测量，但测量精度受环境的影响较大。典型的非接触测温方法有辐射式测温、亮度测温、比色测温及光导纤维测温。湿敏电容的工作原理：湿敏电容是一种最简单的湿度传感器，一般是用高分子薄膜电容制成
17、的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。本设计采用瑞士 Sensirion 公司生产的SHT11作为系统温湿度采集传感器，其内部电路主要由相对湿度传感器(特殊聚合物制作成的湿敏电容)、带隙式温度传感器(输出电压与温度成正比，简称VPTAT)、放大器、可编程的12bitA/D(SHT11)转换器、校准存储器(一次性可编程，OTP)、易失性存储器RAM、状态寄存器、循环冗余校验码(CRC)寄存器、加热器、低电压检测电路、二线串行接口和控制电路等12部分组成，如图6所示。加热器低电
18、压检测电路控制电路状态寄存器CRC寄存器放大器14或12bitA/D易失存储器RAM校准存储器二线串行接口SCKDATAGNDUDDSHT11/15湿度传感器温度传感器图3.40 SHT11/15型湿度/温度传感器内部电路框图 图6 SHT11型湿度/温度传感器内部电路框图SHT11的体积仅与火柴头相近。如图7示。图7 SHT11模拟信号4-20ma温湿度传感器根据Sensirion提供的使用手册可知，温湿度可以选择不同的精度，湿度有12bit和8bit两种，温度有12bit及14bit两种。SHT11相对湿度与数字输出呈非线性关系，相对湿度需要把数字输出经过线性补偿才可以得到，其线性补偿算式
19、如公式（1）所示： RHlinearr=c1+c2SORH+c3SORH2 （1）RHlinear为线性补偿后的得到的相对湿度，SORH通过总线读取，式中系数取值如表3所示。表3 公式（1）中的系数取值SORHc1c2c312bit-40.0405-2.8*10-68bit-40.648-7.2*10-4经过线性补偿的相对湿度还不能作为实际的湿度看待，即相对湿度需经过温度补偿才能转化为实际湿度，其温度补偿式子如公式（2）所示：RHlinear=(T-25)(t1+t2SORH)+ RHlinear （2）公式（2）中的系数取值如表4所示。 表4 公式（2）中的系数取值SORHt1t212bit
20、0.010.8*10-48bit0.010.00128经过AD转换得到的温度值分辨率可达到14位，本设计中配置为14位模式，直接AD转换得到的数据需要经过变换才能得到最终的实际温度，其变换公式如公式（3）所示：T=d1+d2SOT （3）公式（3）中的系数取值如表5、表6所示。表5 公式（3）中的系数取值表1VDDd1 d2 0 F5V-40.1-40.24V-39.8-39.63.5V-39.7-39.53V-39.6-39.32.5V-39.4-38.9表6 公式（3）中的系数取值表2SOTd1 d2 0 F14bit0.010.01812bit0.040.072本系统SHT11供电电源为
21、5V，配置为14位模式。在系统上电之后，软件部分需要延时1lms才能对SHT11进行读写操作。3.1.3 HL-DQ1气压传感器气压传感器的工作原理：气压传感器主要的传感元件是一个对压强敏感的薄膜，它连接了一个柔性电阻器。当被测气体的压强降低或升高时，这个薄膜变形，该电阻器的阻值将会改变。电阻器的阻值发生变化。从传感元件取得0-5V的信号电压，经过A/D转换由数据采集器接受，然后数据采集器以适当的形式把结果传送给计算机。本设计采HL-DQ1气压传感器，如图8示。图8 HL-DQ1气压传感器该传感器采用进口高精度压力芯片，测量精度高、稳定性好。精密信号处理电路可根据用户的不同需求将大气压力转换为
22、电压或电流等其它输出信号。具有体积小巧，性能可靠，精度高，负载能力强，传输距离长，抗干扰能力强等特点。可广泛用于气象、海洋、环境、机场、港口、实验室、工农业及交通等领域。该产品特点：(1)线性模拟信号输出(2)故障率小(3)功耗低、响应速度快(4)连接简便、体积小巧(5)性价比高，专业级大气压力，应用范围各类自动气象站的大气压力专业量 其主要参数指标如表7所示。 表7 HL-DQ1气压传感器的参数指标测量范围5001060hPa输出频率/电压/智能分辨率 0.1hPa准确度0.5hPa量程0110Kpa供电电源1232VDC（通常24VDC）输出形式a:0-5VDC;b:420mA;c:RS2
23、32/RS485网络通讯介质温度-1060 环境温度-1060测量精度0.5非线性0.2F.S迟滞性与可重复性0.2F.S长期稳定性0.1F.S/年 热力零点漂移0.02F.S/响应时间30ms最大工作压力2倍量程电气连接接线端子 测量介质空气3.2信号处理模块由于传感器所采集信号不符合数据采集卡的参数要求，设计中对信号进行放大和滤波处理。信号放大模块：传感器的工作环境往往是较复杂和恶劣的，传感器的两条输出线上经常产生较大的干扰信号(噪声)，特别是共模干扰。而一般运放放大电路对共模干扰信号抑制作用不理想，为此，需要引入另一种形式的放大器，即所谓仪表放大器(或称为测量放大器、仪用放大器、数据放大
24、器)。仪表放大器常采用的形式为3个运算放大器，第一级为两个运算放大器(A1、A2)组成的具有电压负反馈电路，这部分电路具有双端输入、双端输出的特点。第二级为差动放大器(A3)，将双端输入转换为单端输出。美国AD公司的AD521仪表放大器就是采用图9所示的电路形式。为小信号放大和其他数据采集系统设计的高精度仪表放大器，它将3个运算放大器和经激光修正的精密电阻集成在一个单芯片上，保证了增益精度和温度的稳定性。 图9 仪表放大器的电路原理图图9所示电路左半部分(虚框外部)为集成仪表放大器的外接电路，其中4个二极管起电压限幅作用，4个电阻R起限流作用，都是为保护A1、A2两个运算放大器而设计的。此电路
25、的增益由外接电阻决定，由于限流电阻R比、小得多，忽略R不计时，仪表放大器的电压增益为 (4)式中、这些电阻是经过激光修正的，绝对值精度很高，这些电阻的精度和温度稳定性将影响仪表放大器的增益的精度和漂移。外部电阻的精度和温度稳定性对增益的精度和温度稳定性的影响可直接从增益表达式得到。减少外部电阻的阻值可获得较大的增益，但会受到接线电阻的影响，当增益为100或更大时，插座和接线电阻将增加增益误差。信号滤波模块：图 10是一个二阶高通滤波器。图中虚线部分是一个无源二阶高通滤波电路。为了提高它的滤波性能和带负载的能力，将该无源网络接入由运放组成的放大电路中，组成二阶有源 RC 高通滤波器。采用低通滤波
26、电路相同的分析方法，可得高通滤波电路的传输函数为 (5)其中，为中心频率、为电路的增益和为电路的品质因数。该电路的幅频特性如图10所示。图10 二阶高通滤波器及其幅频特性3.3数据采集卡模块Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是一种开放型的通用程序开发系统，具有强大的数据采集、数据处理、数据分析和仪器控制功能。而数据采集的硬件部分的核心是 ( Data Acquisition-DAQ)卡，它和Labview有很好的接口程序，用Labview实现数据采集，就是在Labview中控制各种DAQ卡(或设备)完成特定的功能，这都离不开DA
27、Q驱动程序的支持。可以确定初步的设计思路：传感器把被测量的物理量转换为电量；信号调理电路对传感器转换的电信号进行放大、滤波、隔离等预处理；数据采集卡采集信号调理电路的电压信号，转换成计算机能处理的数字信号；通过数据采集卡驱动程序，将数字信号读入计算机，计算机对信号进行处理，以达到预期的目的。输出模块其中，模块是连接硬件电路与计算机的核心模块，可以将硬件电路的信号采集到计算机。本设计中采用的数据采集卡为M系列的NI PCI6220。如图11所示。图11 NI PCI6220 NI PCI6220的详细参数如表8所示。 表8 NI PCI6220的详细参数通用总线类型PCIOS支持Windows,
28、 实时系统, Linux, Mac OS测量信号类型电压, 数字,频率,正交编码器Labview RT支持是模拟输入通道数16 SE/8 DI采样率250 kS/s是否同步采样否分辨率16 bits最大电压范围-1010 V精度范围3100 V敏感度范围97.6 V最小电压范围-0.20.2 V精度范围112 V敏感度范围5.2 V量程数4板上存储量4095 样本带宽700 kHz模拟输出通道数0电流驱动5 mA数字I/O通道数24 DIO定时方式硬件, 软件逻辑电平TTL最大时钟速率1 MHz最大输入范围05 V最大输出范围05 V输入电流源电流, 漏电流输出电流源电流, 漏电流电流驱动24
29、 mA/448 mA可编程输入滤波器是支持模式I/O是可编程上电状态是输出阻抗0.2 计时器/定时器数目2分辨率32 bits最大信号源频率80 MHz最小输入脉冲宽度12.5 ns逻辑电平TTL 3.4输出模块输出模块是以计算及为硬件核心，以Labview仿真软件为软件核心的模块。由于基于虚拟仪器的系统的判断和显示都是由计算机上的Labview软件程序完成的，所以在这里只对简单的对该模块加以说明。该模块主要在软件设计部分介绍。本设计利用DAQ Assistant将信号从硬件采集到软件程序中，然后由系统软件将信号拆分，以便对压力、瓦斯浓度以及温湿度信号做不同的处理，从而实现对环境参数的采集、显
30、示以及越限报警。如图12所示。DAQ信号信号拆分数据处理数据判断数据显示图12 输出模块框架原理图 4系统的软件设计系统的软件部分是本设计的中心部分。一个好的虚拟仪器系统都是建立在优秀程序之上的。本章将详细的介绍程序的设计和仿真软件的使用。4.1软件设计方法及仿真软件4.1.1软件设计分析 本设计主要是对煤矿安全中的温度、湿度、压力、瓦斯浓度进行监测。各传感器对环境进行测取，测取到的信号经过处理再通过DAQ采集卡采集传送至计算机虚拟仪器软件程序。然后软件程序通过比较测量信号和设定信号，实现对采集到的环境参数进行判断，当环境处于危险状态时，系统报警，提示疏散作业人员，并通过空调、抽送风等方法对环
31、境参数进行改变。还需对采集到的实时数据进行显示、存储、报警历史记录等功能。说以本设计必须包含温度上下限比较程序、湿度上下限比较程序、压力上下限比较程序、瓦斯浓度比较及相关报警电路。4.1.2仿真软件LabviewLabview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是Labview与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而Labview使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。与 C 和
32、BASIC 一样，Labview也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。Labview的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。Labview也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。Labview是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 Labview则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 Labview的程序模块。Labview的特点：尽可能
33、采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。Labview的未来：虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE488 或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。Labview是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。Labview集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、Act
34、iveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为 “G” 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，Labview是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用 Labview，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编译器。像
35、许多重要的软件一样，Labview提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件！现在的图形化主要是上层的系统，国内现在已经开发出图形化的单片机编程系统，不断完善中。4.2系统的软件流程图 通过对系统软件的分析思考得出系统的软件原理框图如图13示。基于虚拟仪器的煤矿安全监控报警及清除信号采集参数显示信号处理信号分离图13 系统软件原理框图4.3子程序及流程图4.3.1温度模块设计过低或过高的环境温度都会对矿井下的工作人员的身体健康造成伤害，所以我们编写的
36、温度控制程序必须包括当前温度和所设置的上下限温度比较，同时必须有自动报警功能。当前温度的显示也是必须实现的。设计做出温度程序的功能框图，如图14所示。温度程序温度上限设置设置温度下限设置温度下限报警温度上限报警温度显示 图14 温度程序所实现的功能框图根据图14所实现的模块，编写设计的程序如图15示。 图15 温度程序的程序框图分离出的信号，经过加强、放大处理，得到所需数据，然后显示并与所设置的温度上下限进行比较，并提示当前情况。在这里我们还对过去24小时温度平均值进行了显示，程序如图16所示。图16 过去24小时温度平均值程序框图 为了便于数据的观察，应当将说有温度显示板块放到同一区域。所以
37、子程序的设计中将上述两个子程序的前面板调整到了一起，如图17所示。图17 温度程序的前面板4.3.2瓦斯浓度模块设计矿井下最大的危害莫过于瓦斯，瓦斯不仅对人的身体健康有害，并且当瓦斯浓度过高时会产生爆炸。所以我们必须对瓦斯浓度进行监控。因为在矿井下，瓦斯浓度越低越好。所以子程序只需对当前浓度和设置浓度进行比较，并提示报警。同样设计中也给出了当前浓度的显示。浓度程序实现的功能如图18示。 瓦斯浓度程序瓦斯浓度显示浓度上限设置浓度上限报警 图18 瓦斯浓度监控的功能框图据以上功能的实现，所编写的瓦斯浓度程序如图19所示。 图19 瓦斯浓度监控程序瓦斯浓度控制程序的前面板如图20所示。图20瓦斯浓度
38、控制程序的前面板4.3.3湿度模块设计 环境湿度情况是影响人身体健康安全的一个重要因素，只有在合适的湿度条件下，人们才能更好的工作。湿度不仅与健康机密相连，而且当湿度过高时会加快井下设备的腐蚀。这里我们主要实现湿度的显示，设置及报警提示功能。湿度程序所应实行的功能如图21所示。湿度监控程序下限提示报警上限提示报警湿度显示湿度下限设置湿度上限设置 图21 湿度监控程序所实现功能框图据以上功能，设计的湿度监控程序如图22所示。 图22 湿度监控程序框图 湿度监控程序的前面板如图23所示。图23 湿度监控程序前面板4.3.4压力模块设计人每时每刻都处于大气中，合适的大气压力使人们感到舒适。当大气压力
39、过高时，人的身体会感觉到沉闷，紧张。当大气压力过低时，会感到呼吸困难。这里编写一个压力上下限设置、显示及过限提示报警的程序。程序所实现的功能如图24示。压力监控程序下限提示报警上限提示报警压力显示压力下限设置压力上限设置 图24 压力监控程序所实现的功能框图据以上的功能，编写的程序如图25所示。 图25 压力监控程序框图压力监控程序的前版面如图26示。 图26 压力监控程序的前面板4.4系统的总程序图基于虚拟仪器的煤矿安全监控系统可以看作是采集模块、数据处理模块、数据判断显示报警模块、报警历史清除模块的有机结合。也就是说，该系统可以实现这些模块所能实现的所有功能，必将这些功能组合在了一起。在熟
40、悉前几章的准备工作后，就可以着手设计该系统。首先，先利用数据采集卡功能实现采集相互转换，然后就是核心程序，利用DAQ实现数据的采集，再利用各个子程序实现报警。最后实现全部功能的程序框图如图27所示。 图27 系统的总程序框图总程序对应的前面板如图28示。 图28 系统的总前面板该系统集合了采集模块、数据处理模块、数据判断显示三个模块的所有功能，可以实现系统温湿度、压力、瓦斯浓度采集、报警等监控系统所有的功能。5系统的调试及仿真5.1程序的运行当编写完成一个虚拟仪器VI程序后，若想检验程序是否正确，在前面板和程序框图工具条上找到运行按钮，单击该按钮运行，使程序运行一次，程序运行后该按钮变成形状。
41、如果想让程序连续运行，单击连续运行按钮，程序即可连续运行。停止按钮用于在程序运行中非正常的停止程序运行，在程序运行后该按钮由暗变亮。暂停按钮用于在程序运行时让程序暂停，单击该按钮，程序暂停，停止当前执行到的地方，停止单击，程序继续运行。5.2程序调试技术1.找出语法错误 若一个VI程序不能执行，运行按钮会变成一个折断的箭头，这表示该VI存在错误。单击该折断的箭头或使用菜单命令Windows-Show Error List，则LabVIEW弹出错误清单窗口，双击其中任何一个列出的错误，则出错的对象或端口都就会变成高亮。2.设置程序高亮度运行单击程序框图工具条上的高亮执行按钮，则它变成高亮的形式，
42、单机运行按钮，VI程序就以较慢的速度运行，并在程序运行中用气泡显示数据沿着连线从一个节点流向另一个节点的情况。这样就可以根据数据的流动状态跟踪程序的执行，再次按下高亮执行按钮，程序回复正常运行。3.单步执行为查找程序中的逻辑错误，可以让程序框图一个节点一个节点地执行，这就是单步执行。单击工具条的单步执行按钮或，激活单步执行，闪烁的节点表示该节点准备执行。激活单步执行后，按钮称作单步进入，按钮乘坐单步跨越。再次按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行节点变为闪烁。单击按钮，结束正在执行的节点。4.断点断点工具用于使程序在某处暂停执行，以便使用探针或单步方式观察中间结果。用该工具单击希望设置或清除断点的地方，则断点被设置或清除。断点的显示对于节点或者图框表示为红框，对于连线表示为红点。当VI程序运行到断点处，程序被暂停在将要执行的节点处，以闪烁表示。按下单步按钮，进入单步状态。5.探针探针工具用于程序执行时显示流经某一连接线的数据值。用该工具单击希望放置探针的连接线，这时会弹出一个探针显示窗口。通过该窗口，观察流过数据的详细信息。探针结合高亮执行、单步执行和断点等工具可以使程序调试相当迅速、有效。5.3系统的运行1.硬件设置采用DAQmx采集卡。
