井下便携式多参数检测仪数据处理及实现方法研究

论文摘要

从目前经济的发展形式来看，煤炭的需求量持续增加，对煤炭工业的安全生产要求也在不断提高，而矿井下环境复杂且极其不稳定、安全事故频频发生，这无疑对安全生产提出了更大的挑战，对煤矿下多参数检测仪的研究，可以对矿井下的实时环境进行监控，提前做出反应，并及时告知相关的工作人员，做到防患于未然，降低事故的发生率，使生产更加安全。在此背景下，本课题提出了一种以FPGA为核心芯片、加上外围的气体传感器、A/D转换器等构成的多参数检测仪，并对其中多种数据的处理方法进行了研究，包括信号采集理论、环境对于气体浓度的补偿、爆炸三角形对于报警判断的应用，同时对主要器件的选型、器件结构和时序过程进行了相关介绍。系统的总体设计分为三个部分，首先是数据的前端采集，使用相关传感器把采集到的气体浓度，环境温湿度转化成电信号，通过调理电路和A/D转换变成主芯片内部能够处理的数字信号；然后是数据的处理部分，由前端采集到的信号在FPGA内对气体浓度进行温湿度补偿算法的处理及缓冲存储处理，其中缓存部分用的双口RAM通过调用内部的IP核实现，并且使用两个缓冲模块的乒乓操作，保证数据的无缝传输；最后是数据的后端处理模块，包括用LCD液晶显示测量的数据结果和超过阈值后的声光报警。这几部分的实现都是通过软件编程对时序逻辑进行控制来完成的，FPGA是整个系统的时序控制中心，它产生不同的时钟信号，保证各模块的正常运行，并且通过时序控制A/D转换器实现多通道的采样和LCD的液晶显示功能。本文主要完成了数据采集、存储和显示等模块的设计和软件编程实现，并对其中的模块进行功能仿真，验证功能符合系统要求。因为是便携式的检测仪，所以在器件的选型上特别注意低功耗设计，本课题中还引入了温湿度的补偿算法，能够随时感知并且调整对于检测结果的影响，使检测仪器更加智能化，把多参数数据采集用到煤矿井下环境监测是本课题的主要特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 气体检测仪的国内外研究现状和发展趋势
• 1.2.1 检测仪器的发展
• 1.2.2 智能化检测仪的研究现状及发展趋势
• 1.3 论文的主要研究内容及组织结构
• 2 相关技术与算法研究
• 2.1 FPGA 技术
• 2.1.1 FPGA 的基本结构
• 2.1.2 FPGA 的开发工具概述
• 2.1.3 FPGA 的开发设计流程
• 2.2 数据采集技术及算法研究
• 2.2.1 信号采样理论
• 2.2.2 检测信号的调理
• 2.2.3. 温湿度补偿算法
• 2.3 爆炸三角形理论
• 2.4 本章小结
• 3 检测仪数据采集与处理的系统设计
• 3.1 系统的总体设计
• 3.1.1 系统的性能指标
• 3.1.2 主控芯片的选型
• 3.1.3 前端传感器的选型
• 3.2 A/D 采样控制模块的设计
• 3.2.1 A/D 转换技术
• 3.2.2 A/D 转换的设计
• 3.3 数据处理模块的设计
• 3.3.1 数据缓存的方案设计
• 3.3.2 数据流的乒乓操作
• 3.4 显示及声光报警模块
• 3.4.1 LCD 模块的设计
• 3.4.2 声光报警模块
• 3.5 本章小结
• 4 检测仪数据处理系统的软件设计
• 4.1 系统软件的总体设计方案
• 4.2 控制模块的软件设计
• 4.2.1 时钟控制子程序
• 4.2.2 按键中断控制子程序
• 4.3 数据采集模块的软件设计
• 4.4 数据处理模块的软件设计
• 4.4.1 温湿度补偿算法
• 4.4.3 双口 RAM 缓冲存储设计
• 4.5 LCD 显示模块的软件设计
• 4.6 报警模块的软件设计
• 4.7 FPGA 软件设计的原则
• 4.8 本章小结
• 5 全文的总结和后期展望
• 5.1 全文工作总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表文章
• 致谢