设备故障数据记录装置的设计与实现

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设备故障数据记录装置的设计与实现　

山东丰源北徐楼煤矿潘守国　孙利　

【摘要】提出了一种适用于煤矿井下的设备故障数据记录装置的设计方案，详细描述了该数据记录装置的工作原理、硬件电路设计以及软件设计的细节。装置以ｕ盘　

作为存贮载体，植入ＦＡＴ３２文件系统，成倍的提高了数据的存储容量和存取速度，降低了故障排查的难度，提高了故障处理的效率。　

【关键词】数据记录；矿井；ＣＡＮ；ＵＳＢ；文件系统；故障处理　

Ｄ　ｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｆ　ａｕｌｔ　Ｄ　ａｔａ　Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ　Ｄ　ｅｖｉｃｅ　ａｎｄ　

Ｉｔｓ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｓｕｂｊｅｃｔｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ　ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆｍｉｎｅ—ｕｓｅｄ　ｓｙｓｔｅｍｆａｕｌｔｄａｔａ　ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ，ｄｅｓｃｒｉｂｅｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆｔｈｅ　

ｄａｔａ　ｒｅｃｏｒｄｉｎｇｄｅｖｉｃｅｉｎｄｅｔａｉｌｓＴｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｕｓｅＵｄｉｓｋ　ａｓ　ａ　ｓｔｏｒａｇｅｍｅｄｉｕｍ，ａｎｄｉｍｐｌａｎｔｓＦＡＴ３２ｆｉｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅｄａｔａ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｃａｐａｄｔｙａｎｄ　ａｃｃｅｓｓ　ｓｐｅｅｄｍｕｌ￣＃ｅｄ，　

ｒｅｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ　ｏｆ　ｔｒｏｕｂｌｅｓｈｏｏｔｉｎｇ，ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｈａｎｄｌｉｎｇ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄａｔａ　ｒｅｃｏｒｄ；ｍｉｎｅ；ＣＡＮ；ＵＳＢ；ｆｉｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ；ｆａｕｌｔｈａｎｄｌｉｎｇ　

１．引言　

随着煤矿自动化系统的不断发展，煤　

矿井下的电气设备越来越多，复杂程度不　

断加大，设备之间的干扰也越来越大。监　

测监控设备的数据采集端口不可避免地会　受到干扰信号的影响，严重的情况下会导　

致采集到的信号不定期的出现异常数据，　

由于干扰信号的不确定性，采用一般的技　

术手段很难查找出具体的原因，故障很难　判断，影响设备的正常运行。　

实践证明，对历史数据进行分析是故　

障诊断比较有效的方法。另一方面，有时　

需对关键接口的所采集的数据进行趋势分　

析，以便作出相应处理对策。这些都离不　

开数据源的支持。对于不能联网将实时数　

据上传至地面的设备，可将采集到的数据　

存储到数据记录装置中，记录装置作为数　

据的中间载体，利用其便携性的特点，把　记录装置拿到地面以后，再将数据传送到　

Ｐｃ机上，利用Ｐｃ机的强大功能对采集到的　

数据进行分析处理，找出问题的所在。　

本文就针对该问题，设计了一种数　

据记录装置，提出了一种以Ｕ盘作为存贮　

载体，以ＵＳＢ　２．０协议栈为基础，进行数　

据连续采样存贮，到地面再进行历史数据　

分析的方法，便于现场疑难问题的快速诊　

断。　

第四步：全部的时钟周期数等于ｎ，　

输出寄存器存储的内容就是码字多项式　

ｘｎ　ｋｍ（ｘ）＋Ｐ（Ｘ），其中，Ｐ（ｘ）和Ｉｌｌ（ｘ）分别表　

示监督码元的消息码元的多项式形式。　

３．２　ＢＣＨ编码器的实现代码　

根据以上思路，ＢＣＨ（１５，ｌ１）编码器源　

代码如下。其中输入和输出码元均采用串　

行方式。主要ＶＨＤＬ源代码如下所示：　

一１３０一屯子世界／２０１３．０４／　ｃｏｕｎｔ＜＝ｃｏｕｎｔ＋ｌ：　

ｉｆ（ｃｏｕｎｔ＝ｌ１）ｔｈｅｎ　

ｓｔａｔｅ＜＝ｓｈｉｆｔ；　

ｅｎｄ　ｉｆ；　

ｅｎｄ　ｉｆ：　

ｅｎｄ　ｉｆ：　

ｅｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ；　

４．设计结果仿真与分析　本系统设计的是ＢＣＨ（１　５，ｌ１）码编　

码器，假设输入的１１位二进制数是１０００　

１００１１１ｌ，编译后的ＢＣＨ（１５，１１）码是１０００　

１００１１１ｎ１００，ＢＣＨ（１５，１１）码制能纠错１　

位。　

本系统的软件设计、仿真在ａｌｔｅｒａ　

公司的ＱｕａｒｔｕＳ　ＩＩ上运行通过，功能仿　

真如图２所示。Ｔ（ｘ）＝１０００ｉＯ０１１１１１ｌ　０Ｏ　

根据ＢＣＨ编码原理得到Ｔ（ｘ）＝Ｘ　ｍ（ｘ）　

＋ｒ（ｘ）：１ｏＯＯｌＯ０１１ｌ１ＯＯ０Ｏ＋ｌ１００，所以编译后的　

ＢＣＨ（１５，１１）码是１０００１００１ｉｉｉｉ１１００，与仿真　

波形一样，验证了该ＢＣＨ编码设计正确。　

５．结语　

本文阐述了ＢＣＨ编码器的工作原理，　

利用ＦＰＧＡ器件，设计出了ＢＣＨ（１５，１１）　

编码器。仿真结果表明，达到了预期的设　

计要求，并用于实际项目中。　

参考文献　

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版社，２００２，５．　『２＿段吉海，黄智伟．基于ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ数字通信系统建　

模与设计【ＭＪ．北京：电子工业出版社，２００４，３　

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学出版社，２００３，５　

【５】樊昌信，曹丽娜．通信原理（第６版）【Ｍ］．北京：国防工　

业出版社，２００９，２：３２７—３４８．　

【６］李洪国，沈明山可编程器件ＥＤＡ技术与实践【Ｍ】．北　

京：机械工业出版社，２０００，１２．　

王新梅，肖国镇．纠错码一原理与方法＿Ｍｌ西安：西安　

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ｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｄｉｆｆＣＤＭＡ．ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｓｈａｐｉｎｇ　

Ｗａｌｓｈ，ＤＳ／ＳＳ　ｃｏｄｅ．ＩＳＳＳＥ　０１　Ｐｒｏｃ．ＴｏｋｙｏｄａｐａｎＪｕｌｙ　２００１．　

［９］Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｋｅａｆｉｎｇ，Ｐｉｅｒｒｅ　Ｂｆｉｃａｕｄ．Ｒｅｕｓｅ　Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　

Ｍａｎｕａｌ　ｆｏｒ　Ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ—ａ—Ｃｈｉｐ．Ｄｅｓｉｇｎｓ，Ｂａｋｅｒ＆Ｔａｙｌｏｒ　

Ｂｏｏｋｓ，２００２．６．　

基金项目：湖北省教育厅科技计划项目（８２０１２　１８０３）。　

作者简介：　

肖娟（１９７５－－），女，湖南常宁人，硕士，讲师，现　

供职于武汉工业学院金银湖校区电气与电子工程学　

院，主要研究方向：信息传输与处理、网络安全。　

伍娟（１９７９一），女，硕士，工程师，现供职于武　

汉天喻信息产业股份有限公司研发中心，主要研究　

方向：智能卡操作系统、网络安全。　；

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　………．　…一点　………一　

图２　ＣＡＮ驱动器隔离模块　

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图３　ＣＡＮ驱动器驱动电路　

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遵八井帆ｌ憎谰　Ｄｄ４　３ｌ　图４　ＵＳＢ驱动电路原理图　

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图５系统软件流程图　主机　互连　ＵＳＢ　备　‘　‘　…………………………．鳗　廛　一Ｉ　

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瓣　ｕｓ８总线接邮ｌ　ＵＳＢ总线　ｌ　嚣　Ｉ’　ｉ　接口　

．一—＋实际逋信流　．－一－－逻辑通信流　

图６　ＵＳＢ系统的分层　

图７　ＵＳＢ主机控制器初始化流程图　

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设徽置捕琏符＞～　＼一／　口　

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图８　ＵＳＢ枚举流程　

图９初始化大容量存　储设备流程　图１０文件系统初始化　流程图　２．系统总体设计　

数据记录装置主要由有源开关量采集　

电路、频率采集电路，模拟量采集电路，　

ＣＡＮ总线数据采集电路，数据处理电路　

（微控制器）以及信息显示电路组成，装　

置的总体功能框图如图１所示。　

便携式数据记录装置的主要功能：　

装置以Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３内核处理器ＬＰＣ１７６６作为　

控制核心，可以同时采集４路直流电压信　

号、４路直流电流信号、８路有源开关量信　

号、２路频率信号以及ｌ路ＣＡＮ总线数据，　

对电压、电流和频率信号进行现场实时显　

示、更新和存储，将采集到的ＣＡＮ总线数　

据以及开关量的动作顺序以批量传输的方　

式及时存入Ｕ盘中。　

装置采用１２Ｖ矿用本安电源供电，在　

硬件上做限流处理，控制装置本身电流不　

超过ｌＯＯｍＡ，可以在不影响系统正常工作　

的情况下很方便的挂接到监测监控系统　

当中；采用ｕ盘作为存储载体，可以存储　

１６ＧＢ甚至更多的数据：以ＵＳＢ２．Ｏ协议栈为　

基础，可以高速的存取数据，而且在ＰＣ上　

读取数据时不需要额外电路和专用驱动，　方便而且实用。　

３．系统硬件设计方案　

考虑到系统在恶劣环境下的抗干扰性　

要求，在硬件电路设计时，对各种基本信　

号量均进行了电气隔离，以确保系统能够　

满足在特殊场合的应用要求（开关量和模　

拟量信号处理电路较为简单，本文不做深　

入介绍和研究）。　

３．１　ＣＡＮ驱动电路的设计　

为了减小装置的体积，提高稳定性，　

笔者选择了内部已经集成ＣＡＮ￣Ｉ器的ＭＣＵ，　

因此，在这部分只需要设计ｃＡＮ驱动电路，　

系统便可作为一个ＣＡＮ节点接入到ｃＡＮ总线中　

去。ｃＡＮ驱动电路如图２和图３所示。　

为了保证装置的稳定性和抗干扰性，　

在硬件设计时加入了总线隔离电路和脉冲　

电压抑制电路。ＡＤＵＭ１２０１是一款工业级的　

双路磁隔离芯片，这种磁耦隔离技术的隔　

离效果要比光耦好很多；在总线部分加入　

了共模抑制电感和ＴＶｓ管，有效的消除了　

共模干扰和瞬态高电压；同时在总线上串　

入两颗５．１　Ｑ的电阻，可以防止设备本身　

的故障导致系统总线瘫痪。　

３．２　ＵＳＢ模块电路的设计　

ＵＳＢ驱动模块电路在本装置中是最重　

要、最核心的一个模块。ＵＳＢ主机控制器　

电路如图４所示　。　

对于ＵＳＢ主机控制器来说，最主要　的是做好总线上电源信号的管理，因此　

在硬件设计时加入了一款ＵＳＢ电源管理芯　

片ＳＰ２５２６，同时在数据线上串入很小的　

电阻防止总线短路影响系统的稳定性。　

ＰＲＴＲ５ＶＯＵ２Ｘ并联在信号线上，可以有效的　

吸收ＵＳＢ设备热插拔时产生的瞬态高压，　

保证了系统的本安性能。　

４．系统软件设计方案　

本系统使用的控制芯片是ＮＸＰ公司　

／２０１３０４／电子世界一１３１一　巷　

一　《　搿一　

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