基于SOPC技术的煤矿瓦斯检测仪的设计和研究

论文摘要

瓦斯爆炸事故在煤矿安全事故占了一大部分,传统的煤矿瓦斯检测仪外围电路多,存在不易扩展,升级困难的缺点。因此将新技术、新方法应用于煤矿瓦斯检测仪中有着重大的现实意义。本文结合工程需要给出了一种全新的煤矿瓦斯检测仪法的设计方法,该方法运用SOPC(可编程的片上系统)技术在FPGA(现场可编程门阵列)芯片上完成,其核心是利用SOPC和IP的优势使用最少的元器件,创建一个易配置、易扩展、易修改并且易于继承使用的集成系统。本文从煤矿瓦斯检测仪的当前技术出发,分析了存在的缺点,并深入的研究了SOPC技术的特点,细致分析了硬件和软件实现的过程。瓦斯传感器将被测瓦斯浓度的物理量转换成电信号,经过模拟信号调理电路的放大调节送入A/D采样器,A/D采样器在A/D控制模块的控制下,将信号采样值转化为数字信号,然后将数据送到FPGA中,NiosⅡ对采集到的瓦斯浓度数据进行处理,并和预先设定的报警阈值进行比较,超出报警阈值则进行声光报警。本文完成了整个系统的设计,并对硬件结构进行了进一步的优化。采用VerilogHDL语言生成A/D控制器和按键处理组件等用户自定义逻辑,充分利用了FPGA芯片的资源,减轻了CPU的负担,加快了运算速度。在Altera的QuartusⅡ软件支持下完成,并给出了仿真结果,并利用NiosⅡIDE进行了软件设计。仿真结果表明,基于SOPC技术的煤矿瓦斯检测仪能够满足瓦斯检测的需要,而且具有更多的优点。由此可见,SOPC技术作为嵌入式系统领域中的一个新的研究热点,可重构功能强,开发周期短,未来必将在现代电子系统设计中占有重要地位。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 概述
• 1.1 课题的背景
• 1.2 煤矿瓦斯检测技术的现状和存在问题
• 1.3 本文采用的基本方法、总体思路和技术方案
• 1.4 论文研究的主要内容及结构安排
• 2 基于SOPC的煤矿瓦斯检测仪的总体设计
• 2.1 煤矿瓦斯检测仪的原理和方法
• 2.2 典型煤矿瓦斯检测仪的设计方案
• 2.3 基于SOPC的煤矿瓦斯检测仪的设计方案
• 2.3.1 SOPC技术
• 2.3.2 NiosⅡ处理器
• 2.3.3 Avalon总线
• 2.3.4 设计方案
• 3 基于SOPC的煤矿瓦斯检测仪的硬件设计
• 3.1 主要元器件介绍
• 3.2 FPGA电路的设计
• 3.2.1 开发工具介绍
• 3.2.2 AD7492控制电路的设计
• 3.2.3 按键处理部分
• 3.2.4 三态总线的复用器
• 3.2.5 锁相环
• 3.2.6 报警声音产生模块
• 3.2.7 NiosⅡ核的生成
• 3.2.8 FPGA电路的生成
• 3.3 FPGA外围电路的设计
• 3.3.1 放大部分电路的原理图
• 3.3.2 AD7492与FPGA的连接
• 3.3.3 LCD模块的连接
• 3.3.4 按键电路的连接
• 3.3.5 报警模块
• 3.3.6 存储电路和显示电路的连接
• 3.3.7 RS232接口电路
• 3.3.8 JTAG接口电路
• 3.3.9 AS接口电路
• 3.3.10 晶振电路
• 3.3.11 电源电路
• 3.4 本章小结
• 4 基于SOPC的煤矿瓦斯检测仪的软件设计
• 4.1 软件开发环境简介
• 4.2 软件总体设计
• 4.3 系统初始化部分设计
• 4.4 数据采集处理部分设计
• 4.5 存储/显示部分设计
• 5 基于SOPC的煤矿瓦斯检测仪的仿真结果及分析
• 5.1 放大部分电路的仿真结果
• 5.2 AD7492控制器模块仿真结果
• 5.3 按键电路仿真结果
• 5.4 结果分析
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录A VerilogHDL程序
• 附录B 原理图
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果