【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
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。
2.系统总体设计
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1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100mA，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USB2.0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[7-8]
3.2 USB模块电路的设计
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。PRTR5V0U2X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公司的Cortex-M3内核处理器LPC1766，开发平台选用功能较为强大的Keil for ARM MDK380。系统软件流程图如图5所示。
4.1 开关量采集程序设计
为了减少技术人员对数据进行分析时的工作量和难度，笔者在这部分软件中添加了开关量顺序预设功能。用户可以根据现场的控制工艺，对正确的开关量执行流程进行预设，系统在运行时可以将这个预设逻辑作为判断故障的条件，只有在故障出现时，系统会记录当前的开关量顺序和关联的总线数据。这种预置判断条件的方法，可以很大程度上减少技术人员分析数据的时间和难度，提高了故障查找的效率，在部分场合可以充当逻辑分析仪的作用。
4.2 频率量采集程序设计
频率的采集主要有两种方式：一种方式是使用定时器的捕捉功能来采集信号的单个周期；另一种方式是开通一个定时器和一个计数器，定时器确定计数总时间，计数器用来在计数周期内不断的累计电平变化的次数，通过求均值，可以得到一个比较稳定的频率。
在本系统中有两路频率采集接口，分别用了以上两种采集方式。第一种方式采集精度很高，但是对频率较低的信号处理周期会比较长，占用系统时间较多；第二种方式对连续的频率信号采集的比较准确，而且不浪费系统时间，因此应用比较广泛。实践证明，第二种采集方式更实用一些。
4.3 模拟量采集程序设计
设计这部分模拟量信号采集程序时，对模拟量进行连续9次的采样，其中放弃第一次采集到的数据，保存剩余8组数据，并对其求均值，这种滤波方法可以保证较快的更新时间和较高的准确度。在信号采集的同时，可以将当前的电压、电流的数值显示到装置自带的液晶显示屏上，用户可以直观的看到当前被测节点的模拟量值。
这种应用方案在电控系统的传感器端非常实用，传感器一般都放置在距离集控中心较远的位置，如果装置安装在传感器端，用户就可以直接在现场观察到相关环境参数。同时，传感器输出的信号很可能在传输过程中有所衰减，通过在传感器端直接观察信号参数，然后和集控端采集到的参数对比，可以更加清楚的了解信号的误差。
4.4 CAN总线数据采集程序设计
4.5 USB数据存储模块程序设计
USB设备到主机连接可以被分为三个逻辑层：功能层、USB设备层和USB总线接口层[1]，且每一层都由主机和USB设备的不同功能模块组成，如图6所示。这种分层结构简化了USB通信机制，有利于用户理解软硬件和USB设备之间的通信关系。
要实现和一个USB设备通信，需要完成以下4个步骤：主机初始化，枚举USB设备，大容量存储设备的初始化，文件系统的初始化。下面就针对这三个步骤，对USB存储模块程序设计做简要的介绍。
4.5.1 主机控制器初始化
4.5.2 枚举USB设备
USB设备的枚举可以说是在整个USB设备通信过程中最重要的一步，也是MCU和USB主机控制器交换数据最直接的部分。具体的枚举过程如图8所示。
USB的枚举过程可以形象的认为是两个对象之间问答式的交流过程，但是第一个问题都是由主机提出来的，设备只负责回答主机的问题[2]。首先，主机要询问设备的前八位内容，在设备告诉主机相关信息之后，主机就会给设备设置一个唯一的设备地址，即交流通道，以后的通信都使用这个设备独有的地址，设置成功以后，主机会再次读取该设备的所有描述符，在对设备有足够的了解之后，主机会向设备索要具体的配置数据，然后对设备进行重新配置，在成功配置结束后，枚举过程就可以认为结束了。
4.5.3 初始化大容量存储设备
大容量存储设备的初始化可以认为是在选择了USB协议中批量传输方式的基础上构建一个中间层的数据交换平台[3]，是指令系统的一个升级，初始化完大容量存储设备后，主机和设备之间就可以在较高的层次上进行数据交换，而且交换的内容更加直观。初始化大容量存储设备过程流程如图9所示。
4.5.4 初始化文件系统
植入文件系统的目的是为了使写入USB设备的内容能够在PC上直观的读取，保持和PC的兼容性，这样就不需要使用MCU将数据读出来，然后通过其他方式再将数据传输给PC。因此，在微控制器中植入了FAT32文件系统，装置采集到的数据以TXT文件形式存储在U盘中，并且以故障发生的时间对文件进行命名，技术人员在查看历史数据时就会一目了然，减少了很多数据筛选的时间。文件系统初始化流程如图10所示。
初始化完文件系统以后，就可以调用顶层的函数来实现对USB设备的读、写、复制、粘贴等操作了。
5.结语
该数据记录装置不仅具有简单的逻辑分析功能，还可以对现场的模拟量数据进行实时采集和显示，更突出的优点是它可以代替工作人员对电控系统进行长时间的故障监测和记录。有针对性的数据筛选记录方式和更加便捷、高速的数据读取方式可以大量缩短工作人员的故障排查时间，提高了生产效率。
参考文献
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