串口-以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換設(shè)計在礦山監(jiān)控中的應(yīng)用

梁金蕊

（陽煤一礦機電工區(qū) 信息中心，山西 陽泉 045000）

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)有的井下安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)已無法適應(yīng)礦井信息技術(shù)發(fā)展的需要。2017年4月份召開的有關(guān)煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)更新升級的會議，出臺了《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》，明確指出：未來煤礦礦井中的分站至主干網(wǎng)之間宜采用工業(yè)以太網(wǎng)，同時提出了對各個礦井井下工作環(huán)境接入以太網(wǎng)的設(shè)計要求。經(jīng)過對現(xiàn)有應(yīng)用及功能的分析目前采用的現(xiàn)存的串口數(shù)據(jù)直接加入TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)傳輸，從而實現(xiàn)對井下信息的及時有效的獲取。通過該設(shè)計方案可對目前已有的設(shè)施進行有效利用，縮短網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)帶來的時間及成本消耗。因此文中的重點是完成對串口-以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)下圖1中所顯示的內(nèi)容可知軟件設(shè)計的核心為串口-以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，通過串行數(shù)據(jù)鏈路的方式實現(xiàn)其與煤礦井下所鋪設(shè)的以太網(wǎng)設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。系統(tǒng)設(shè)計中所包含的硬件部分有主控制器、串口數(shù)據(jù)接口、以太網(wǎng)物理層收發(fā)器、電源及系統(tǒng)隔離設(shè)計等。系統(tǒng)設(shè)計中所包含的軟件部分有對以太網(wǎng)物理層程序的功能設(shè)計、TCP/IP協(xié)議的在系統(tǒng)的加入、串口通信交互數(shù)據(jù)處理的程序設(shè)計及系統(tǒng)的應(yīng)用層功能的設(shè)計。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖

2 主要硬件設(shè)計

2.1 主控制器設(shè)計

文中使用的主控制器所采用的是TI公司所生產(chǎn)的MSP430F149處理器，該處理器具有功耗低且通過精簡指令集實現(xiàn)功能程序的設(shè)計，另外通過對EEPROM的擴展可實現(xiàn)串口與通信網(wǎng)的接口連接及其礦井下網(wǎng)絡(luò)MAC地址、IP地址等資源信息的配置。另外為了在以后生產(chǎn)中在離線的狀態(tài)下對系統(tǒng)固件進行更新升級該系統(tǒng)還額外引出了一個BSL接口以供擴展。

2.2 以太網(wǎng)物理層收發(fā)器設(shè)計

系統(tǒng)中針對以太網(wǎng)中的物理層的收發(fā)設(shè)備的設(shè)計是基于CirrusLogic公司所設(shè)計的CS8900A以太網(wǎng)控制設(shè)備完成功能的實現(xiàn)，該設(shè)備同時具有功耗低且標(biāo)準(zhǔn)采用為IEEE802.3。該設(shè)備可在3.3 V電壓完成電量供電驅(qū)動，同時處理器的電平值相匹配通過RAM設(shè)計完成對接收與發(fā)送兩端的數(shù)據(jù)進行幀緩存。其數(shù)據(jù)的交互是通過與MSP430F149處理器的P5接口連接實現(xiàn)，其地址總線是通過與MSP430F149處理器的P0、P1、P2、P3接口連接實現(xiàn)。另外其IO的輸出與輸入是通過與MSP430F149處理器的P14、P15接口連接實現(xiàn)。CS8900A以太網(wǎng)控制設(shè)備在系統(tǒng)中的設(shè)計見圖2。

圖2 以太網(wǎng)物理層收發(fā)器硬件電路原理

2.3 系統(tǒng)隔離設(shè)計

為了使得系統(tǒng)中的硬件電路設(shè)計具有安全性與隔噪的能力因此加入了隔離電路的設(shè)計，即通過在物理層收發(fā)器硬件及串口轉(zhuǎn)換電路中加入網(wǎng)絡(luò)變壓器H1102設(shè)備從而使得所設(shè)計出的電路具有在數(shù)據(jù)傳輸時能夠有波形修復(fù)、阻抗匹配、抑制干擾及隔離的效果。系統(tǒng)隔離部分的硬件設(shè)計電路見圖3。

圖3 系統(tǒng)隔離的硬件電路原理

3 軟件設(shè)計

3.1 以太網(wǎng)物理層程序設(shè)計

以太網(wǎng)軟件的設(shè)計主要是為實現(xiàn)收發(fā)器能夠進行正常的初始化、數(shù)據(jù)讀寫及其數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。通過Init8900()方法即可完成對處理器及其接口、網(wǎng)絡(luò)MAC地址及其收發(fā)功能、數(shù)據(jù)傳輸校驗和廣播等完成初始化功能。其中對需要接收與發(fā)送的數(shù)據(jù)通過Write8900()與Read8900()方法即可完成。在軟件設(shè)計中首先通過寫入或是存儲的方式進行數(shù)據(jù)的緩存，隨后再通過讀取或是寫入的方式完成整個數(shù)據(jù)讀寫過程。

3.2 TCP/IP協(xié)議程序設(shè)計

TCP/IP協(xié)議在系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中是核心內(nèi)容，通過該協(xié)議內(nèi)容可完成對驅(qū)動程序中數(shù)據(jù)的讀寫與上位機兩者間數(shù)據(jù)的交互。程序初始化中首先是通過定時器設(shè)計完成對TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)幀及其重傳時間進行設(shè)定。另外在程序設(shè)計中還包含有對TCP/IP協(xié)議進行狀態(tài)監(jiān)聽的狀態(tài)機TCPStateMachine設(shè)計，因此在數(shù)據(jù)傳輸之前應(yīng)該先通過相應(yīng)的協(xié)議對狀態(tài)機的狀態(tài)進行監(jiān)聽，其中LISTENING代表狀態(tài)機已經(jīng)初始化完畢并處于偵聽?wèi)B(tài)，ESTABLISHED代表目前狀態(tài)機內(nèi)部存在有有效的連接，數(shù)據(jù)傳輸時完成TCP/IP的三次握手即可正常實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。其中ProcessTCPFrame()與DoNetworkStuff()分別表示用戶向狀態(tài)機進行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

3.3 串口數(shù)據(jù)通信程序設(shè)計

通過中斷的方式完成對數(shù)據(jù)的查詢、接收及其發(fā)送功能。其中接收與發(fā)送的效率可通過在RAM中設(shè)置Txbuffer[]和Rxbuffer[]緩沖數(shù)組的方式進行提高。在讀數(shù)據(jù)的寫入與讀出時可通過指針移動的方式對數(shù)據(jù)傳輸與接收是否完畢進行確認(rèn)。當(dāng)讀寫指針出現(xiàn)重合的情況下即說明當(dāng)前處理已經(jīng)完成，因此在下一階段數(shù)據(jù)處理前需要對緩沖區(qū)進行清空處理避免CPU出現(xiàn)堵塞問題的產(chǎn)生。

4 軟件在煤礦頂板在線監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

文中設(shè)計的煤礦頂板在線監(jiān)測系統(tǒng)，其是一款具有安全性高且應(yīng)用性強的安全監(jiān)測系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)組成主要包含有無線數(shù)字壓力計、數(shù)據(jù)傳輸中繼站及分站、電路電源設(shè)計等。其中無線數(shù)字壓力計通過固定于工作面液壓支架立柱的方式完成對立柱下腔壓力值大小的采集，然后再通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織方式將所感應(yīng)到的值通過中繼站轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳輸至分站。文中通過將串口-以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器以嵌入的方式引到傳輸分站中從而使得無線傳感器設(shè)備能夠完成與串口-以太網(wǎng)間數(shù)據(jù)的傳輸，然后串口轉(zhuǎn)換器再通過外接光纖資源完成與井下工作的信息交互。另外在地面監(jiān)測中的計算機設(shè)備通過光纖收發(fā)裝置實現(xiàn)與井下以太環(huán)網(wǎng)的連接從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時交互作用。系統(tǒng)所設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸分站見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸分站原理框圖

4.1 系統(tǒng)測試和產(chǎn)品應(yīng)用

目前陽煤一礦使用中的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)其組成主要包含有地面監(jiān)測點、與井下網(wǎng)絡(luò)交互的調(diào)制解調(diào)器、井下傳感器及其電源、煤礦生產(chǎn)的電控設(shè)備、KJ2000N監(jiān)測軟件等。其中地面監(jiān)測點的系統(tǒng)環(huán)境為目前主流的Windows 2000 Server，通過該系統(tǒng)環(huán)境大大提高了監(jiān)測軟件在功能上的可靠性與穩(wěn)定性。井下的組成另外包含有報警裝置及遠程斷電控制設(shè)備等。其中放置于井下的分站所處環(huán)境通風(fēng)效果較好，監(jiān)測傳感器所安裝的位置為易聚集沼氣及一氧化碳等危險物質(zhì)的地域，井下任意一臺分站所留有的外接口包含有大量的模擬量接口、開關(guān)量接口及其控制量接口。

圖5 井下分站測控通信

圖6 網(wǎng)絡(luò)傳輸接口裝置

系統(tǒng)通過將串口-以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊以嵌入式的方式引入系統(tǒng)硬件的設(shè)計中從而實現(xiàn)了煤礦頂板在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。隨后通過給系統(tǒng)軟件加入7×108b大小的數(shù)據(jù)進行誤碼率測試的結(jié)果表明系統(tǒng)具有較低的誤碼特性。該實驗的效果見圖7。

圖7 誤碼率測試結(jié)果界面

通過KJ2000N系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、全面地了解井下安全情況和生產(chǎn)情況，實現(xiàn)對災(zāi)害事故的早期預(yù)測和預(yù)報，并能及時的自動處理。生產(chǎn)調(diào)度人員可以掌握井下設(shè)備運行情況，準(zhǔn)確地指揮生產(chǎn)。

5 結(jié)語

將串口通信與TCP/IP協(xié)議進行聯(lián)調(diào)的方式可有效的完成對井下以太網(wǎng)進行監(jiān)測功能的設(shè)計與實現(xiàn)。文中所設(shè)計出的遠程煤礦頂板在線監(jiān)測系統(tǒng)通過在實際礦井中的應(yīng)用表現(xiàn)出了良好的監(jiān)測效果，目前該系統(tǒng)已成果應(yīng)用與山西陽煤一礦生產(chǎn)中體現(xiàn)了較高的穩(wěn)定性。