多協(xié)議礦山自動化通信平臺設(shè)計與實現(xiàn)

馬 寧 張光明 王 潤

（1.東北大學(xué)基建管理處，遼寧 沈陽 110819；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100084；3.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司齊大山分公司，遼寧 鞍山 114000）

礦山自動化系統(tǒng)由大量的電氣設(shè)備構(gòu)成，其通信接口各不相同，涉及CAN總線、RS232、RS485、Zig-Bee等多種通信傳輸方式。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，礦山自動化管理和智能化發(fā)展要求越來越高，推動了以太網(wǎng)技術(shù)在礦業(yè)自動控制領(lǐng)域快速發(fā)展。在一些新建礦山自動控制系統(tǒng)中，以太網(wǎng)直接進(jìn)入了控制層［1-4］?？照{(diào)、供水監(jiān)控系統(tǒng)等通過ENC系列網(wǎng)絡(luò)參量集成模塊將現(xiàn)場各種信息集成到以太網(wǎng)上；帶有RS232或RS485接口的系統(tǒng)通過串口服務(wù)器鏈接到以太網(wǎng)和Internet上；礦井使用的IP電話是在工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)的語音應(yīng)用業(yè)務(wù)。然而，在已建成的礦山中，大多數(shù)設(shè)備通常只具備單一的通信接口并按照不同的傳輸協(xié)議輸出數(shù)據(jù)，很難快速接入以太網(wǎng)，在信息融合和綜合處理方面存在極大不便。因此，迫切需要開發(fā)支持多協(xié)議的通信網(wǎng)關(guān)，可同時接入不同協(xié)議類型的傳感器和電氣設(shè)備，通過以太網(wǎng)協(xié)議的形式將多源數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行綜合處理。

本研究基于礦山企業(yè)管理需求，搭建了基于萬兆以太網(wǎng)技術(shù)的高分辨率高幀率圖像文件傳輸通信平臺，將礦山自動化系統(tǒng)中幾種常用的內(nèi)部（I2C/SPI）、系統(tǒng)（ISA/PCI）、外部（USB/RS-232-C）等幾條總線接入到通信平臺中。通信平臺采用ARM嵌入式微處理器，集成了以太網(wǎng)接口、CAN總線接口、RS232接口和圖像顯示終端等，實現(xiàn)了多接口的嵌入式底層驅(qū)動和軟件設(shè)計開發(fā)，嵌入式TCP/IP協(xié)議棧和文件系統(tǒng)移植，研究并實現(xiàn)了JPEG軟件解碼（獲取圖像信息、構(gòu)建解碼碼表、Huffman解碼、反量化等）和幾種總線與以太網(wǎng)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

1 通信平臺系統(tǒng)構(gòu)架實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)方案主要有［5-6］：①微處理器+TCP/IP協(xié)議單片網(wǎng)絡(luò)芯片；②32位微處理器（Microprocessor）+實時操作系統(tǒng)（Real Time Operating System，RTOS）+TCP/IP協(xié)議棧（tcp/ip treaty series）；③專用片上系統(tǒng)；④低檔MCU+精簡TCP/IP協(xié)議等。本研究采用方案②進(jìn)行實現(xiàn)，較其他方案技術(shù)上比較成熟，且開發(fā)成本不高，是一種可行的嵌入式Internet解決方案。通信平臺主要由圖像顯示終端、STM32微控制器、以太網(wǎng)驅(qū)動電源等多個模塊組成（圖1），融合了TCP/IP技術(shù)、圖像處理、嵌入式系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N技術(shù)，其功能包括數(shù)據(jù)存儲、傳輸、轉(zhuǎn)換以及圖像文件顯示。

1.2 微控制器選型

礦山生產(chǎn)工藝復(fù)雜、數(shù)據(jù)量巨大，一方面，對主控芯片的數(shù)據(jù)處理能力和傳輸能力有較高要求；另一方面，系統(tǒng)應(yīng)盡量具有豐富的外設(shè)接口和較低的功耗特點(diǎn)。為此，本研究主控芯片選擇STM32系列微控制器的32位STM32F107VCT6。

STM32F107 的 主要特性為［7-8］：32位的 ARM CPU，主頻72 MHz，具備256 kB閃存程序存儲器；電源供電電壓為2.0～3.6 V，具有上電/斷電復(fù)位（POR/PDR）、可編程電壓監(jiān)測器和掉電監(jiān)測器，能夠在電源異常時使系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常運(yùn)行。該處理器內(nèi)嵌8 MHz高速晶體振蕩器，使用32 kHz晶體的RTC振蕩器，具有睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式。同時，還擁有80個快速I/O口，6路PWM輸出、4個用于輸入捕獲/輸出比較的通道、邊緣/中間對齊波形和緊急制動、死區(qū)控制、4個同步的獨(dú)立和窗口型定時器。在通信接口方面，STM32F107具備CAN接口、3個USART、10/100以太網(wǎng)MAC、3個SPI USB 2.0接口。

STM32F107芯片上集成的以太網(wǎng)媒體訪問控制子層協(xié)議（MAC，Media Access Control）支持媒體獨(dú)立接口（MII，Media Independent Interface）和簡化媒體獨(dú)立接口（RMII，Reduced Media Independent Interface）。組建一個完整的以太網(wǎng)功能僅需外接PHY芯片，適合于小型的多協(xié)議通信控制器。

1.3 系統(tǒng)硬件電路

1.3.1 電源、復(fù)位和時鐘電路

通信平臺總的電源輸入是來自AC/DC適配器（外置電源）提供的外部直流5 V電源。為了提高電源部分的穩(wěn)定性，設(shè)計時采用了降低噪聲、防止干擾等技術(shù)措施。將5 V直流電源接入平臺后，使用瞬態(tài)k9（瞬變）電壓抑制二級管，然后經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波和降噪處理，以供LCD的圖像顯示終端。由于系統(tǒng)中多數(shù)芯片采用了3.3 V電壓，所以使用了一款LDO提供5.0～3.3 V的電源轉(zhuǎn)換，電流最大可達(dá)1.2 A。

通信平臺上系統(tǒng)復(fù)位主要包括外部復(fù)位和軟件復(fù)位。本研究采取RC復(fù)位電路，低電平持續(xù)時間由RC的時間常數(shù)決定。微控制器的內(nèi)部時鐘最大只能達(dá)到36 MHz且精度較差，因此采用外接25 MHz晶體振蕩器，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的主時鐘。

1.3.2 通信協(xié)議接口設(shè)計

系統(tǒng)提供以太網(wǎng)、CAN和RS485/232等4種通訊方式。為了方便系統(tǒng)調(diào)試，提供RS232串行通訊與PC機(jī)建立數(shù)據(jù)連接，可以支持技術(shù)人員使用便攜式計算機(jī)或PC機(jī)觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。通過RS232-485轉(zhuǎn)換器，可以實現(xiàn)礦山自動化系統(tǒng)設(shè)備接入。硬件連接采用MAX2232芯片進(jìn)行TTL/RS232電平轉(zhuǎn)換。STM32微控制器具有內(nèi)置CAN控制器，本研究采用3.3V CAN總線收發(fā)器SN65HVD230，具有差分收發(fā)能力，通信速率最高可達(dá)1 MB/s，選擇端口RS為低電平，使收發(fā)器工作在高速模式。

STM32F107內(nèi)部含有MAC控制器，只需要外接PHY芯片和RJ45接口就能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)通信的物理要求。PHY芯片采用的是美國國家半導(dǎo)體的DP83848C 10/100Mb/s單路物理層器件，屬于低功耗器件（3.3V），滿足MII/RMII/SNI接口需求以及IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。RJ45接口帶有網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，既可以使PHY和網(wǎng)線之間沒有物理上的連接，傳遞信號的同時隔斷信號中的直流分量，還可以在不同電平的裝置中傳送數(shù)據(jù)信息。

1.3.3 圖像顯示設(shè)計

圖像顯示終端采用TFT-LCD作為顯示器件，像素為240×320 RGB。設(shè)計系統(tǒng)接口用于讀/寫圖像存儲器GRAM和控制寄存器，編寫RGB輸入接口來顯示動態(tài)圖像；根據(jù)硬件資源特點(diǎn)采用并行口、串行外設(shè)接口等方式來顯示高效率數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵o態(tài)或動態(tài)圖像。系統(tǒng)設(shè)計采用串行外設(shè)接口模式來驅(qū)動薄膜晶體管液晶顯示器。選用SD卡作為數(shù)據(jù)存儲器件以便后期進(jìn)行系統(tǒng)升級。受通信平臺空間限制，采用了Micro SD。Micro SD接口模式采用了SPI模式。

2 以太網(wǎng)通信實現(xiàn)

2.1 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧

TCP/IP協(xié)議是一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，對網(wǎng)絡(luò)上的所有通信設(shè)備進(jìn)行了規(guī)范，包括主機(jī)之間的傳送方式和數(shù)據(jù)格式。TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)極其復(fù)雜，常常占用大量的系統(tǒng)資源，然而嵌入式系統(tǒng)包含的資源有限，因此需要在保證其實現(xiàn)性的同時減少空間占用［9-10］。LwIP是用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧，只需要40 kB左右的只讀存儲器和數(shù)十kB的隨機(jī)存儲器就可以運(yùn)行，適合在嵌入式系統(tǒng)中使用。LwIP協(xié)議支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā)，可以應(yīng)用到操作系統(tǒng)上，也可以獨(dú)立運(yùn)行。此外，為提高應(yīng)用程序的性能，設(shè)計有專門的內(nèi)部回調(diào)接口（Raw API）。

2.2 協(xié)議棧LwIP的移植

LwIP將協(xié)議棧留在內(nèi)核中，應(yīng)用進(jìn)程通過調(diào)用與協(xié)議棧進(jìn)行通信。應(yīng)用程序與TCP/IP協(xié)議棧通信經(jīng)過RAW API回調(diào)函數(shù)實現(xiàn)。

以太網(wǎng)驅(qū)動程序按指定的格式將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包寫入芯片并輸入、輸出緩沖區(qū)中，同時啟動發(fā)送命令，主要包括以太網(wǎng)初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收函數(shù)。通過ARP，在同一物理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，主機(jī)只搜索到某個目的主機(jī)的IP地址，即可找到該目的站的物理地址。ARP協(xié)議處理流程包括接收和發(fā)送兩部分。接收以太網(wǎng)驅(qū)動程序送來的ARP數(shù)據(jù)包由接收部分完成，IP或ICMP協(xié)議的地址解析由發(fā)送部分完成。動態(tài)主機(jī)設(shè)置協(xié)議是一個局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，基于UDP協(xié)議工作，包括給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商自動分配IP地址，以及給用戶和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理員提供對環(huán)境內(nèi)所有計算機(jī)的操作。LwIP對IP數(shù)據(jù)包有3種處理方式，即接收數(shù)據(jù)包、發(fā)送數(shù)據(jù)包、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

2.3 嵌入式文件系統(tǒng)及傳輸

通過移植文件系統(tǒng)可以實現(xiàn)文件傳輸，從而達(dá)到對SD卡存儲空間及數(shù)據(jù)進(jìn)行有效組織和管理的目的。本研究采用的免費(fèi)開源文件系統(tǒng)（Embedded File System Library，EFSL）是一個遵守GNU通用公共許可協(xié)議（General Public License，GPL）公約的開源嵌入式軟件項目。它支持SD卡操作，兼容FAT12、FAT16、FAT32 3種文件系統(tǒng)，并支持多設(shè)備和多文件操作。各設(shè)備的驅(qū)動程序只需要提供扇區(qū)讀和扇區(qū)寫兩個函數(shù)即可。尤其是，EFSL占用的內(nèi)存空間少，移植起來比較方便，適合中小容量的微控制器。

TCP/IP協(xié)議簇提供了文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol，F(xiàn)TP）和簡單文件傳輸協(xié)議（Trivial File Transfer Protocol，TFTP）兩種應(yīng)用層協(xié)議來實現(xiàn)文件傳輸［11-12］。本研究傳輸?shù)奈募?nèi)存在數(shù)十到數(shù)百kB，因此選擇TFTP協(xié)議。用C#語言來編寫文件傳輸?shù)纳衔粰C(jī)部分，并采用固定IP，通信平臺通過DHCP獲得動態(tài)IP，將SD卡中的現(xiàn)有文件列表發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)獲得通信平臺的文件列表信息和IP地址，然后根據(jù)平臺中的已有文件決定是否上傳圖像文件或者下載圖像文件。設(shè)計主要傳輸QVGA分辨率且經(jīng)JPEG壓縮后的圖像文件，大小約45 kB，大約需要600 ms傳輸時間，可滿足平臺通信需求。

2.4 嵌入式Web服務(wù)器的實現(xiàn)

在瀏覽器或者中間機(jī)器與WWW服務(wù)器進(jìn)行通信時，超文本傳送協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）有請求報文和響應(yīng)報文兩種類型。前者是從瀏覽器到服務(wù)器，后者是服務(wù)器到瀏覽器。瀏覽器和通信平臺之間進(jìn)行信息傳遞的機(jī)制是通過嵌入式靜態(tài)WEB實現(xiàn)的，其實現(xiàn)流程大致包含TCP處理函數(shù)、HTTP報文協(xié)議、靜態(tài)數(shù)據(jù)、HTML文件（數(shù)組形式）等。通過WEB服務(wù)器，嵌入式應(yīng)用程序可以將信息以WEB網(wǎng)頁進(jìn)行顯示。

3 圖像顯示終端設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 壓縮圖像文件

JPEG文件分為標(biāo)記碼（tag） 和壓縮數(shù)據(jù)兩部分。JPEG圖像的大部分信息是通過標(biāo)記碼給出，包括圖像的高、寬、量化表、哈夫曼表等。標(biāo)記碼由兩個字節(jié)組成，其中前一個字節(jié)是固定值0xFF，在每一個標(biāo)記之前可添加任意量的0xFF填充字節(jié)。JPEG算法的功能分為4種運(yùn)行方式，即基本DCT順序、基于DCT擴(kuò)展、無失真、分層，用戶只要從中選擇需要的功能即可［13-14］。

JPEG壓縮是將圖像的每一塊經(jīng)過離散余弦變換運(yùn)算從空間域轉(zhuǎn)換為頻率域。JPEG壓縮的對象是基于YUV顏色空間，而其他顏色空間的圖像數(shù)據(jù)要先按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換到Y(jié)UV顏色空間。人眼對Y比較敏感，而對U、V不敏感，所以可以對原圖像U、V信號進(jìn)行降采樣處理，但人眼基本感覺不到圖像的變化，JPEG壓縮常用到的處理格式有YUV411、YUV420和YUV422，一般YUV411格式比較多，該格式為每個像素都提取Y分量，而U、V分量在水平方向上，實行每4個像素采樣一次。YUV格式與RGB格式間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

式中，Y、U、V分別為像素在YUV色彩模式下的值；R、G、B分別為像素在RGB色彩模式下的值。

3.2 JPEG圖像軟解碼

JPEG解碼就是對壓縮步驟進(jìn)行反向操作，其算法流程如圖2所示。

將經(jīng)過壓縮的圖像還原成由直流系數(shù)DC和交流系數(shù)AC組成的矩陣的過程即熵解碼。反量化是將在壓縮過程中經(jīng)過離散余弦變換后的頻率系數(shù)還原出來，采用圖像文件中8×8的量化表和還原后的二維離散余弦變換系數(shù)矩陣進(jìn)行矩陣相乘來進(jìn)行反量化。反離散余弦變換是將反量化后的8×8系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化成8×8個像素點(diǎn)，即將圖像從頻率域轉(zhuǎn)化回空間域。本研究設(shè)計采用了一種稱為行列分離的快速算法，可以將二維離散余弦逆變化成水平和垂直兩個方向上的一維離散余弦逆變換進(jìn)行運(yùn)算。一維離散余弦逆變換的公式為

式中，x,y表示8×8矩陣中某個數(shù)值的位置；f(x,y)為矩陣內(nèi)(x,y)點(diǎn)上的像素值；F(x,y)為矩陣內(nèi)(x,y)點(diǎn)上DCT變換后的頻率系數(shù)；U、V分別為像素對應(yīng)亮度和色度矩陣的數(shù)值；C(U)、C(V)分別為熵解碼后的輸出值。

經(jīng)過IDCT后所得到的數(shù)據(jù)范圍為-128～+128，但像素范圍為0～255，因此需將所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平移128，并將平移后的數(shù)據(jù)按照下式進(jìn)行色彩空間變換輸出給LCD顯示。

4 多協(xié)議數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)接入

（1）RS485建筑能耗檢測平臺設(shè)備接入。本研究采用了一種主從式應(yīng)答的通訊連接方式，即Modbus協(xié)議，實現(xiàn)能耗檢測平臺與通信平臺通過RS485接口連接。通信平臺的信號尋址到1臺地址唯一的終端設(shè)備，發(fā)送查詢消息幀，其中包括功能碼、校驗碼、設(shè)備地址碼和數(shù)據(jù)信息碼；然后，終端設(shè)備發(fā)送應(yīng)答，在回應(yīng)消息中有從機(jī)地址、功能代碼、數(shù)據(jù)信息碼和校驗碼。本研究能耗檢測平臺設(shè)備的接入是通過外接RS485-232轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的。

（2）CAN總線設(shè)備接入。CAN總線采用多主機(jī)工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)都可以作為主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；節(jié)點(diǎn)通過報文標(biāo)識符劃分優(yōu)先級，滿足實時性要求［15-16］。STM32F107自帶的CAN控制器支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B，具有3個發(fā)送郵箱和2個能夠存放3個完整報文的FIFO。CAN與Ethernet的協(xié)議轉(zhuǎn)換程序在CAN中斷中編寫?？紤]到實時性要求，TCP/IP傳輸層采用了無連接的UDP方式。PC機(jī)作為CAN節(jié)點(diǎn)向通信平臺發(fā)送CAN數(shù)據(jù)包，通信平臺收到后以UDP形式發(fā)送給另一臺PC機(jī)。

（3）RS232設(shè)備接入。RS232與Ethernet間信息轉(zhuǎn)換，與CAN總線相似，在通用同步異步收發(fā)器的中斷函數(shù)中編寫，得到數(shù)據(jù)后通過用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上［17-18］。STM32內(nèi)部帶有通用同步異步收發(fā)器，外接電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232后可以與其他TTL電平設(shè)備串口通信。RS232設(shè)備用PC機(jī)代替，通過串口連接到通信平臺，然后發(fā)送到以太網(wǎng)上的另一臺PC機(jī)上。

5 應(yīng)用實例

當(dāng)前，地下礦山基本實現(xiàn)了礦山安全避險管理中“六大系統(tǒng)”建設(shè)，包括環(huán)境感知、視頻監(jiān)控、安全預(yù)警和基礎(chǔ)自動化建設(shè)等內(nèi)容，但是當(dāng)前各個監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和監(jiān)測功能存在管理分散、系統(tǒng)集成度不高、數(shù)據(jù)綜合利率低等因素（圖3）。此系統(tǒng)的成功應(yīng)用，解決了礦山多年的信息孤島問題，可在Web端接入綜合自動化子系統(tǒng)的相關(guān)重要數(shù)據(jù)；在礦山動態(tài)工況圖中展現(xiàn)以下子系統(tǒng)的實時信息，如風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)協(xié)調(diào)、壓風(fēng)自救系統(tǒng)、供水施救系統(tǒng)、皮帶集中控制系統(tǒng)、水位監(jiān)測系統(tǒng)、水泵監(jiān)控系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)急逃生系統(tǒng)等（圖4）。

Web端實現(xiàn)了對整個礦山采集數(shù)據(jù)的無縫整合，能夠快速實時查詢和追蹤采場環(huán)境變化和生產(chǎn)工藝過程的所有動態(tài)信息，查詢生產(chǎn)執(zhí)行和管理統(tǒng)計相關(guān)報表報告；能夠?qū)崿F(xiàn)礦山生產(chǎn)運(yùn)行態(tài)勢實時監(jiān)控、采礦生產(chǎn)運(yùn)營決策和指揮、事故追蹤和預(yù)警等功能（圖5）。

在該系統(tǒng)平臺上，通過軟件平臺的整合，在調(diào)度監(jiān)控中心形成了一個包含數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)在內(nèi)，集顯示、監(jiān)視、操控、管理、信息瀏覽、數(shù)據(jù)服務(wù)于一體的人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含各子系統(tǒng)分畫面，不僅可以全面了解系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)，還能詳細(xì)了解每個子系統(tǒng)的具體運(yùn)行情況，從而實現(xiàn)各系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)和協(xié)作操作（圖6）。

該系統(tǒng)方便與其他協(xié)同平臺進(jìn)行軟件集成，同時留有相應(yīng)的可擴(kuò)展空間，便于后續(xù)子系統(tǒng)接入、系統(tǒng)升級、用戶功能擴(kuò)充以及與其他平臺應(yīng)用系統(tǒng)的二次開發(fā)。通過對軟件平臺進(jìn)行有機(jī)整合，實現(xiàn)了各子系統(tǒng)協(xié)作、關(guān)聯(lián)操作。

6 結(jié) 語

礦山自動化系統(tǒng)具有大量的電氣設(shè)備，需要構(gòu)建合適的通信接口以接入以太網(wǎng)。以STM32F107處理器為核心，設(shè)計了基于嵌入式系統(tǒng)的礦業(yè)自動化多協(xié)議通信平臺，實現(xiàn)了TCP/IP、CAN總線、RS232/RS485等多種協(xié)議的接入和數(shù)據(jù)交換。在此基礎(chǔ)上，通過協(xié)議移植實現(xiàn)了文件傳輸和嵌入式Web功能。研究了JPEG圖像的軟件編解碼，從而成功地將圖像顯示于LCD顯示屏。本研究設(shè)計方案能夠為礦山采礦自動化通信系統(tǒng)設(shè)計提供有益借鑒。