多協(xié)議礦山自動化通信平臺設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　摘要采用ARMCortexM3微處理器，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了礦山自動化多協(xié)議通信平臺，系統(tǒng)架構(gòu)采用微處理器實(shí)時操作系統(tǒng)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的形式。構(gòu)建了圖形顯示接口，以SPI接口模式驅(qū)動TFTLCD。經(jīng)JPEG壓縮后的圖像文件，大小約45kB，大約需要600ms傳輸時間，可滿足通信平臺的需求。在設(shè)計時采用了降低噪聲、防止干擾等技術(shù)措施以提高電源部分的穩(wěn)定性。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)人員以便攜式計算機(jī)或PC機(jī)觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。通過RS232485轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)礦山自動化系統(tǒng)設(shè)備接入。通過移植嵌入式TCP/IP協(xié)議棧和嵌入式文件系統(tǒng)EFSL，實(shí)現(xiàn)了文件傳輸和嵌入式Web服務(wù)器，可以實(shí)時顯示通信平臺接入的礦用設(shè)備的基本信息。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過對礦山自動化通信平臺進(jìn)行有機(jī)整合設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了各子系統(tǒng)協(xié)作、關(guān)聯(lián)操作，解決了礦山多年的信息孤島問題;在Web端實(shí)現(xiàn)了對整個礦山采集數(shù)據(jù)的無縫整合，能夠快速實(shí)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;能夠?qū)崿F(xiàn)礦山生產(chǎn)運(yùn)行態(tài)勢實(shí)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。

　　關(guān)鍵詞多協(xié)議通信以太網(wǎng)文件系統(tǒng)文件傳輸

　　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、ZigBee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，催生了以太網(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[14]�？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(shí)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的不便。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/RS232)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(shí)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(shí)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。

　　通信工程評職知識：軌道交通信號技術(shù)論文如何選刊發(fā)表

　　1通信平臺系統(tǒng)構(gòu)架實(shí)現(xiàn)

　　1.1系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

　　TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方案主要有[56]：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(shí)時操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSystem,RTOS)+TCP/IP協(xié)議棧(tcp/iptreatyseries);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(shí)現(xiàn)，較其他方案技術(shù)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，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。

　　Fig.1tructureofsystemfunction5V電源STM32微控制器JTAG通信接口以太網(wǎng)CAN總線RS485RS232SD卡存儲LCD圖像顯示復(fù)位電路STM32F107的主要特性為[78]：32位的ARMCPU，主頻72MHz，具備256閃存程序存儲器;電源供電電壓為2.0~3.6，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MHz高速晶體振蕩器，使用32kHz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，路PWM輸出、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、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、個USART、10/100以太網(wǎng)MAC、個SPIUSB2.0接口。STM32F107片上集成的以太網(wǎng)媒體訪問控制子層協(xié)議(MAC，MediaAccessControl)支持媒體獨(dú)立接口(MII，MediaIndependentInterface)和簡化媒體獨(dú)立接口(RMII，ReducedMediaIndependntInterface)。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電壓，所以使用了一款LDO提供到3.3的電源轉(zhuǎn)換，電流最大可達(dá)1.2。

　　系統(tǒng)復(fù)位在通信平臺中上主要包括外部復(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36MHz且精度較差，因此采用外接25MHz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RS232485轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)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3.3VCAN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)/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DP83848C10/100Mb/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TFTLCD作為顯示器件，像素為240×320RGB。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MicroSD。MicroSD接口模式采用了SPI模式。

　　2以太網(wǎng)通信實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)性的同時減少空間占用[910]。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左右的只讀存儲器和數(shù)十的隨機(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(RawAPI)。

　　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RAWAPI回調(diào)函數(shù)實(shí)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)境里，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。

　　3圖像顯示終端的設(shè)計與實(shí)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[1314]。

　　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(shí)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(yàn)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(yàn)碼。本研究能耗檢測平臺設(shè)備的接入是通過外接RS485232轉(zhuǎn)換器實(shí)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(shí)時性要求[156]。STM32F107自帶的CAN控制器支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B，具有個發(fā)送郵箱和個能夠存放個完整報文的FIFO。CAN與Ethernet的協(xié)議轉(zhuǎn)換程序在CAN中斷中編寫�？紤]到實(shí)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[118]。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(shí)例

　　當(dāng)前，地下礦山基本實(shí)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。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(shí)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。

　　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(shí)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(shí)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。本鹽湖有設(shè)計方案能夠?yàn)榈V山采礦自動化通信系統(tǒng)的設(shè)計提供有益借鑒。

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　　作者：馬寧張光明王潤

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