多協議礦山自動化通信平臺設計與實現

所屬分類：電子論文閱讀次時間：2021-07-08 11:53

本文摘要：摘要采用ARMCortexM3微處理器，設計并實現了礦山自動化多協議通信平臺，系統架構采用微處理器實時操作系統嵌入式TCP/IP協議棧的形式。構建了圖形顯示接口，以SPI接口模式驅動TFTLCD。經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

　　摘要采用ARMCortexM3微處理器，設計并實現了礦山自動化多協議通信平臺，系統架構采用微處理器實時操作系統嵌入式TCP/IP協議棧的形式。構建了圖形顯示接口，以SPI接口模式驅動TFTLCD。經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。在設計時采用了降低噪聲、防止干擾等技術措施以提高電源部分的穩定性。為了方便系統調試，提供RS232串行通訊與PC機建立數據連接，可以支持技術人員以便攜式計算機或PC機觀察系統的運行狀態。通過RS232485轉換器，可以實現礦山自動化系統設備接入。通過移植嵌入式TCP/IP協議棧和嵌入式文件系統EFSL，實現了文件傳輸和嵌入式Web服務器，可以實時顯示通信平臺接入的礦用設備的基本信息。試驗結果表明：通過對礦山自動化通信平臺進行有機整合設計，實現了各子系統協作、關聯操作，解決了礦山多年的信息孤島問題;在Web端實現了對整個礦山采集數據的無縫整合，能夠快速實時查詢和追蹤采場環境變化和生產工藝過程的所有動態信息;能夠實現礦山生產運行態勢實時監控、采礦生產運營決策和指揮、事故追蹤和預警等。

　　關鍵詞多協議通信以太網文件系統文件傳輸

通信平臺

　　礦山自動化系統由大量的電氣設備構成，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。隨著信息技術的不斷發展，礦山自動化管理和智能化發展要求越來越高，催生了以太網技術在礦業自動控制領域快速發展。在一些新建礦山自動控制系統中，以太網直接進入了控制層[14]�？照{、供水監控系統等通過ENC系列網絡參量集成模塊將現場各種信息集成到以太網上;帶有RS232或RS485接口的系統通過串口服務器鏈接到以太網和Internet上;礦井使用的IP電話是在工業以太網絡上實現的語音應用業務。

　　然而，在已建成的礦山中，大多數設備通常只具備單一的通信接口并按照不同的傳輸協議輸出數據，很難快速接入以太網，在信息融合和綜合處理方面存在極大的不便。因此，迫切需要開發支持多協議的通信網關，可同時接入不同協議類型的傳感器和電氣設備，通過以太網協議的形式將多源數據傳輸到遠程服務器進行綜合處理。

　　本研究基于礦山企業管理需求，搭建了基于萬兆以太網技術的高分辨率高幀率圖像文件傳輸通信平臺，將礦山自動化系統中幾種常用的內部(I2C/SPI)、系統(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，集成了以太網接口、CAN總線接口、RS232接口和圖像顯示終端等，實現了多接口的嵌入式底層驅動和軟件設計開發，嵌入式TCP/IP協議棧和文件系統移植，研究并實現了JPEG軟件解碼(獲取圖像信息、構建解碼碼表、Huffman解碼、反量化等)和幾種總線與以太網間的數據轉換。

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　　1通信平臺系統構架實現

　　1.1系統構架設計

　　TCP/IP協議的實現方案主要有[56]：①微處理器+TCP/IP協議單片網絡芯片;②32位微處理器(Microprocessor)實時操作系統(RealTimeOperatingSystem,RTOS)+TCP/IP協議棧(tcp/iptreatyseries);③專用片上系統;④低檔MCU+精簡TCP/IP協議等。本研究采用方案②進行實現，較其他方案技術比較成熟，且開發成本不高，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、以太網驅動電源等多個模塊組成，融合了TCP/IP技術、圖像處理、嵌入式系統和數據傳輸等多種技術，其功能包括數據存儲、傳輸、轉換以及圖像文件顯示。

　　1.2微控制器選型

　　礦山生產工藝復雜、數據量巨大，一方面，對主控芯片的數據處理能力和傳輸能力有較高要求;另一方面，系統應盡量具有豐富的外設接口和較低的功耗特點。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CAN總線RS485RS232SD卡存儲LCD圖像顯示復位電路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，具有上電斷電復位(POR/PDR)、可編程電壓監測器和掉電監測器，能夠在電源異常時使系統盡快恢復正常運行。該處理器內嵌MHz高速晶體振蕩器，使用32kHz晶體的RTC振蕩器，具有睡眠、停機和待機模式。

　　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、死區控制、個同步的獨立和窗口型定時器。在通信接口方面，STM32F107具備CAN接口、個USART、10/100以太網MAC、個SPIUSB2.0接口。STM32F107片上集成的以太網媒體訪問控制子層協議(MAC，MediaAccessControl)支持媒體獨立接口(MII，MediaIndependentInterface)和簡化媒體獨立接口(RMII，ReducedMediaIndependntInterface)。組建一個完整的以太網功能僅需外接PHY芯片，適合于小型的多協議通信控制器。

　　1.3系統硬件電路

　　1.3.1電源、復位和時鐘電路

　　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定性，設計時采用了降低噪聲、防止干擾等技術措施。將直流電源接入平臺后，使用瞬態k9(瞬變)電壓抑制二級管，然后經過穩壓、濾波和降噪處理，以供LCD的圖像顯示終端。由于系統中多數芯片采用了3.3電壓，所以使用了一款LDO提供到3.3的電源轉換，電流最大可達1.2。

　　系統復位在通信平臺中上主要包括外部復位和軟件復位。本研究采取RC復位電路，低電平持續時間由RC的時間常數決定。微控制器的內部時鐘最大只能達到36MHz且精度較差，因此采用外接25MHz晶體振蕩器，為系統提供準確的主時鐘。

　　1.3.2通信協議接口設計

　　系統提供以太網、CAN和RS485/232等種通訊方式。為了方便系統調試，提供RS232串行通訊與PC機建立數據連接，可以支持技術人員使用便攜式計算機或PC機觀察系統的運行狀態。通過RS232485轉換器，可以實現礦山自動化系統設備接入。硬件連接采用MAX2232芯片進行TTL/RS232電平轉換。STM32微控制器具有內置CAN控制器，本研究采用3.3VCAN總線收發器SN65HVD230，具有差分收發能力，通信速率最高可達/s，選擇端口RS為低電平，使收發器工作在高速模式。

　　STM32F107內部含有MAC控制器，只需要外接PHY芯片和RJ45接口就能夠實現以太網通信的物理要求。PHY芯片采用的是美國國家半導體的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標準。RJ45接口帶有網絡隔離變壓器，既可以使PHY和網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據信息。

　　1.3.3圖像顯示設計

　　圖像顯示終端采用TFTLCD作為顯示器件，像素為240×320RGB。設計系統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圖像;根據硬件資源特點采用并行口、串行外設接口等方式來顯示高效率數據傳輸的靜態或動態圖像。系統設計采用串行外設接口模式來驅動薄膜晶體管液晶顯示器。選用SD卡作為數據存儲器件以便后期進行系統升級。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以太網通信實現

　　2.1嵌入式TCP/IP協議棧

　　TCP/IP協議是一種網絡通信協議，對網絡上的所有通信設備進行了規范，包括主機之間的傳送方式和數據格式。TCP/IP協議的實現極其復雜，常常占用大量的系統資源，然而嵌入式系統包含的資源有限，因此需要在保證其實現性的同時減少空間占用[910]。LwIP是用于嵌入式系統的開放源代碼TCP/IP協議棧，只需要40左右的只讀存儲器和數十的隨機存儲器就可以運行，適合在嵌入式系統中使用。LwIP協議支持多網絡接口下的IP轉發，可以應用到操作系統上，也可以獨立運行。此外，為提高應用程序的性能，設計有專門的內部回調接口(RawAPI)。

　　2.2協議棧LwIP的移植

　　LwIP將協議棧留在內核中，應用進程通過調用與協議棧進行通信。應用程序與TCP/IP協議棧通信經過RAWAPI回調函數實現。以太網驅動程序按指定的格式將要發送的數據包寫入芯片并輸入、輸出緩沖區中，同時啟動發送命令，主要包括以太網初始化、數據發送和接收函數。通過ARP，在同一物理網絡環境里，主機只搜索到某個目的主機的IP地址，即可找到該目的站的物理地址。ARP協議處理流程包括接收和發送兩部分。

　　接收以太網驅動程序送來的ARP數據包由接收部分完成，IP或ICMP協議的地址解析由發送部分完成。動態主機設置協議是一個局域網的網絡協議，基于UDP協議工作，包括給內部網絡供應商自動分配IP地址，以及給用戶和內部網絡管理員提供對環境內所有計算機的操作。LwIP對IP數據包有種處理方式，即接收數據包、發送數據包、轉發數據包。

　　3圖像顯示終端的設計與實現

　　3.1壓縮圖像文件

　　JPEG文件分為標記碼(tag)和壓縮數據兩部分。JPEG圖像的大部分信息是通過標記碼給出，包括圖像的高、寬、量化表、哈夫曼表等。標記碼由兩個字節組成，其中前一個字節是固定值0xFF，在每一個標記之前可添加任意量的0xFF填充字節。JPEG算法的功能分為種運行方式，即基本DCT順序、基于DCT擴展、無失真、分層，用戶只要從中選擇需要的功能即可[1314]。

　　4多協議數據的以太網接入

　　(1)RS485建筑能耗檢測平臺設備接入。本研究采用了一種主從式應答的通訊連接方式，即Modbus協議，實現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備，發送查詢消息幀，其中包括功能碼、校驗碼、設備地址碼和數據信息碼;然后，終端設備發送應答，在回應消息中有從機地址、功能代碼、數據信息碼和校驗碼。本研究能耗檢測平臺設備的接入是通過外接RS485232轉換器實現的。

　　(2)CAN總線設備接入。CAN總線采用多主機工作方式，網絡上任意節點都可以作為主機發送數據;節點通過報文標識符劃分優先級，滿足實時性要求[156]。STM32F107自帶的CAN控制器支持CAN協議2.0A和2.0B，具有個發送郵箱和個能夠存放個完整報文的FIFO。CAN與Ethernet的協議轉換程序在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機作為CAN節點向通信平臺發送CAN數據包，通信平臺收到后以UDP形式發送給另一臺PC機。

　　(3)RS232設備接入。RS232與Ethernet間信息轉換，與CAN總線相似，在通用同步異步收發器的中斷函數中編寫，得到數據后通過用戶數據報協議發送到網絡上[118]。STM32內部帶有通用同步異步收發器，外接電平轉換芯片MAX3232后可以與其他TTL電平設備串口通信。RS232設備用PC機代替，通過串口連接到通信平臺，然后發送到以太網上的另一臺PC機上。

　　5應用實例

　　當前，地下礦山基本實現了礦山安全避險管理中“六大系統”建設，包括環境感知、視頻監控、安全預警和基礎自動化建設等內容，但是當前各個監控系統的數據和監測功能存在管理分散、系統集成度不高、數據綜合利率低等因素。此系統的成功應用，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的相關重要數據;在礦山動態工況圖中展現以下子系統的實時信息，如風機監測系統、通信聯絡協調、壓風自救系統、供水施救系統、皮帶集中控制系統、水位監測系統、水泵監控系統、提升系統、礦壓監測系統、應急逃生系統等。

　　6結語

　　礦山自動化系統具有大量的電氣設備，需要構建合適的通信接口以接入以太網。以STM32F107處理器為核心，設計了基于嵌入式系統的礦業自動化多協議通信平臺，實現了TCP/IP、CAN總線、RS232/RS485等多種協議的接入和數據交換。在此基礎上，通過協議移植實現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。本鹽湖有設計方案能夠為礦山采礦自動化通信系統的設計提供有益借鑒。

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　　作者：馬寧張光明王潤