【期刊论文】基于嵌入式系统的煤矿井下协议转换器的设计与实现.pdf

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1、 第 4期 2 0 0 8年 8月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd Mi n e A u t oma t i o n NO 4 Au g 2 0 0 8 文章 编号：1 6 7 1 2 5 1 X(2 o o 8)o 4-0 0 7 9 0 3 基于嵌入式系统的煤矿井下协议转换器的 设计与实现 边 冰，吴 宝江，钱 莉(河北理工大学计算机与 自动控制学院，河北 唐山0 6 3 0 0 9)摘要：为了将煤矿井下遵循 不同协议的安全监控设备接入 同一个网络，文章介绍 了一种基于嵌入式 系统 的协议转换器的设计，阐述 了该转换器的硬件设计和软件 实现。实际运行表明，通过加入嵌入

2、式协议转换 器，简化 了煤矿安全监控 系统的硬件复杂度，提高了系统 的集成度和可扩展能力，为 系统 的维护和升级带来 了方 便。关 键词：煤 矿；安 全监 控；协议 转换 器；嵌 入 式 系统；S 3 C4 5 l O B 中图分 类号：T D 6 7 2 文献标 识 码：B 0 引 言 煤矿安全监控系统的监控设备原则上要求采用 统一规范的数据通信协议，但是，由于煤矿安全监控 系统升级改造或维护等原 因，在许多情况下系统中 存在着大量遵循不 同协议的设备，例如遵循 R S 2 3 2、R S 4 8 5、UDP、T C P I P等协 议 的设 备 共 同存 在 于 一个 系统 中，而 且 随

3、着 系 统 的 维 护、升 级 和 改 造，将 有更多的设备加入 系统 中。当多种 协议 设备并存 时，系统要 识别 不 同的协 议信 息，通过 控制 和处 理不 同格式的信息实现系统的及时响应、正常工作，这样 就加大了系统软件和硬件 上的复杂度，减缓 了系统 的响应 速度。近几年，随着工业 以太网技术的 日趋成熟，可以 把 以太 网技 术 引入 监 控 系统 中。通 过 以太 网，可 以 用 1 条单一网线或光缆取代众多 的连接线，煤矿安 全监控系统 中的独立设备和独立 小系统都 可通过 这 条 网线联 网。用户 可 以在终 端计 算机 上通 过 以太 网快速 简单地 控 制 整个 系统，还

4、 可通 过 以太 网访 问 计量数据、诊断值，配置参数和查看故障信息等。以太网获取遵循不 同协议的信息时，必须把其 它格式的信息转换成以太网能识别的协议格式提供 给终端计算机，同时，系统还需要把以太网信息转换 成各种设备所能 识别 的信息 格式。为简化系统连 收稿 日期：2 O O 8 0 4 0 1 作者简介：边冰(1 9 6 5 一)，男，天津人，副教授，主 要研究方 向 为电气及 自动化控制、嵌入式系统。接，实 现 系统 中各 部分 的独 立性，可 以通过 设计 协议 转换器完成该项工作，即利用协议转换器将系统 中 不 同设备或是小 系统获取的信息快速转换为所要求 的信号形式，即遵循相应

5、 的协议、格式，通过工业 以 太 网传送给远程计算机，同时，远程计算机的控制信 息也可 以转换成相应格式 的信息传送给设备。市场 上 现有 的协 议转 换 模 块 很少，而 且 大 部分 是基 于 单 片机系统，处理能力有限，且速度慢。笔者在唐山市 开平 区卫 国煤矿 安 全 监 控 系统 的改 造 项 目中，针 对 包含 瓦 斯、通 风 监 测、瓦斯 抽 放、自然发 火 等全 部 数 据 内 容 的 监 控 设 备，通 过 基 于 嵌 入 式 处 理 器$3 C 4 5 l O B的协议 转换 模块 将 现场 的 4路 R S 4 8 5信 号、3路 R S 2 3 2 信 号、1路 I I

6、 C信 号、1 5路 I O信号 转换成以太 网信 号，通过 2条 网线(1条为备用 网 线)传送给井上计算机 网络，同时，将计算机传来的 以太网信息转换成现场设备所需 的信号，以控制现 场设备。这样就在终端计算机和现场设备之间建立 起 了直接 的、透 明的、简单 的联 系。l硬 件 系统 的设 计 考虑到转换速度、信息 流量、设计难度等 因素，笔者采用了嵌入式系统实现协议转换器。主处理器 选 用 三 星 公 司 的$3 C 4 5 l O B。$3 C 4 5 l O B是 一 款 优 秀 的 网络控 制 器，内含 1 个 由 AR M 公 司设 计 的 1 6 3 2位 AR M7 T D

7、MI R I S C 处 理 器 核，主 频 可 达 5 0 MHz；内嵌 1个 以太 网控 制 器，可 在 半 双工 或 全 双工模式下提供 1 0 M I O 0 Mb p s 的以太网接人。基 于嵌入 式 系统 的煤 矿井 下 协议转 换器 结构 框 维普资讯 http:/ 8 0 工矿 自动化 2 0 0 8年 8月 图如 图 1 所示。l 鱼 塑 鱼 堕 卜 以 太 网 接 口 电 路 匦 体 振 荡 器 电 路 l-4 u A R T 接 口 电 路 S 3 C 4 5 1 O B u A R T 接口 电 路卜 IJ TA G N 电 路 卜 _ 外 部 IIc 接 口 电 路

8、l l 1 6 M B F L A S H 卜+一 外部I o 接口 电路 16 M B S D R A M 卜 图 1 基 于 嵌 入 式 系统 的煤 矿井 F协 议 转 换 器 的 结 构 框 图 图 1中，电源电路、晶体振荡器 电路、复位电路 和 J T AG 接 口电路 组 成 了$3 C 4 5 1 0 B 的基 本 系 统，可保 证 微 处 理 器 可 靠 地 工 作。在 电 源 电 路 中，$3 C 4 5 1 0 B及 部 分 外 围 器 件 需 3 3 V 电 源，另 外 一部分 器件 需 要 5 V 电源。为 简 化 电源 电路 的设 计，整 个 转 换 器 的输 入 电压

9、 为 5 V 直 流 稳 压 电 源。选用 L i n e a r T e c h n o l o g y公 司 生产 的 L T 1 0 8 5 C T一 3 3型 D CDC变 换 器，可 得 到 3 3 V 输 出电 压。根据$3 C 4 5 1 0 B的最高工作频率及 P L L电路的工 作方式，选择 1 0 MHz 的有源晶体振荡器，其频率经 过$3 C 4 5 1 0 B 内 部 P I L 电 路 倍 频 后，可 达 到 5 0 MHz。选用 I MP公 司生 产 的 I MP 7 0 8 T C S A 型复 位 电路，它具 有 1 个 手 动 复位 输 入 引脚 和 2个 复

10、位 输 出引脚(高 电平有效 引脚和低 电平有效 引脚各 1 个)，能 实 现 电 路 的 有 效 复 位。采 用1 4针 的 J TA G接口用于芯 片内部 测试 及对 系统进行仿 真、调试。程 序存储 器 F I AS H 芯 片 中要保 存 B o o t l o a d e r 程序、I i n u x内核、文件系统、协议转换应用程序和 一定数量的记录信息，结合成本因素和升级考虑，采 用 S a ms u n g公 司 的 1 6 MB 的 F L AS H 存 储 芯 片 K 9 F 2 8 1 6 UO C。数据存 储 器 采 用 2片 8 MB、1 6位 的 S D RAM 芯

11、片(HY5 7 V6 4 1 6 2 0)并 联 成 3 2位 S DRAM 芯片，用 以提 高转换 器 的处理速 度。外部 的多路 R S 2 3 2信号经过多 串口扩展芯片 GM8 1 2 3连 接 到$3 C 4 5 1 0 B 的 一 个 UA RT 接 口，另一个 UAR T 接 口通 过 多 串 口扩 展 芯 片 GM8 1 2 5 可扩展为 5个 UART 串 口，然后通 过 R S 4 8 5芯片 与 4路 RS 4 8 5信号连接。因为$3 C 4 5 1 0 B内嵌 1 个 以太网控制器，所 以在该设计中，使用 D P 9 1 6 1 作为 以太 网的 物 理 层 接 口。

12、D P 9 1 6 1是 一 款 低 功 耗、高 性 能 的 C MOS芯 片，支 持 1 0 Mb p s 和 1 0 0 Mb p s的 以太 网传 输，它主要 起编码、译码输 入 和输 出数据 的 作用。外部 I I C信号和 I O信号通过光电隔离器件 接 入处理 器芯 片。2软 件 系统的 实现 基 于嵌 入式 系统 的协议转 换器 的操作 系统采 用 嵌入 式 u C l i n u x操 作 系 统。u C l i n u x从 L i n u x 2 0 2 4内核派生 而来，是 专 门针 对没 有 MMU 的 CP U 的一 个 高 度优 化 的、代码 紧凑 的嵌 入 式 L

13、 i n u x。B o o t l o a d e r 由 Mi z i 公 司 的 VI VI编 译 生 成，采 用 J E F F S 2文件 系统。在 u C l i n u x操作系统 中，通过 v f o r k()函数创建 多个进程，主要是 TC P I P格式数据与其它格式数 据 转 换 进 程、网 络 数 据 读 写 进 程、UAR T0 和 UAR T1读写进程、I I C数据读写进程、I O数据读 写进程等。数据转换进程把不同读写进程的数据读 入，通 过 自动识别，按 要 求 转换 成 相 应格 式 的 数据，再通 过相应 的读 写进 程将数 据传输 出去。在对各种协议格

14、式深入了解的基础上，数据格 式转换进程的编写相对简单，但代码 比较长。除网 络驱动编写较为复杂外，其余各个接 口的驱动编写 也很简单，而且 网络上有很多参考范例。网络应用 是 处理 器$3 C 4 5 1 0 B 的一 大亮 点，也 是嵌 入式 系统 未来的应用方向之一。在嵌入式 u C l i n u x操作系统 中，提 供 了 s o c k e t(套接 字)的 AP I 调 用，所 以 实 现 网络 协 议 T C P I P 在 u C l i n u x下 变 得 较 为 简 单。笔者 在 I P层，实现 了 I n t e r n e t 协 议 代码，通 过 这些代码给传输的数

15、据加上一个 I P头，并且把传人 的 I P包送给 TC P协 议。在 I P层 以下 则 由网络 设 备支持所有 的 L i n u x网络工作。选用 流式 s o c k e t 实 现 TC P服 务，s o c k e t是 一 种 文 件 描 述 符，具 有 一个 类似 文 件 的调 用 函 数 s o c k e t()。该 函 数 返 回 一个整 型 的 s o c k e t 描 述符，随后 的 连接 建 立、数 据 传 输 等 操 作 都 是 通 过 该 s o c k e t函 数 实 现 的。u C I i n u x操作 系统 中 s o c k e t 编程 中用 到

16、 的函数有：(1)s o c k e t 函数：指定期望的通信协议类 型；(2)c o n n e c t 函数：T C P客户用 c o n n e c t 函数建 立一 个 与 TC P服务器 的连接；(3)b i n d函数：给套接 口分配一个本地协议地 址；(4)l i s t e n函数：侦听套接字，侦听客户机连接 请 求；(5)a c c e p t 函数：完 成 实 际 的连接，如 果 连接 成 功，返 回一个新 套 接字 的描述 符。(6)c l o s e函 数：释 放 和 套 接 字 相 关 的 系 统 资 源。维普资讯 http:/ 第 4期 2 0 0 8年 8月 工矿

17、 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t oma t i on No 4 Au g 2 0 0 8 文章 编号：1 6 7 1 2 5 1 X(2 0 0 8)0 4 0 0 8 1 0 3 港口装卸无线通信与控制系统的设计与实现 谭 云福，刘 科。(1 燕 山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛0 6 6 0 0 4；2 北京 国信通讯系统有限公司，北京 1 0 0 8 7 6)摘 要：针 对 某 大型船 运港 口煤 炭装 卸公 司龙 门车式 堆取料 机 与地 面控 制 中心之 间的通信 与控 制 问题，文 章提 出了一种港 口装卸无线通信与控制 系统的改造方

18、案，详细介绍 了系统硬件和软件的设计，给 出了主要 电 路 结构 和部 分程 序及 流程 图。该港 口装 卸无 线通 信 与控 制 系统采 用无 线数 据 传输 方式 替代现 有 的 电缆 有 线 通 信 方式，在 地 面控 制 中心和龙 门机 上 分别安 装微 控 制 器和 无 线 通信 模 块，实现 了无 线远 程控 制、检 测 与计 量等功 能。关 键词：车式 堆取 料机；控 制；通 信；无 线；ATme g a l 2 8；RS 4 8 5 中图分 类号：T D 6 5 5 3 文献 标识 码：B 0 引言 某 大 型 船运 港 口，散 装 物 料(如 煤 炭、工业 矿沙 等)的堆取、

19、运输和装卸是一个 连续作业 的过程，龙 门车式 堆取 料机(以下简 称为 龙 门机)是 港 口散装 物 料装卸 的重要设备，它负责将火车专列上卸下 的散 装物料(港 口装卸公司铁路专线两侧)进行货场堆放 和转运(进入 自动装船运输线)。在生产作业 时，龙 门机在货场 的轨道上 运动，通常在 2 k m左右。龙 门机及操作室(高空)和地 面控 制 中心(相距 3 k m 左右)共 同负责龙 门机械和地面各接力运输线的程 序 控制及 连锁 保 护。以前，两地 控 制 室 之 间 的 控 制 信号和信息的交互是通过笨重、昂贵 的防爆多芯挠 性 电缆进 行 的，经 过长 时 间生产作 业 和风 吹 日

20、晒，电 收稿 日期：2 0 0 8 一O 4 一O 8 作者简介：谭云福(1 9 5 O 一)，男，副教授，硕 士研究生 导师，研 究 方向为嵌人式 系统与测控技术。一旦协议转换器 的套接字和远程计算机的套接 字建 立 了连 接，双方 就可 通 过调 用 s e n d()和 r e c v()函数来 发送 和接 收数 据 了。3 结 语 该协议转换器调试成功并应用 于现场后，通过 一定的防护和屏蔽措施，卫国煤矿 的煤矿安全监控 系统运行一直非常稳定，连续数月来未 出现通信故 障，而且也方便 了系统 的调试与维护。根据测试 和 日常使用情况来看，系统的响应时间很短，完全满足 缆会 出现抽丝断裂

21、等故障，遇到连雨天还会 出现放 电打火现象，给安全生产造成隐患。因此，笔者提出 了工 业 现场无 线 控制 的改 造方 案。1 硬 件 设计 该无线通信与控制系统的硬件结构 由地面控制 和龙 门机 控制 2 个 部 分组 成。1 1 地 面控 制 中心 的硬件 设计 地面 控 制 中心 是 港 口作业 区诸 多 控 制 枢纽 之一，散装物料装卸的许多控制部分和动力都设在 这 里，地 面控制 中心 接 收龙 门机 控 制 室 发 送来 的状 态信息和控制信号，并对设备 进行参数设置。地面 控制中心的控制器硬件结构如图 1 所示。控 制 器 采用 ATme g a 1 2 8微 控 制 器作 为

22、主控 芯 片，人 机交 互 界 面 选 用 2 4 0 1 2 8 L C D 液 晶显 示 模 块及 4 线 电阻触摸屏。AD C多路模拟输入接 口信 号来 自地 面 运 输 设 备 上 的 电 子 秤，现 场I O 输入(8)a出(8)信号为地面设备的联机互锁状态、了监控系统的运行要求。煤矿安全监控系统通过在 井下 加入 协议 转换 器，优化 了整 个 系统 的运行，简化 了系 统 的连接，取 得 了一 定 的经 济效 益。参考文献：1 CRAI G H嵌 入 式 L i n u x 硬 件、软 件 与 接 口 M 陈雷，钟书毅，译北京：电子工业出版社，2 0 0 3 2 李驹光 AR M 应用 系统 开发 详解 M 北京：清华大 学 出 版 社，2 0 0 4 4 孙 天泽，袁 文菊，张海 峰 嵌 入式 设计 及 L i n u x驱 动开 发 指南I-M 北 京：电子工业 出版 社，2 0 0 5 维普资讯 http:/