煤礦礦井嵌入式數(shù)據(jù)采集分站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文提出了一種基于TCP/IP-CAN網(wǎng)絡(luò)的煤礦礦井嵌入式數(shù)據(jù)采集分站的設(shè)計(jì)方案,采用ARM芯片LPC2292為主控芯片，通過(guò)SPI接口控制以太網(wǎng)控制器芯片ENC28J60實(shí)現(xiàn)TCP通信，通過(guò)內(nèi)嵌的CAN控制器實(shí)現(xiàn)CAN通信。

在介紹系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了基于mC/OS-II的軟件設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)γ旱V礦井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行有效采集，具有良好的穩(wěn)定性與擴(kuò)展性。

煤礦礦井?dāng)?shù)據(jù)采集分站是煤礦礦井井下各安全監(jiān)控模塊與井上安全監(jiān)控中心之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉屑~，負(fù)責(zé)安全監(jiān)控中心與安全監(jiān)控模塊之間的數(shù)據(jù)采集與通信。數(shù)據(jù)采集分站能否有效工作決定了煤礦安全監(jiān)控能否順利進(jìn)行，因此數(shù)據(jù)采集分站在煤礦安監(jiān)中發(fā)揮著重要作用。圖1所示為煤礦礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集分站與監(jiān)控中心之間通過(guò)TCP通信，與井下監(jiān)控模塊之間通過(guò)CAN通信。采用基于操作系統(tǒng)mC/OS-Ⅱ的軟件設(shè)計(jì)，以提高整個(gè)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與擴(kuò)展能力。

硬件設(shè)計(jì)

采集分站硬件系統(tǒng)由主控芯片及外擴(kuò)存儲(chǔ)器、TCP/IP通信模塊、CAN總線通信模塊、重要參數(shù)修改與存儲(chǔ)模塊(串口通信、E2PROM)、電源與復(fù)位電路等組成。

本方案采用ARM芯片作為主控芯片，在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用8位/16位單片機(jī)作為主控芯片的系統(tǒng)。TCP通信模塊實(shí)現(xiàn)了TCP通信。內(nèi)嵌CAN模塊使得CAN通信設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，性能更加穩(wěn)定。串口通信和TCP通信都可以實(shí)現(xiàn)重要參數(shù)(IP地址、礦井號(hào)等)的修改，外擴(kuò)E2PROM用于重要參數(shù)的存儲(chǔ)。

主控芯片

主控芯片采用ARM7芯片LPC2292為主控芯片，其內(nèi)部有16KB RAM，并帶有256KB嵌入式高速閃存存儲(chǔ)器。LPC2292含有2路SPI接口，滿足操作以太網(wǎng)控制器ENC28J60的要求，還含有2路內(nèi)嵌CAN控制器，能夠方便地實(shí)現(xiàn)CAN通信。由于嵌入了mC/OS-II操作系統(tǒng)并移植了TCP/IP協(xié)議棧， LPC2292內(nèi)部的16KB RAM無(wú)法滿足程序?qū)Υ鎯?chǔ)空間的要求。因此，本設(shè)計(jì)在LPC2292外擴(kuò)展了型號(hào)為IS61LV25616AL的RAM，其存儲(chǔ)空間512KB。

TCP/IP通信模塊

本文采用Microchip公司SPI接口的以太網(wǎng)控制器ENC28J60，其最大傳輸速率為10Mbps。ENC28J60通過(guò)SPI接口和LPC2292 相連接，網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)引腳通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器后連接到RJ45接口，兩個(gè)中斷引腳接單片機(jī)的外部中斷或者連接到通用I/O口，兩個(gè)指示燈引腳外接發(fā)光管連接到地或者電源，其余引腳是電源和地。圖3為ENC28J60接口電路圖。網(wǎng)口插座采用內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)變壓器、狀態(tài)顯示燈和電阻網(wǎng)絡(luò)的RJ45接座HR911105A，具有信號(hào)耦合、電氣隔離、阻抗匹配、抑制干擾等優(yōu)點(diǎn)。

CAN通信模塊

LPC2292包含2個(gè)內(nèi)嵌的CAN控制器。CAN控制器同其他外圍芯片一起構(gòu)成了CAN總線的接口電路。圖4為CAN總線接口電路原理圖，其中82C250是CAN控制器和物理總線間的接口芯片，該器件可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力。82C250和CAN控制器之間采用高速光耦6N137實(shí)現(xiàn)電氣上的隔離，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

重要參數(shù)的修改與存儲(chǔ)模塊

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集分站采用串口通信和TCP通信兩種方式修改重要參數(shù)，采用AT24C16作為存儲(chǔ)芯片。AT24C16是具備I2C總線接口2KB的E2PROM，該芯片用來(lái)存放數(shù)據(jù)采集分站的重要參數(shù)，在此不詳細(xì)介紹。

基于mC/OS-II的軟件設(shè)計(jì)

任務(wù)劃分

本文通過(guò)移植TCP/IP協(xié)議棧MCHPStack實(shí)現(xiàn)TCP通信；通過(guò)控制LPC2292內(nèi)部CAN控制器實(shí)現(xiàn)CAN通信；通過(guò)I2C接口實(shí)現(xiàn)對(duì)E2PROM的讀寫。在驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了mC/OS-II的移植，并按照數(shù)據(jù)采集分站的功能要求劃分和設(shè)計(jì)任務(wù)。通過(guò)任務(wù)來(lái)調(diào)用各個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)采集分站系統(tǒng)的功能。本文主要設(shè)計(jì)了TCP通信、CAN通信以及重要參數(shù)的存儲(chǔ)任務(wù)。CAN通信任務(wù)負(fù)責(zé)建立數(shù)據(jù)采集分站，采集井下個(gè)監(jiān)控模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并作相應(yīng)處理。因此，數(shù)據(jù)采集分站與井下監(jiān)控模塊之間的CAN通信任務(wù)應(yīng)該具有最高優(yōu)先級(jí)。又因?yàn)閿?shù)據(jù)采集分站要將數(shù)據(jù)及時(shí)傳給井上監(jiān)控中心，因此，TCP通信任務(wù)應(yīng)該排在第二位。重要參數(shù)的修改與存儲(chǔ)任務(wù)優(yōu)先級(jí)最低。

另外，系統(tǒng)還設(shè)置了三個(gè)中斷：一個(gè)定時(shí)中斷，用來(lái)為mC/OS-II提供時(shí)鐘節(jié)拍；一個(gè)是CAN通信中斷，用來(lái)接收CAN總線上的數(shù)據(jù)；一個(gè)串口通信中斷，用來(lái)接收串口數(shù)據(jù)。

各任務(wù)和中斷之間的關(guān)系及通訊情況如圖5所示。本文主要介紹CAN通信任務(wù)以及TCP/IP通信任務(wù)。

任務(wù)初始化

任務(wù)初始化完成任務(wù)的系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、參數(shù)配置、操作系統(tǒng)初始化、任務(wù)創(chuàng)建與啟動(dòng)。

CAN通信任務(wù)

圖6為CAN通信任務(wù)流程圖。CAN通信任務(wù)中，一方面無(wú)等待地接收TCP通信任務(wù)傳來(lái)的消息，解析并響應(yīng)執(zhí)行；另一方面，通過(guò)CAN中斷接收CAN中斷傳來(lái)的消息和解析消息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便井上監(jiān)控中心進(jìn)行查詢。

TCP/IP通信任務(wù)

TCP/IP通信任務(wù)在完成ENC28J60硬件驅(qū)動(dòng)后，通過(guò)調(diào)用TCP/IP協(xié)議棧MHCPStack中提供的狀態(tài)機(jī)函數(shù)StackSTK( )并進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)ARP、IP、ICMP、TCP等功能，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)TCP通信的任務(wù)。該任務(wù)負(fù)責(zé)接收井上監(jiān)控中心通過(guò)以太網(wǎng)傳來(lái)的TCP數(shù)據(jù)，并解析。如果是控制命令，則數(shù)據(jù)采集分站將控制命令及內(nèi)容，以消息隊(duì)列的方式傳給CAN通信任務(wù)，以便傳給井下各個(gè)監(jiān)控模塊；如果是獲取命令，則數(shù)據(jù)采集分站將其采集的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)，以TCP 協(xié)議傳給井上監(jiān)控中心；如果是參數(shù)修改命令，則進(jìn)行參數(shù)修改。

結(jié)語(yǔ)

煤礦礦井嵌入式數(shù)據(jù)采集分站收集井下各類監(jiān)控模塊數(shù)據(jù)，并及時(shí)傳送至井上監(jiān)控中心，為煤礦安全監(jiān)控提供了有效途徑。采用TCP/IP通信有利于數(shù)據(jù)采集分站的動(dòng)態(tài)使用；CAN通信保證了數(shù)據(jù)采集分站與井下各節(jié)點(diǎn)之間的高速率通信；移植的mC/OS-II操作系統(tǒng)增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與擴(kuò)展性。實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)的煤礦礦井嵌入式數(shù)據(jù)采集分站能適應(yīng)井下惡劣的環(huán)境條件，數(shù)據(jù)采集及時(shí)、有效。　　

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