多协议矿山自动化通信平台设计与实现

　　摘要采用ARMCortexM3微处理器，设计并实现了矿山自动化多协议通信平台，系统架构采用微处理器实时操作系统嵌入式TCP/IP协议栈的形式。构建了图形显示接口，以SPI接口模式驱动TFTLCD。经JPEG压缩后的图像文件，大小约45kB，大约需要600ms传输时间，可满足通信平台的需求。在设计时采用了降低噪声、防止干扰等技术措施以提高电源部分的稳定性。为了方便系统调试，提供RS232串行通讯与PC机建立数据连接，可以支持技术人员以便携式计算机或PC机观察系统的运行状态。通过RS232485转换器，可以实现矿山自动化系统设备接入。通过移植嵌入式TCP/IP协议栈和嵌入式文件系统EFSL，实现了文件传输和嵌入式Web服务器，可以实时显示通信平台接入的矿用设备的基本信息。试验结果表明：通过对矿山自动化通信平台进行有机整合设计，实现了各子系统协作、关联操作，解决了矿山多年的信息孤岛问题;在Web端实现了对整个矿山采集数据的无缝整合，能够快速实时查询和追踪采场环境变化和生产工艺过程的所有动态信息;能够实现矿山生产运行态势实时监控、采矿生产运营决策和指挥、事故追踪和预警等。

　　关键词多协议通信以太网文件系统文件传输

　　矿山自动化系统由大量的电气设备构成，其通信接口各不相同，涉及CAN总线、RS232、RS485、ZigBee等多种通信传输方式。随着信息技术的不断发展，矿山自动化管理和智能化发展要求越来越高，催生了以太网技术在矿业自动控制领域快速发展。在一些新建矿山自动控制系统中，以太网直接进入了控制层[14]。空调、供水监控系统等通过ENC系列网络参量集成模块将现场各种信息集成到以太网上;带有RS232或RS485接口的系统通过串口服务器链接到以太网和Internet上;矿井使用的IP电话是在工业以太网络上实现的语音应用业务。

　　然而，在已建成的矿山中，大多数设备通常只具备单一的通信接口并按照不同的传输协议输出数据，很难快速接入以太网，在信息融合和综合处理方面存在极大的不便。因此，迫切需要开发支持多协议的通信网关，可同时接入不同协议类型的传感器和电气设备，通过以太网协议的形式将多源数据传输到远程服务器进行综合处理。

　　本研究基于矿山企业管理需求，搭建了基于万兆以太网技术的高分辨率高帧率图像文件传输通信平台，将矿山自动化系统中几种常用的内部(I2C/SPI)、系统(ISA/PCI)、外部(USB/RS232)等几条总线接入到通信平台中。通信平台采用ARM嵌入式微处理器，集成了以太网接口、CAN总线接口、RS232接口和图像显示终端等，实现了多接口的嵌入式底层驱动和软件设计开发，嵌入式TCP/IP协议栈和文件系统移植，研究并实现了JPEG软件解码(获取图像信息、构建解码码表、Huffman解码、反量化等)和几种总线与以太网间的数据转换。

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　　1通信平台系统构架实现

　　1.1系统构架设计

　　TCP/IP协议的实现方案主要有[56]：①微处理器+TCP/IP协议单片网络芯片;②32位微处理器(Microprocessor)实时操作系统(RealTimeOperatingSystem,RTOS)+TCP/IP协议栈(tcp/iptreatyseries);③专用片上系统;④低档MCU+精简TCP/IP协议等。本研究采用方案②进行实现，较其他方案技术比较成熟，且开发成本不高，是一种可行的嵌入式Internet解决方案。通信平台主要由图像显示终端、STM32微控制器、以太网驱动电源等多个模块组成，融合了TCP/IP技术、图像处理、嵌入式系统和数据传输等多种技术，其功能包括数据存储、传输、转换以及图像文件显示。

　　1.2微控制器选型

　　矿山生产工艺复杂、数据量巨大，一方面，对主控芯片的数据处理能力和传输能力有较高要求;另一方面，系统应尽量具有丰富的外设接口和较低的功耗特点。为此，本研究主控芯片选择STM32系列微控制器的32位STM32F107VCT6。

　　Fig.1tructureofsystemfunction5V电源STM32微控制器JTAG通信接口以太网CAN总线RS485RS232SD卡存储LCD图像显示复位电路STM32F107的主要特性为[78]：32位的ARMCPU，主频72MHz，具备256闪存程序存储器;电源供电电压为2.0~3.6，具有上电断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器和掉电监测器，能够在电源异常时使系统尽快恢复正常运行。该处理器内嵌MHz高速晶体振荡器，使用32kHz晶体的RTC振荡器，具有睡眠、停机和待机模式。

　　同时，还拥有80个快速I/O口，路PWM输出、个用于输入捕获输出比较的通道、边缘中间对齐波形和紧急制动、死区控制、个同步的独立和窗口型定时器。在通信接口方面，STM32F107具备CAN接口、个USART、10/100以太网MAC、个SPIUSB2.0接口。STM32F107片上集成的以太网媒体访问控制子层协议(MAC，MediaAccessControl)支持媒体独立接口(MII，MediaIndependentInterface)和简化媒体独立接口(RMII，ReducedMediaIndependntInterface)。组建一个完整的以太网功能仅需外接PHY芯片，适合于小型的多协议通信控制器。

　　1.3系统硬件电路

　　1.3.1电源、复位和时钟电路

　　通信平台总的电源输入是来自AC/DC适配器(外置电源)提供的外部直流电源。为了提高电源部分的稳定性，设计时采用了降低噪声、防止干扰等技术措施。将直流电源接入平台后，使用瞬态k9(瞬变)电压抑制二级管，然后经过稳压、滤波和降噪处理，以供LCD的图像显示终端。由于系统中多数芯片采用了3.3电压，所以使用了一款LDO提供到3.3的电源转换，电流最大可达1.2。

　　系统复位在通信平台中上主要包括外部复位和软件复位。本研究采取RC复位电路，低电平持续时间由RC的时间常数决定。微控制器的内部时钟最大只能达到36MHz且精度较差，因此采用外接25MHz晶体振荡器，为系统提供准确的主时钟。

　　1.3.2通信协议接口设计

　　系统提供以太网、CAN和RS485/232等种通讯方式。为了方便系统调试，提供RS232串行通讯与PC机建立数据连接，可以支持技术人员使用便携式计算机或PC机观察系统的运行状态。通过RS232485转换器，可以实现矿山自动化系统设备接入。硬件连接采用MAX2232芯片进行TTL/RS232电平转换。STM32微控制器具有内置CAN控制器，本研究采用3.3VCAN总线收发器SN65HVD230，具有差分收发能力，通信速率最高可达/s，选择端口RS为低电平，使收发器工作在高速模式。

　　STM32F107内部含有MAC控制器，只需要外接PHY芯片和RJ45接口就能够实现以太网通信的物理要求。PHY芯片采用的是美国国家半导体的DP83848C10/100Mb/s单路物理层器件，属于低功耗器件(3.3V)，满足MII/RMII/SNI接口需求以及IEEE802.3标准。RJ45接口带有网络隔离变压器，既可以使PHY和网线之间没有物理上的连接，传递信号的同时隔断信号中的直流分量，还可以在不同电平的装置中传送数据信息。

　　1.3.3图像显示设计

　　图像显示终端采用TFTLCD作为显示器件，像素为240×320RGB。设计系统接口用于读写图像存储器GRAM和控制寄存器，编写RGB输入接口来显示动态图像;根据硬件资源特点采用并行口、串行外设接口等方式来显示高效率数据传输的静态或动态图像。系统设计采用串行外设接口模式来驱动薄膜晶体管液晶显示器。选用SD卡作为数据存储器件以便后期进行系统升级。受通信平台空间限制，采用了MicroSD。MicroSD接口模式采用了SPI模式。

　　2以太网通信实现

　　2.1嵌入式TCP/IP协议栈

　　TCP/IP协议是一种网络通信协议，对网络上的所有通信设备进行了规范，包括主机之间的传送方式和数据格式。TCP/IP协议的实现极其复杂，常常占用大量的系统资源，然而嵌入式系统包含的资源有限，因此需要在保证其实现性的同时减少空间占用[910]。LwIP是用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈，只需要40左右的只读存储器和数十的随机存储器就可以运行，适合在嵌入式系统中使用。LwIP协议支持多网络接口下的IP转发，可以应用到操作系统上，也可以独立运行。此外，为提高应用程序的性能，设计有专门的内部回调接口(RawAPI)。

　　2.2协议栈LwIP的移植

　　LwIP将协议栈留在内核中，应用进程通过调用与协议栈进行通信。应用程序与TCP/IP协议栈通信经过RAWAPI回调函数实现。以太网驱动程序按指定的格式将要发送的数据包写入芯片并输入、输出缓冲区中，同时启动发送命令，主要包括以太网初始化、数据发送和接收函数。通过ARP，在同一物理网络环境里，主机只搜索到某个目的主机的IP地址，即可找到该目的站的物理地址。ARP协议处理流程包括接收和发送两部分。

　　接收以太网驱动程序送来的ARP数据包由接收部分完成，IP或ICMP协议的地址解析由发送部分完成。动态主机设置协议是一个局域网的网络协议，基于UDP协议工作，包括给内部网络供应商自动分配IP地址，以及给用户和内部网络管理员提供对环境内所有计算机的操作。LwIP对IP数据包有种处理方式，即接收数据包、发送数据包、转发数据包。

　　3图像显示终端的设计与实现

　　3.1压缩图像文件

　　JPEG文件分为标记码(tag)和压缩数据两部分。JPEG图像的大部分信息是通过标记码给出，包括图像的高、宽、量化表、哈夫曼表等。标记码由两个字节组成，其中前一个字节是固定值0xFF，在每一个标记之前可添加任意量的0xFF填充字节。JPEG算法的功能分为种运行方式，即基本DCT顺序、基于DCT扩展、无失真、分层，用户只要从中选择需要的功能即可[1314]。

　　4多协议数据的以太网接入

　　(1)RS485建筑能耗检测平台设备接入。本研究采用了一种主从式应答的通讯连接方式，即Modbus协议，实现能耗检测平台与通信平台通过RS485接口连接。通信平台的信号寻址到台地址唯一的终端设备，发送查询消息帧，其中包括功能码、校验码、设备地址码和数据信息码;然后，终端设备发送应答，在回应消息中有从机地址、功能代码、数据信息码和校验码。本研究能耗检测平台设备的接入是通过外接RS485232转换器实现的。

　　(2)CAN总线设备接入。CAN总线采用多主机工作方式，网络上任意节点都可以作为主机发送数据;节点通过报文标识符划分优先级，满足实时性要求[156]。STM32F107自带的CAN控制器支持CAN协议2.0A和2.0B，具有个发送邮箱和个能够存放个完整报文的FIFO。CAN与Ethernet的协议转换程序在CAN中断中编写。考虑到实时性要求，TCP/IP传输层采用了无连接的UDP方式。PC机作为CAN节点向通信平台发送CAN数据包，通信平台收到后以UDP形式发送给另一台PC机。

　　(3)RS232设备接入。RS232与Ethernet间信息转换，与CAN总线相似，在通用同步异步收发器的中断函数中编写，得到数据后通过用户数据报协议发送到网络上[118]。STM32内部带有通用同步异步收发器，外接电平转换芯片MAX3232后可以与其他TTL电平设备串口通信。RS232设备用PC机代替，通过串口连接到通信平台，然后发送到以太网上的另一台PC机上。

　　5应用实例

　　当前，地下矿山基本实现了矿山安全避险管理中“六大系统”建设，包括环境感知、视频监控、安全预警和基础自动化建设等内容，但是当前各个监控系统的数据和监测功能存在管理分散、系统集成度不高、数据综合利率低等因素。此系统的成功应用，解决了矿山多年的信息孤岛问题，可在Web端接入综合自动化子系统的相关重要数据;在矿山动态工况图中展现以下子系统的实时信息，如风机监测系统、通信联络协调、压风自救系统、供水施救系统、皮带集中控制系统、水位监测系统、水泵监控系统、提升系统、矿压监测系统、应急逃生系统等。

　　6结语

　　矿山自动化系统具有大量的电气设备，需要构建合适的通信接口以接入以太网。以STM32F107处理器为核心，设计了基于嵌入式系统的矿业自动化多协议通信平台，实现了TCP/IP、CAN总线、RS232/RS485等多种协议的接入和数据交换。在此基础上，通过协议移植实现了文件传输和嵌入式Web功能。研究了JPEG图像的软件编解码，从而成功地将图像显示于LCD显示屏。本盐湖有设计方案能够为矿山采矿自动化通信系统的设计提供有益借鉴。

　　参考文献

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　　作者：马宁张光明王润

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