串口-以太網轉換設計在礦山監控中的應用

梁金蕊

（陽煤一礦機電工區 信息中心，山西 陽泉 045000）

隨著科技的發展，現有的井下安全監測監控系統已無法適應礦井信息技術發展的需要。2017年4月份召開的有關煤礦安全監測監控系統更新升級的會議，出臺了《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》，明確指出：未來煤礦礦井中的分站至主干網之間宜采用工業以太網，同時提出了對各個礦井井下工作環境接入以太網的設計要求。經過對現有應用及功能的分析目前采用的現存的串口數據直接加入TCP/IP協議以太網傳輸，從而實現對井下信息的及時有效的獲取。通過該設計方案可對目前已有的設施進行有效利用，縮短網絡鋪設帶來的時間及成本消耗。因此文中的重點是完成對串口-以太網轉換器的設計。

1 系統總體設計

根據下圖1中所顯示的內容可知軟件設計的核心為串口-以太網轉換器，通過串行數據鏈路的方式實現其與煤礦井下所鋪設的以太網設備實現數據的交互。系統設計中所包含的硬件部分有主控制器、串口數據接口、以太網物理層收發器、電源及系統隔離設計等。系統設計中所包含的軟件部分有對以太網物理層程序的功能設計、TCP/IP協議的在系統的加入、串口通信交互數據處理的程序設計及系統的應用層功能的設計。

圖1 系統總體結構設計框圖

2 主要硬件設計

2.1 主控制器設計

文中使用的主控制器所采用的是TI公司所生產的MSP430F149處理器，該處理器具有功耗低且通過精簡指令集實現功能程序的設計，另外通過對EEPROM的擴展可實現串口與通信網的接口連接及其礦井下網絡MAC地址、IP地址等資源信息的配置。另外為了在以后生產中在離線的狀態下對系統固件進行更新升級該系統還額外引出了一個BSL接口以供擴展。

2.2 以太網物理層收發器設計

系統中針對以太網中的物理層的收發設備的設計是基于CirrusLogic公司所設計的CS8900A以太網控制設備完成功能的實現，該設備同時具有功耗低且標準采用為IEEE802.3。該設備可在3.3 V電壓完成電量供電驅動，同時處理器的電平值相匹配通過RAM設計完成對接收與發送兩端的數據進行幀緩存。其數據的交互是通過與MSP430F149處理器的P5接口連接實現，其地址總線是通過與MSP430F149處理器的P0、P1、P2、P3接口連接實現。另外其IO的輸出與輸入是通過與MSP430F149處理器的P14、P15接口連接實現。CS8900A以太網控制設備在系統中的設計見圖2。

圖2 以太網物理層收發器硬件電路原理

2.3 系統隔離設計

為了使得系統中的硬件電路設計具有安全性與隔噪的能力因此加入了隔離電路的設計，即通過在物理層收發器硬件及串口轉換電路中加入網絡變壓器H1102設備從而使得所設計出的電路具有在數據傳輸時能夠有波形修復、阻抗匹配、抑制干擾及隔離的效果。系統隔離部分的硬件設計電路見圖3。

圖3 系統隔離的硬件電路原理

3 軟件設計

3.1 以太網物理層程序設計

以太網軟件的設計主要是為實現收發器能夠進行正常的初始化、數據讀寫及其數據傳輸的功能。通過Init8900()方法即可完成對處理器及其接口、網絡MAC地址及其收發功能、數據傳輸校驗和廣播等完成初始化功能。其中對需要接收與發送的數據通過Write8900()與Read8900()方法即可完成。在軟件設計中首先通過寫入或是存儲的方式進行數據的緩存，隨后再通過讀取或是寫入的方式完成整個數據讀寫過程。

3.2 TCP/IP協議程序設計

TCP/IP協議在系統數據傳輸中是核心內容，通過該協議內容可完成對驅動程序中數據的讀寫與上位機兩者間數據的交互。程序初始化中首先是通過定時器設計完成對TCP/IP協議的數據幀及其重傳時間進行設定。另外在程序設計中還包含有對TCP/IP協議進行狀態監聽的狀態機TCPStateMachine設計，因此在數據傳輸之前應該先通過相應的協議對狀態機的狀態進行監聽，其中LISTENING代表狀態機已經初始化完畢并處于偵聽態，ESTABLISHED代表目前狀態機內部存在有有效的連接，數據傳輸時完成TCP/IP的三次握手即可正常實現數據的收發。其中ProcessTCPFrame()與DoNetworkStuff()分別表示用戶向狀態機進行數據的接收與發送。

3.3 串口數據通信程序設計

通過中斷的方式完成對數據的查詢、接收及其發送功能。其中接收與發送的效率可通過在RAM中設置Txbuffer[]和Rxbuffer[]緩沖數組的方式進行提高。在讀數據的寫入與讀出時可通過指針移動的方式對數據傳輸與接收是否完畢進行確認。當讀寫指針出現重合的情況下即說明當前處理已經完成，因此在下一階段數據處理前需要對緩沖區進行清空處理避免CPU出現堵塞問題的產生。

4 軟件在煤礦頂板在線監測系統中的應用

文中設計的煤礦頂板在線監測系統，其是一款具有安全性高且應用性強的安全監測系統。其結構組成主要包含有無線數字壓力計、數據傳輸中繼站及分站、電路電源設計等。其中無線數字壓力計通過固定于工作面液壓支架立柱的方式完成對立柱下腔壓力值大小的采集，然后再通過無線傳感器網絡的自組織方式將所感應到的值通過中繼站轉發的方式傳輸至分站。文中通過將串口-以太網轉換器以嵌入的方式引到傳輸分站中從而使得無線傳感器設備能夠完成與串口-以太網間數據的傳輸，然后串口轉換器再通過外接光纖資源完成與井下工作的信息交互。另外在地面監測中的計算機設備通過光纖收發裝置實現與井下以太環網的連接從而實現數據的實時交互作用。系統所設計的在線監測系統數據傳輸分站見圖4。

圖4 數據傳輸分站原理框圖

4.1 系統測試和產品應用

目前陽煤一礦使用中的瓦斯監控系統其組成主要包含有地面監測點、與井下網絡交互的調制解調器、井下傳感器及其電源、煤礦生產的電控設備、KJ2000N監測軟件等。其中地面監測點的系統環境為目前主流的Windows 2000 Server，通過該系統環境大大提高了監測軟件在功能上的可靠性與穩定性。井下的組成另外包含有報警裝置及遠程斷電控制設備等。其中放置于井下的分站所處環境通風效果較好，監測傳感器所安裝的位置為易聚集沼氣及一氧化碳等危險物質的地域，井下任意一臺分站所留有的外接口包含有大量的模擬量接口、開關量接口及其控制量接口。

圖5 井下分站測控通信

圖6 網絡傳輸接口裝置

系統通過將串口-以太網轉換模塊以嵌入式的方式引入系統硬件的設計中從而實現了煤礦頂板在線監測系統的功能實現。隨后通過給系統軟件加入7×108b大小的數據進行誤碼率測試的結果表明系統具有較低的誤碼特性。該實驗的效果見圖7。

圖7 誤碼率測試結果界面

通過KJ2000N系統可以準確、全面地了解井下安全情況和生產情況，實現對災害事故的早期預測和預報，并能及時的自動處理。生產調度人員可以掌握井下設備運行情況，準確地指揮生產。

5 結語

將串口通信與TCP/IP協議進行聯調的方式可有效的完成對井下以太網進行監測功能的設計與實現。文中所設計出的遠程煤礦頂板在線監測系統通過在實際礦井中的應用表現出了良好的監測效果，目前該系統已成果應用與山西陽煤一礦生產中體現了較高的穩定性。