單芯片嵌入式網(wǎng)關(guān)在煤井下人員定位中的應用

隨著(zhù)Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，煤礦井下光纖環(huán)網(wǎng)是近年來(lái)研究與應用的熱點(diǎn)，它在煤礦井下安全監控中起著(zhù)越來(lái)越重要的作用。本文在煤礦井下光纖環(huán)網(wǎng)的框架下，設計了光纖以太網(wǎng)轉工業(yè)RS 485總線(xiàn)的網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)可將井下人員定位基站入網(wǎng)，實(shí)現人員定位信息的網(wǎng)絡(luò )查詢(xún)、跟蹤以及安全檢測與監控等功能。

由于單芯片嵌入式網(wǎng)關(guān)具有成本低、體積小、可靠性高、功耗低、環(huán)境適應能力強等諸多優(yōu)點(diǎn)，在通信和工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應用。

1 嵌入式網(wǎng)關(guān)構架

基于以太網(wǎng)的TCP／IP轉換為工業(yè)RS 485和RS 232協(xié)議的基本構架如圖1所示。根據嵌入式網(wǎng)關(guān)的功能，本設計實(shí)現了以下協(xié)議：HTTP，TCP，UDP，IP，ICMP，ARP。

(1)HTTP是嵌入式WEB服務(wù)器的主要構架，屬于應用層協(xié)議，本文主要實(shí)現網(wǎng)關(guān)系統參數設置與查詢(xún)、基站系統參數的設置與查詢(xún)。

(2)TCP協(xié)議是面對連接的，在本文中實(shí)現井下基站與遠程以太網(wǎng)終端數據的通信：提供TCP Server功能，負責終端電腦主動(dòng)連接網(wǎng)關(guān)，實(shí)現數據通信；實(shí)現TCP Client功能，提供網(wǎng)關(guān)主動(dòng)發(fā)起的數據傳輸，比如網(wǎng)關(guān)中有數據需要通信的時(shí)候(注：圖1中的TCP S／C代表用戶(hù)基于TCP Server以及TCP Client的應用程序，下同)。

(3)UDP協(xié)議是面對連接的網(wǎng)絡(luò )數據傳輸，數據傳輸不可靠，但是在某些場(chǎng)合，比如數據的鏈路比較少，那么可以采用基于UDP的數據傳輸協(xié)議。在本設計中保留了基于UDP的數據傳輸協(xié)議。

(4)IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議的主要協(xié)議，由圖1可知，UDP和TCP協(xié)議就是在此層之上實(shí)現的。

(5)ICMP和ARP協(xié)議實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的一些基本配置，ARP為地址解析協(xié)議，是將IP地址轉換到硬件地址的協(xié)議，ICMP是IP的附件，用于實(shí)現網(wǎng)絡(luò )上節點(diǎn)的診斷，并返回錯誤消息，也就是我們最常用的ping協(xié)議。

2 硬件結構設計

硬件的系統框圖如圖2所示，光纖轉電模塊實(shí)現光纖到電的RJ45轉換，RJ45實(shí)現光纖轉換模塊和MC9S12NE64(以下簡(jiǎn)稱(chēng)NE64)的連接，4個(gè)SPE485實(shí)現該網(wǎng)關(guān)與基站的RS 485連接，MAX232實(shí)現調試輸出或基站的RS 232連接。本系統的光纖轉電模塊采用netLINK公司的HTB-1100S-25，該轉換器為自適應光纖收發(fā)器，用于將100 Mb／s的光網(wǎng)轉換為速度為：10／100 Mb／s的雙絞線(xiàn)RJ45接口。

2.1 MC9S12NE64以太網(wǎng)單芯片簡(jiǎn)介

NE64是Freescale公司于2004年9月推出的高性?xún)r(jià)比、業(yè)內首個(gè)嵌入式單芯片以太網(wǎng)微控制器，內核為HCS12。由標準的內置外設構成，主要包括一個(gè)16 b的中央處理器單元(HCS12 CPU)，64 kB的FLASHE2PROM，8 kB的RAM(EMAC共享)，集成了10／100 Mb／s以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(EPHY)的以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器(EMAC)，2個(gè)異步串行通訊接口模塊(SCI)，1個(gè)4通道16 b定時(shí)器模塊(TIM)以及多達21個(gè)管腳可用于鍵盤(pán)喚醒輸入(KWU)等。內置的PLL電路允許對功耗和性能進(jìn)行調節來(lái)滿(mǎn)足運行要求。此外，內置的帶隙基準穩壓器，用于將3.15～3.45 V的外部工作電壓轉換成2.5 V的內部數字電源電壓(VDD)。

2.2 網(wǎng)絡(luò )接口設計

NE64內部集成了用于連接以太網(wǎng)的EMAC和EPHY協(xié)議層，因此省了外接的PHY，只需連接少許的外部電阻和電容以及一個(gè)RJ45接口就可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的物理連接，接口電路如圖3所示。

2.3 RS 485和RS 232接口設計

NE64本身具有雙串口，因此本文將串口0(SCI0) 設計為RS 485通信，將串口1(SCIl)設計為RS 232通信。

在煤礦井下人員定位系統中，該網(wǎng)關(guān)通過(guò)RS 485(串口0)與本地基站相連以獲取人員信息。為增加系統中RS 485的驅動(dòng)能力，設計了4路接口，原理圖如圖4所示。

在圖4(a)中，只畫(huà)了一路的RS 485接口電路，其他的3路基本一樣。在接收腳RXD00串聯(lián)電阻和LED指示燈，用于指示電路的接收狀態(tài)，發(fā)送狀態(tài)的LED指示燈沒(méi)有在圖中畫(huà)出，原理同接收電路。WD1～WD3及串聯(lián)的20 Ω小電阻，具有防雷擊功能。圖4(b)中的RXD01～RXD03是另外3路RS 485的接收端，要注意的是圖中74HC09是集電極開(kāi)路輸出，因此在輸出時(shí)需接一個(gè)上拉電阻，RXD0直接連接NE64的串口0的接收端，而4路RS 485的發(fā)送端TXD0連接在一起并和NE64的串口0的發(fā)送端相連。

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