本文提出了一種基于TCP/IP-CAN網(wǎng)絡的煤礦礦井嵌入式數(shù)據(jù)采集分站的設計方案,采用ARM芯片LPC2292為主控芯片，通過SPI接口控制以太網(wǎng)控制器芯片ENC28J60實現(xiàn)TCP通信，通過內(nèi)嵌的CAN控制器實現(xiàn)CAN通信。

在介紹系統(tǒng)硬件設計的基礎上，詳細介紹了基于mC/OS-II的軟件設計。整個系統(tǒng)能夠?qū)γ旱V礦井數(shù)據(jù)進行有效采集，具有良好的穩(wěn)定性與擴展性。

煤礦礦井數(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~，負責安全監(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。本文設計的數(shù)據(jù)采集分站與監(jiān)控中心之間通過TCP通信，與井下監(jiān)控模塊之間通過CAN通信。采用基于操作系統(tǒng)mC/OS-Ⅱ的軟件設計，以提高整個設計的穩(wěn)定性與擴展能力。

硬件設計

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

本方案采用ARM芯片作為主控芯片，在性能上遠遠優(yōu)于采用8位/16位單片機作為主控芯片的系統(tǒng)。TCP通信模塊實現(xiàn)了TCP通信。內(nèi)嵌CAN模塊使得CAN通信設計電路簡單，性能更加穩(wěn)定。串口通信和TCP通信都可以實現(xiàn)重要參數(shù)(IP地址、礦井號等)的修改，外擴E2PROM用于重要參數(shù)的存儲。

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無法滿足程序?qū)Υ鎯臻g的要求。因此，本設計在LPC2292外擴展了型號為IS61LV25616AL的RAM，其存儲空間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SPI接口和LPC2292 相連接，網(wǎng)絡的四個引腳通過網(wǎng)絡變壓器后連接到RJ45接口，兩個中斷引腳接單片機的外部中斷或者連接到通用I/O口，兩個指示燈引腳外接發(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)絡變壓器、狀態(tài)顯示燈和電阻網(wǎng)絡的RJ45接座HR911105A，具有信號耦合、電氣隔離、阻抗匹配、抑制干擾等優(yōu)點。

CAN通信模塊

LPC2292包含2個內(nèi)嵌的CAN控制器。CAN控制器同其他外圍芯片一起構成了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，該器件可以提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。82C250和CAN控制器之間采用高速光耦6N137實現(xiàn)電氣上的隔離，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

重要參數(shù)的修改與存儲模塊

本文所設計的數(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作為存儲芯片。AT24C16是具備I2C總線接口2KB的E2PROM，該芯片用來存放數(shù)據(jù)采集分站的重要參數(shù)，在此不詳細介紹。

基于mC/OS-II的軟件設計

任務劃分

本文通過移植TCP/IP協(xié)議棧MCHPStack實現(xiàn)TCP通信；通過控制LPC2292內(nèi)部CAN控制器實現(xiàn)CAN通信；通過I2C接口實現(xiàn)對E2PROM的讀寫。在驅(qū)動程序設計的基礎上，實現(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計任務。通過任務來調(diào)用各個驅(qū)動程序，從而實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)采集分站系統(tǒng)的功能。本文主要設計了TCP通信、CAN通信以及重要參數(shù)的存儲任務。CAN通信任務負責建立數(shù)據(jù)采集分站，采集井下個監(jiān)控模塊傳來的數(shù)據(jù)，并作相應處理。因此，數(shù)據(jù)采集分站與井下監(jiān)控模塊之間的CAN通信任務應該具有最高優(yōu)先級。又因為數(shù)據(jù)采集分站要將數(shù)據(jù)及時傳給井上監(jiān)控中心，因此，TCP通信任務應該排在第二位。重要參數(shù)的修改與存儲任務優(yōu)先級最低。

另外，系統(tǒng)還設置了三個中斷：一個定時中斷，用來為mC/OS-II提供時鐘節(jié)拍；一個是CAN通信中斷，用來接收CAN總線上的數(shù)據(jù)；一個串口通信中斷，用來接收串口數(shù)據(jù)。

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

任務初始化

任務初始化完成任務的系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、參數(shù)配置、操作系統(tǒng)初始化、任務創(chuàng)建與啟動。

CAN通信任務

圖6為CAN通信任務流程圖。CAN通信任務中，一方面無等待地接收TCP通信任務傳來的消息，解析并響應執(zhí)行；另一方面，通過CAN中斷接收CAN中斷傳來的消息和解析消息，并對數(shù)據(jù)進行處理，以便井上監(jiān)控中心進行查詢。

TCP/IP通信任務

TCP/IP通信任務在完成ENC28J60硬件驅(qū)動后，通過調(diào)用TCP/IP協(xié)議棧MHCPStack中提供的狀態(tài)機函數(shù)StackSTK( )并進行修改，實現(xiàn)ARP、IP、ICMP、TCP等功能，并在此基礎上實現(xiàn)TCP通信的任務。該任務負責接收井上監(jiān)控中心通過以太網(wǎng)傳來的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，以消息隊列的方式傳給CAN通信任務，以便傳給井下各個監(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，則進行參數(shù)修改。

結語

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)點之間的高速率通信；移植的mC/OS-II操作系統(tǒng)增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與擴展性。實踐證明，本文設計的煤礦礦井嵌入式數(shù)據(jù)采集分站能適應井下惡劣的環(huán)境條件，數(shù)據(jù)采集及時、有效?！　?br />

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