1 引言
煤炭是我国的主要能源,而煤矿自动化与信息化是煤矿安全生产的重要保障。“十一五”期间各种煤矿技术及系统的快速发展以及近年来智能传感技术、自动化及控制技术在煤矿工业中的广泛应用、煤矿井下工业以太网的搭建使得煤矿的综合自动化信息化程度有了很大的提高。但同时由于煤矿井下的各系统之间的互不兼容,以及各系统与工业以太环网所构筑的宽带综合业务数字网络平台的兼容性,使得各总线系统无缝接入井下工业以太网系统成为煤矿企业信息化发展的重头戏。为使煤矿井下各系统跟综合业务数字网络平台进行无缝连接以实现矿井的自动化、数字化、信息化、智能化管理,本文设计了一种RS485总线、CAN总线、RS232、1wire总线以及以太网接口与工业以太环网互联的综合接入网关来解决该问题[1]。
如图1所示,通过综合接入网关的无缝连接,将各工作面各总线系统通过网关接入工业以太环网,以便形成整个煤矿企业综合自动化系统。
各总线数据通过网关进入工业以太环网传输到上层PC机来实现对整个矿区的监控,同时各控制信息通过工业以太环网及网关分别传递到各现场总线设备来进行生产的监控。
2 网关的硬件组成
使用现有的非网络设备接入网络,目前较为普遍的方法是使设备通过接口转换设备与以太网相连,这种方法硬件设计较为复杂,同时由于接口转换设备的抗干扰能力,及内存、引脚资源等方面的限制,使得成本较高,且实现功能简单,只能进行一两种协议间的转换,而且还不易于后期的维护与管理。
本文使用嵌入式网络微控制处理器DS80C410实现了将多种现场总线设备与工业以太网的无缝连接,如CAN总线、RS485、1wire总线等。系统的原理框图如图2所示。
2.1 主控制器的选择
DS80C410网络微控制器是高度集成的8051器件,内部集成了1个10/100M以太网控制器(MAC),3个通用全双工串行端口,1个CAN2.0B控制器,1个1wire控制器和64个I/0口,具有64k字节内部SRAM用于存储用户应用程序和网络堆栈。为了便于访问网络,在ROM中提供了一个完整的、可被应用访问的TCP/IP协议栈,可访问16M存储空间;4个数据指针;网络协议栈同时支持32个TCP连接而且可以通过以太网MAC以5Mbps的速度发送数据。最高工作频率可达75MHz[2]。
和其他单片机相比,DS80C410的指令操作功能强大,不需要外扩存储器。同时系统能够实现在工业现场以10/100Mbps的网络传输速度进行实时通信,便于系统实现网络化测试。另外它指令执行的速度比普通的8051快3倍,有利于提高系统的响应时间。
2.2 以太网接入设计
利用内部集成的MAC,通过物理层器件与以太网相连;该MAC具有标准的介质无关接口MII,可以用来设置外部物理设备,并进行接收、发送和流控制。在工作中,MII可以设置为半双工和全双工模式,速率可以是10Mbps和100Mbps。设计中物理层设备采用遵守快速以太网协议的接口收发芯片LXT972ALC,外接网络变压器S558-5999-T7。LXT972ALC设备实现了标准IEEE802.3定义的MII,提供了从MAC到LXT972ALC数据传输的独立通道,每一个通道都有各自的时钟、数据总线和控制信号。
物理层设备与以太网控制器的连接如图3所示。
其中MAC有专门的接收发送缓冲区,缓冲区控制单元(BCU)等,主要由BCU负责以太网的收发活动,减少了CPU的参与,保证了以太网收发的效率。
2.3 CAN网络接入设计
通过集成的CAN2.0B控制器,外接CAN收发器PCA82C250和CAN网络相连。PCA82C250是CAN控制器和CAN总线的接口,可以提供对CAN总线上数据进行差动发送和接收的能力。并通过6N137对主芯片进行隔离。CAN的转换收发连接如图4所示。
2.4 串口网络接入设计
RS232电平转换采用MAXIM公司的包含2路收发器和驱动器的电平转换芯片MAX3232以保证其电平的匹配。
RS485接口芯片采用的是SN75LBC184,并对主芯片用TIL117进行光电隔离。RS485总线的连接如图5所示。
3 网关的通信流程及转换原理
煤矿井下各系统优先级各不相同,这体现在整个多媒体综合业务数字网中统一的应用层的协议数据帧的优先级标识里[5]。作为网关的数据处理会首先对各总线系统进行优先级的识别,然后再实现各优先级的总线数据的调度及协议转换。网关的通信流程以CAN跟以太网间的通信为例,其流程图如图6所示。
CAN与以太网协议转换主要是对源IP地址、目的IP地址以及TCP数据场的格式进行相应的映射。RS485的通信过程跟CAN跟以太网的通信过程类似。在网关中通过对总线数据格式的识别标识区分总线类别,然后依次按各总线数据通信流程在网关中进行信息的无缝衔接。
4 网关的程序设计
DS80C410集成了64KB的ROM,具有工业标准的TCP/IP v4/v6协议栈、占先式的调度程序和网络引导程序、串口引导装载程序。网络引导程序和串口引导装载程序可以装载应用程序。借助Dallas公司提供的软件开发工具包TINI SDK,用Java来开发应用程序。TINI SDK将DS80C410中的硬件部分虚拟为Java的类,从而将对实际硬件的操作,转变为对对象方法的调用[3]。本网关系统程序分为6个部分:硬件初始化、网络配置初始化、任务调度算法、RS485通信模块、CAN通信模块和以太网通信模块。其流程图如图7所示。
硬件电路初始化包括单片机初始化、CAN初始化和RS485初始化。其中单片机初始化包括单片机内部以太网控制器的配置和发送接收缓冲区的划分等。CAN控制器的初始化是指对其内部屏蔽寄存器,接收/发送缓冲器以及CAN总线波特率的配置。RS485的初始化包括设置RS485的波特率,设置发送/接收缓存的大小并使能中断。
作为一个以太网的网络节点,综合接入网关需要进行相应的网络配置,如IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器地址等。
由于DS80C410的ROM已经对TCP/IP协议进行了固化,所以我们只需调用相应的传输层协议即可,通常情况下为保证监测及控制数据的传输正确率而采用TCP协议。由于DS80C410固件采用基于优先级的抢先式任务调度,其基于时间片的调度方式,使得低优先级业务也能获取一定时间的CPU 控制权,以提高公平性。
初始化结束后,MAC中的BCU(缓冲控制单元)获得CPU控制权。它将查询以太网的MAC层是否接收到有效数据;如果接收到,则根据协议进行解包,判断是CAN报文还是RS485数据,将其标志位置后放入预定的内存地址等待其他处理程序查询处理。然后CPU将控制权交给以太网通信模块。
以太网通信模块获得CPU控制权后查询以太网发送缓冲区是否有数据需要发送;如果有就立即打包发送。如果没有则通过任务调度模块监控CAN/RS485上优先级的数据让其先行通过。如果CAN获得CPU的优先级控制权,则进入CAN通信模块,查询相关标志位,进行CAN与以太网的数据转换。一定的时间片后RS485获得CPU的控制权,则进入RS485通信模块,进行数据的接收、转换和发送等操作。然后通过调度算法进入下一个数据调度转换循环。
5 网关的实时性分析
由于煤炭企业网络信息通常可以归结为自动化系统控制命令,自动化系统监测数据,语音业务,视频业务,普通安全生产数据5大类,而它们对服务质量(Qos)的要求各有特点。根据其对生产安全的关系影响程度,各信号分别拥有不同的优先级。其中自动化系统控制命令最高,然后是系统监测数据,再次是音频业务,工业电视,流式视频,普通安全生产数据业务[4]。针对不同的优先级的任务其实时性要求是不同的。而DS80C410是抢先式基于优先级的任务调度方法,不同于一般转换装置的协作式多任务处理机制。协作式多任务处理机制一旦某个应用程序出错,就会抓牢系统的控制权,容易出现系统的崩溃。这种多任务机制对于网关软件系统这种可靠性和实时性要求很高的任务来说是不合适的。抢先式多任务环境下,基于时间片的轮转来调度多个应用程序的执行。在指定时间片结束后,将控制移交给下一进程[5]。它刚好适用于煤矿井中周期性信息量占多数且各系统优先级不同的情况,因此该网关在实时性方面对于煤矿井的应用是非常适合的。
6 网关的可靠性措施
由于以太网收发器本身功耗比较大,加之网关中的部分元件(如稳压芯片的外围电容)在电路设计中无法完全实现本安特性,所以可以采取增安、气密、浇封等隔爆措施,使设备产生的电火能量不会外泄,以保证系统使用的安全性。
由于浇封技术可以加强电气绝缘,防止短路和人为拆动,阻止爆炸性气体侵入,防止产生火花,降低元件或导电部件的最高表面温度,因此,通过对电路浇封实现网关设备的本安特性[6]。
同时我们还对电路进行了静电冲击、雷击的电路保护,其中RS485电路中的接口芯片SN75LB184就不但能抗雷电的冲击而且还能承受较高的静电放电冲击,同时还能抑制信号在传输过程中的电磁干扰和终端反射。在RS485,CAN跟以太网的转换电路中都进行了光电隔离,同时对以太网接口也采用了网络变压器进行隔离。
7 结束语
本文在结合矿井实际的情况下,从煤矿井的多媒体综合业务数字网络的服务质量出发采用了一种嵌入式网络控制器,设计了实时性网关,该网关外围器件少,硬件电路设计相对简单,系统开发周期较短,开发成本相对较低,较好的实现了各总线设备的互联问题,为矿井下宽带综合通信平台的搭建铺平了道路。该网关可靠,体积小,符合矿用本安要求,兼顾煤矿井下信息情况,实时性高,具有实际应用价值。
参考文献:
[1] 江海峰,孙彦景.矿用本安型综合接入智能网关的研究[C].第十四届全国煤矿自动化学术会议,山东青岛,2004.
[2] Dallas/Maxim semiconductor.High-Speed Microcontroller User’s Guide:Network Microcontroller Supplement,[EB/OL] http://www.maxim-ic.com.cn/(2003,10).
[3] 凌空,蒋式勤.用51内核网络单片机构成的远程监控系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2005,2(2):47-49.
[4] 尹洪胜,刘振.煤炭企业多媒体综合业务数字网络服务质量模型[J].中国矿业大学学报.2010,39(1):109-115.
[5] 韦娟.工业以太网接入网关研究与应用[D].南京理工大学硕士论文,2010,22-27.
[6] 刘文松,华钢.矿用本安型以太网综合接入网关设计[J].矿山机械,2008,18(2)62-64.
作者简介:张从力(1960－),男,教授,研究方向:工业安全与环境检测自动化,工业以太网,计算机控制。