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单芯片嵌入式网关在煤井下人员定位中的应用

发布时间:2020-07-21 17:46:19 阅读: 来源:水环式真空泵厂家

随着Internet技术的飞速发展,煤矿井下光纤环网是近年来研究与应用的热点,它在煤矿井下安全监控中起着越来越重要的作用。本文在煤矿井下光纤环网的框架下,设计了光纤以太网转工业RS 485总线的网关,该网关可将井下人员定位基站入网,实现人员定位信息的网络查询、跟踪以及安全检测与监控等功能。

本文引用地址:由于单芯片嵌入式网关具有成本低、体积小、可靠性高、功耗低、环境适应能力强等诸多优点,在通信和工业控制等领域得到了日益广泛的应用。

1 嵌入式网关构架

基于以太网的TCP/IP转换为工业RS 485和RS 232协议的基本构架如图1所示。根据嵌入式网关的功能,本设计实现了以下协议:HTTP,TCP,UDP,IP,ICMP,ARP。

(1)HTTP是嵌入式WEB服务器的主要构架,属于应用层协议,本文主要实现网关系统参数设置与查询、基站系统参数的设置与查询。

(2)TCP协议是面对连接的,在本文中实现井下基站与远程以太网终端数据的通信:提供TCP Server功能,负责终端电脑主动连接网关,实现数据通信;实现TCP Client功能,提供网关主动发起的数据传输,比如网关中有数据需要通信的时候(注:图1中的TCP S/C代表用户基于TCP Server以及TCP Client的应用程序,下同)。

(3)UDP协议是面对连接的网络数据传输,数据传输不可靠,但是在某些场合,比如数据的链路比较少,那么可以采用基于UDP的数据传输协议。在本设计中保留了基于UDP的数据传输协议。

(4)IP协议是网络通信协议的主要协议,由图1可知,UDP和TCP协议就是在此层之上实现的。

(5)ICMP和ARP协议实现网络的一些基本配置,ARP为地址解析协议,是将IP地址转换到硬件地址的协议,ICMP是IP的附件,用于实现网络上节点的诊断,并返回错误消息,也就是我们最常用的ping协议。

2 硬件结构设计

硬件的系统框图如图2所示,光纤转电模块实现光纤到电的RJ45转换,RJ45实现光纤转换模块和MC9S12NE64(以下简称NE64)的连接,4个SPE485实现该网关与基站的RS 485连接,MAX232实现调试输出或基站的RS 232连接。本系统的光纤转电模块采用netLINK公司的HTB-1100S-25,该转换器为自适应光纤收发器,用于将100 Mb/s的光网转换为速度为:10/100 Mb/s的双绞线RJ45接口。

2.1 MC9S12NE64以太网单芯片简介

NE64是Freescale公司于2004年9月推出的高性价比、业内首个嵌入式单芯片以太网微控制器,内核为HCS12。由标准的内置外设构成,主要包括一个16 b的中央处理器单元(HCS12 CPU),64 kB的FLASHE2PROM,8 kB的RAM(EMAC共享),集成了10/100 Mb/s以太网物理层收发器(EPHY)的以太网媒体访问控制器(EMAC),2个异步串行通讯接口模块(SCI),1个4通道16 b定时器模块(TIM)以及多达21个管脚可用于键盘唤醒输入(KWU)等。内置的PLL电路允许对功耗和性能进行调节来满足运行要求。此外,内置的带隙基准稳压器,用于将3.15~3.45 V的外部工作电压转换成2.5 V的内部数字电源电压(VDD)。

2.2 网络接口设计

NE64内部集成了用于连接以太网的EMAC和EPHY协议层,因此省了外接的PHY,只需连接少许的外部电阻和电容以及一个RJ45接口就可以实现网络的物理连接,接口电路如图3所示。

2.3 RS 485和RS 232接口设计

NE64本身具有双串口,因此本文将串口0(SCI0) 设计为RS 485通信,将串口1(SCIl)设计为RS 232通信。

在煤矿井下人员定位系统中,该网关通过RS 485(串口0)与本地基站相连以获取人员信息。为增加系统中RS 485的驱动能力,设计了4路接口,原理图如图4所示。

在图4(a)中,只画了一路的RS 485接口电路,其他的3路基本一样。在接收脚RXD00串联电阻和LED指示灯,用于指示电路的接收状态,发送状态的LED指示灯没有在图中画出,原理同接收电路。WD1~WD3及串联的20 Ω小电阻,具有防雷击功能。图4(b)中的RXD01~RXD03是另外3路RS 485的接收端,要注意的是图中74HC09是集电极开路输出,因此在输出时需接一个上拉电阻,RXD0直接连接NE64的串口0的接收端,而4路RS 485的发送端TXD0连接在一起并和NE64的串口0的发送端相连。 linux操作系统文章专题:linux操作系统详解(linux不再难懂)

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