串口-以太网转换设计在矿山监控中的应用

梁金蕊

（阳煤一矿机电工区 信息中心，山西 阳泉 045000）

随着科技的发展，现有的井下安全监测监控系统已无法适应矿井信息技术发展的需要。2017年4月份召开的有关煤矿安全监测监控系统更新升级的会议，出台了《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》，明确指出：未来煤矿矿井中的分站至主干网之间宜采用工业以太网，同时提出了对各个矿井井下工作环境接入以太网的设计要求。经过对现有应用及功能的分析目前采用的现存的串口数据直接加入TCP/IP协议以太网传输，从而实现对井下信息的及时有效的获取。通过该设计方案可对目前已有的设施进行有效利用，缩短网络铺设带来的时间及成本消耗。因此文中的重点是完成对串口-以太网转换器的设计。

1 系统总体设计

根据下图1中所显示的内容可知软件设计的核心为串口-以太网转换器，通过串行数据链路的方式实现其与煤矿井下所铺设的以太网设备实现数据的交互。系统设计中所包含的硬件部分有主控制器、串口数据接口、以太网物理层收发器、电源及系统隔离设计等。系统设计中所包含的软件部分有对以太网物理层程序的功能设计、TCP/IP协议的在系统的加入、串口通信交互数据处理的程序设计及系统的应用层功能的设计。

图1 系统总体结构设计框图

2 主要硬件设计

2.1 主控制器设计

文中使用的主控制器所采用的是TI公司所生产的MSP430F149处理器，该处理器具有功耗低且通过精简指令集实现功能程序的设计，另外通过对EEPROM的扩展可实现串口与通信网的接口连接及其矿井下网络MAC地址、IP地址等资源信息的配置。另外为了在以后生产中在离线的状态下对系统固件进行更新升级该系统还额外引出了一个BSL接口以供扩展。

2.2 以太网物理层收发器设计

系统中针对以太网中的物理层的收发设备的设计是基于CirrusLogic公司所设计的CS8900A以太网控制设备完成功能的实现，该设备同时具有功耗低且标准采用为IEEE802.3。该设备可在3.3 V电压完成电量供电驱动，同时处理器的电平值相匹配通过RAM设计完成对接收与发送两端的数据进行帧缓存。其数据的交互是通过与MSP430F149处理器的P5接口连接实现，其地址总线是通过与MSP430F149处理器的P0、P1、P2、P3接口连接实现。另外其IO的输出与输入是通过与MSP430F149处理器的P14、P15接口连接实现。CS8900A以太网控制设备在系统中的设计见图2。

图2 以太网物理层收发器硬件电路原理

2.3 系统隔离设计

为了使得系统中的硬件电路设计具有安全性与隔噪的能力因此加入了隔离电路的设计，即通过在物理层收发器硬件及串口转换电路中加入网络变压器H1102设备从而使得所设计出的电路具有在数据传输时能够有波形修复、阻抗匹配、抑制干扰及隔离的效果。系统隔离部分的硬件设计电路见图3。

图3 系统隔离的硬件电路原理

3 软件设计

3.1 以太网物理层程序设计

以太网软件的设计主要是为实现收发器能够进行正常的初始化、数据读写及其数据传输的功能。通过Init8900()方法即可完成对处理器及其接口、网络MAC地址及其收发功能、数据传输校验和广播等完成初始化功能。其中对需要接收与发送的数据通过Write8900()与Read8900()方法即可完成。在软件设计中首先通过写入或是存储的方式进行数据的缓存，随后再通过读取或是写入的方式完成整个数据读写过程。

3.2 TCP/IP协议程序设计

TCP/IP协议在系统数据传输中是核心内容，通过该协议内容可完成对驱动程序中数据的读写与上位机两者间数据的交互。程序初始化中首先是通过定时器设计完成对TCP/IP协议的数据帧及其重传时间进行设定。另外在程序设计中还包含有对TCP/IP协议进行状态监听的状态机TCPStateMachine设计，因此在数据传输之前应该先通过相应的协议对状态机的状态进行监听，其中LISTENING代表状态机已经初始化完毕并处于侦听态，ESTABLISHED代表目前状态机内部存在有有效的连接，数据传输时完成TCP/IP的三次握手即可正常实现数据的收发。其中ProcessTCPFrame()与DoNetworkStuff()分别表示用户向状态机进行数据的接收与发送。

3.3 串口数据通信程序设计

通过中断的方式完成对数据的查询、接收及其发送功能。其中接收与发送的效率可通过在RAM中设置Txbuffer[]和Rxbuffer[]缓冲数组的方式进行提高。在读数据的写入与读出时可通过指针移动的方式对数据传输与接收是否完毕进行确认。当读写指针出现重合的情况下即说明当前处理已经完成，因此在下一阶段数据处理前需要对缓冲区进行清空处理避免CPU出现堵塞问题的产生。

4 软件在煤矿顶板在线监测系统中的应用

文中设计的煤矿顶板在线监测系统，其是一款具有安全性高且应用性强的安全监测系统。其结构组成主要包含有无线数字压力计、数据传输中继站及分站、电路电源设计等。其中无线数字压力计通过固定于工作面液压支架立柱的方式完成对立柱下腔压力值大小的采集，然后再通过无线传感器网络的自组织方式将所感应到的值通过中继站转发的方式传输至分站。文中通过将串口-以太网转换器以嵌入的方式引到传输分站中从而使得无线传感器设备能够完成与串口-以太网间数据的传输，然后串口转换器再通过外接光纤资源完成与井下工作的信息交互。另外在地面监测中的计算机设备通过光纤收发装置实现与井下以太环网的连接从而实现数据的实时交互作用。系统所设计的在线监测系统数据传输分站见图4。

图4 数据传输分站原理框图

4.1 系统测试和产品应用

目前阳煤一矿使用中的瓦斯监控系统其组成主要包含有地面监测点、与井下网络交互的调制解调器、井下传感器及其电源、煤矿生产的电控设备、KJ2000N监测软件等。其中地面监测点的系统环境为目前主流的Windows 2000 Server，通过该系统环境大大提高了监测软件在功能上的可靠性与稳定性。井下的组成另外包含有报警装置及远程断电控制设备等。其中放置于井下的分站所处环境通风效果较好，监测传感器所安装的位置为易聚集沼气及一氧化碳等危险物质的地域，井下任意一台分站所留有的外接口包含有大量的模拟量接口、开关量接口及其控制量接口。

图5 井下分站测控通信

图6 网络传输接口装置

系统通过将串口-以太网转换模块以嵌入式的方式引入系统硬件的设计中从而实现了煤矿顶板在线监测系统的功能实现。随后通过给系统软件加入7×108b大小的数据进行误码率测试的结果表明系统具有较低的误码特性。该实验的效果见图7。

图7 误码率测试结果界面

通过KJ2000N系统可以准确、全面地了解井下安全情况和生产情况，实现对灾害事故的早期预测和预报，并能及时的自动处理。生产调度人员可以掌握井下设备运行情况，准确地指挥生产。

5 结语

将串口通信与TCP/IP协议进行联调的方式可有效的完成对井下以太网进行监测功能的设计与实现。文中所设计出的远程煤矿顶板在线监测系统通过在实际矿井中的应用表现出了良好的监测效果，目前该系统已成果应用与山西阳煤一矿生产中体现了较高的稳定性。