多协议矿山自动化通信平台设计与实现

马 宁 张光明 王 润

（1.东北大学基建管理处，辽宁 沈阳 110819；2.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100084；3.鞍钢集团矿业有限公司齐大山分公司，辽宁 鞍山 114000）

矿山自动化系统由大量的电气设备构成，其通信接口各不相同，涉及CAN总线、RS232、RS485、Zig-Bee等多种通信传输方式。随着信息技术的不断发展，矿山自动化管理和智能化发展要求越来越高，推动了以太网技术在矿业自动控制领域快速发展。在一些新建矿山自动控制系统中，以太网直接进入了控制层［1-4］。空调、供水监控系统等通过ENC系列网络参量集成模块将现场各种信息集成到以太网上；带有RS232或RS485接口的系统通过串口服务器链接到以太网和Internet上；矿井使用的IP电话是在工业以太网络上实现的语音应用业务。然而，在已建成的矿山中，大多数设备通常只具备单一的通信接口并按照不同的传输协议输出数据，很难快速接入以太网，在信息融合和综合处理方面存在极大不便。因此，迫切需要开发支持多协议的通信网关，可同时接入不同协议类型的传感器和电气设备，通过以太网协议的形式将多源数据传输到远程服务器进行综合处理。

本研究基于矿山企业管理需求，搭建了基于万兆以太网技术的高分辨率高帧率图像文件传输通信平台，将矿山自动化系统中几种常用的内部（I2C/SPI）、系统（ISA/PCI）、外部（USB/RS-232-C）等几条总线接入到通信平台中。通信平台采用ARM嵌入式微处理器，集成了以太网接口、CAN总线接口、RS232接口和图像显示终端等，实现了多接口的嵌入式底层驱动和软件设计开发，嵌入式TCP/IP协议栈和文件系统移植，研究并实现了JPEG软件解码（获取图像信息、构建解码码表、Huffman解码、反量化等）和几种总线与以太网间的数据转换。

1 通信平台系统构架实现

1.1 系统构架设计

TCP/IP协议的实现方案主要有［5-6］：①微处理器+TCP/IP协议单片网络芯片；②32位微处理器（Microprocessor）+实时操作系统（Real Time Operating System，RTOS）+TCP/IP协议栈（tcp/ip treaty series）；③专用片上系统；④低档MCU+精简TCP/IP协议等。本研究采用方案②进行实现，较其他方案技术上比较成熟，且开发成本不高，是一种可行的嵌入式Internet解决方案。通信平台主要由图像显示终端、STM32微控制器、以太网驱动电源等多个模块组成（图1），融合了TCP/IP技术、图像处理、嵌入式系统和数据传输等多种技术，其功能包括数据存储、传输、转换以及图像文件显示。

1.2 微控制器选型

矿山生产工艺复杂、数据量巨大，一方面，对主控芯片的数据处理能力和传输能力有较高要求；另一方面，系统应尽量具有丰富的外设接口和较低的功耗特点。为此，本研究主控芯片选择STM32系列微控制器的32位STM32F107VCT6。

STM32F107 的 主要特性为［7-8］：32位的 ARM CPU，主频72 MHz，具备256 kB闪存程序存储器；电源供电电压为2.0～3.6 V，具有上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器和掉电监测器，能够在电源异常时使系统尽快恢复正常运行。该处理器内嵌8 MHz高速晶体振荡器，使用32 kHz晶体的RTC振荡器，具有睡眠、停机和待机模式。同时，还拥有80个快速I/O口，6路PWM输出、4个用于输入捕获/输出比较的通道、边缘/中间对齐波形和紧急制动、死区控制、4个同步的独立和窗口型定时器。在通信接口方面，STM32F107具备CAN接口、3个USART、10/100以太网MAC、3个SPI USB 2.0接口。

STM32F107芯片上集成的以太网媒体访问控制子层协议（MAC，Media Access Control）支持媒体独立接口（MII，Media Independent Interface）和简化媒体独立接口（RMII，Reduced Media Independent Interface）。组建一个完整的以太网功能仅需外接PHY芯片，适合于小型的多协议通信控制器。

1.3 系统硬件电路

1.3.1 电源、复位和时钟电路

通信平台总的电源输入是来自AC/DC适配器（外置电源）提供的外部直流5 V电源。为了提高电源部分的稳定性，设计时采用了降低噪声、防止干扰等技术措施。将5 V直流电源接入平台后，使用瞬态k9（瞬变）电压抑制二级管，然后经过稳压、滤波和降噪处理，以供LCD的图像显示终端。由于系统中多数芯片采用了3.3 V电压，所以使用了一款LDO提供5.0～3.3 V的电源转换，电流最大可达1.2 A。

通信平台上系统复位主要包括外部复位和软件复位。本研究采取RC复位电路，低电平持续时间由RC的时间常数决定。微控制器的内部时钟最大只能达到36 MHz且精度较差，因此采用外接25 MHz晶体振荡器，为系统提供准确的主时钟。

1.3.2 通信协议接口设计

系统提供以太网、CAN和RS485/232等4种通讯方式。为了方便系统调试，提供RS232串行通讯与PC机建立数据连接，可以支持技术人员使用便携式计算机或PC机观察系统的运行状态。通过RS232-485转换器，可以实现矿山自动化系统设备接入。硬件连接采用MAX2232芯片进行TTL/RS232电平转换。STM32微控制器具有内置CAN控制器，本研究采用3.3V CAN总线收发器SN65HVD230，具有差分收发能力，通信速率最高可达1 MB/s，选择端口RS为低电平，使收发器工作在高速模式。

STM32F107内部含有MAC控制器，只需要外接PHY芯片和RJ45接口就能够实现以太网通信的物理要求。PHY芯片采用的是美国国家半导体的DP83848C 10/100Mb/s单路物理层器件，属于低功耗器件（3.3V），满足MII/RMII/SNI接口需求以及IEEE802.3标准。RJ45接口带有网络隔离变压器，既可以使PHY和网线之间没有物理上的连接，传递信号的同时隔断信号中的直流分量，还可以在不同电平的装置中传送数据信息。

1.3.3 图像显示设计

图像显示终端采用TFT-LCD作为显示器件，像素为240×320 RGB。设计系统接口用于读/写图像存储器GRAM和控制寄存器，编写RGB输入接口来显示动态图像；根据硬件资源特点采用并行口、串行外设接口等方式来显示高效率数据传输的静态或动态图像。系统设计采用串行外设接口模式来驱动薄膜晶体管液晶显示器。选用SD卡作为数据存储器件以便后期进行系统升级。受通信平台空间限制，采用了Micro SD。Micro SD接口模式采用了SPI模式。

2 以太网通信实现

2.1 嵌入式TCP/IP协议栈

TCP/IP协议是一种网络通信协议，对网络上的所有通信设备进行了规范，包括主机之间的传送方式和数据格式。TCP/IP协议的实现极其复杂，常常占用大量的系统资源，然而嵌入式系统包含的资源有限，因此需要在保证其实现性的同时减少空间占用［9-10］。LwIP是用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈，只需要40 kB左右的只读存储器和数十kB的随机存储器就可以运行，适合在嵌入式系统中使用。LwIP协议支持多网络接口下的IP转发，可以应用到操作系统上，也可以独立运行。此外，为提高应用程序的性能，设计有专门的内部回调接口（Raw API）。

2.2 协议栈LwIP的移植

LwIP将协议栈留在内核中，应用进程通过调用与协议栈进行通信。应用程序与TCP/IP协议栈通信经过RAW API回调函数实现。

以太网驱动程序按指定的格式将要发送的数据包写入芯片并输入、输出缓冲区中，同时启动发送命令，主要包括以太网初始化、数据发送和接收函数。通过ARP，在同一物理网络环境中，主机只搜索到某个目的主机的IP地址，即可找到该目的站的物理地址。ARP协议处理流程包括接收和发送两部分。接收以太网驱动程序送来的ARP数据包由接收部分完成，IP或ICMP协议的地址解析由发送部分完成。动态主机设置协议是一个局域网的网络协议，基于UDP协议工作，包括给内部网络供应商自动分配IP地址，以及给用户和内部网络管理员提供对环境内所有计算机的操作。LwIP对IP数据包有3种处理方式，即接收数据包、发送数据包、转发数据包。

2.3 嵌入式文件系统及传输

通过移植文件系统可以实现文件传输，从而达到对SD卡存储空间及数据进行有效组织和管理的目的。本研究采用的免费开源文件系统（Embedded File System Library，EFSL）是一个遵守GNU通用公共许可协议（General Public License，GPL）公约的开源嵌入式软件项目。它支持SD卡操作，兼容FAT12、FAT16、FAT32 3种文件系统，并支持多设备和多文件操作。各设备的驱动程序只需要提供扇区读和扇区写两个函数即可。尤其是，EFSL占用的内存空间少，移植起来比较方便，适合中小容量的微控制器。

TCP/IP协议簇提供了文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）和简单文件传输协议（Trivial File Transfer Protocol，TFTP）两种应用层协议来实现文件传输［11-12］。本研究传输的文件内存在数十到数百kB，因此选择TFTP协议。用C#语言来编写文件传输的上位机部分，并采用固定IP，通信平台通过DHCP获得动态IP，将SD卡中的现有文件列表发送到上位机。上位机获得通信平台的文件列表信息和IP地址，然后根据平台中的已有文件决定是否上传图像文件或者下载图像文件。设计主要传输QVGA分辨率且经JPEG压缩后的图像文件，大小约45 kB，大约需要600 ms传输时间，可满足平台通信需求。

2.4 嵌入式Web服务器的实现

在浏览器或者中间机器与WWW服务器进行通信时，超文本传送协议（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）有请求报文和响应报文两种类型。前者是从浏览器到服务器，后者是服务器到浏览器。浏览器和通信平台之间进行信息传递的机制是通过嵌入式静态WEB实现的，其实现流程大致包含TCP处理函数、HTTP报文协议、静态数据、HTML文件（数组形式）等。通过WEB服务器，嵌入式应用程序可以将信息以WEB网页进行显示。

3 图像显示终端设计与实现

3.1 压缩图像文件

JPEG文件分为标记码（tag） 和压缩数据两部分。JPEG图像的大部分信息是通过标记码给出，包括图像的高、宽、量化表、哈夫曼表等。标记码由两个字节组成，其中前一个字节是固定值0xFF，在每一个标记之前可添加任意量的0xFF填充字节。JPEG算法的功能分为4种运行方式，即基本DCT顺序、基于DCT扩展、无失真、分层，用户只要从中选择需要的功能即可［13-14］。

JPEG压缩是将图像的每一块经过离散余弦变换运算从空间域转换为频率域。JPEG压缩的对象是基于YUV颜色空间，而其他颜色空间的图像数据要先按照一定规律转换到YUV颜色空间。人眼对Y比较敏感，而对U、V不敏感，所以可以对原图像U、V信号进行降采样处理，但人眼基本感觉不到图像的变化，JPEG压缩常用到的处理格式有YUV411、YUV420和YUV422，一般YUV411格式比较多，该格式为每个像素都提取Y分量，而U、V分量在水平方向上，实行每4个像素采样一次。YUV格式与RGB格式间的转换关系为

式中，Y、U、V分别为像素在YUV色彩模式下的值；R、G、B分别为像素在RGB色彩模式下的值。

3.2 JPEG图像软解码

JPEG解码就是对压缩步骤进行反向操作，其算法流程如图2所示。

将经过压缩的图像还原成由直流系数DC和交流系数AC组成的矩阵的过程即熵解码。反量化是将在压缩过程中经过离散余弦变换后的频率系数还原出来，采用图像文件中8×8的量化表和还原后的二维离散余弦变换系数矩阵进行矩阵相乘来进行反量化。反离散余弦变换是将反量化后的8×8系数矩阵转化成8×8个像素点，即将图像从频率域转化回空间域。本研究设计采用了一种称为行列分离的快速算法，可以将二维离散余弦逆变化成水平和垂直两个方向上的一维离散余弦逆变换进行运算。一维离散余弦逆变换的公式为

式中，x,y表示8×8矩阵中某个数值的位置；f(x,y)为矩阵内(x,y)点上的像素值；F(x,y)为矩阵内(x,y)点上DCT变换后的频率系数；U、V分别为像素对应亮度和色度矩阵的数值；C(U)、C(V)分别为熵解码后的输出值。

经过IDCT后所得到的数据范围为-128～+128，但像素范围为0～255，因此需将所得到的数据进行平移128，并将平移后的数据按照下式进行色彩空间变换输出给LCD显示。

4 多协议数据的以太网接入

（1）RS485建筑能耗检测平台设备接入。本研究采用了一种主从式应答的通讯连接方式，即Modbus协议，实现能耗检测平台与通信平台通过RS485接口连接。通信平台的信号寻址到1台地址唯一的终端设备，发送查询消息帧，其中包括功能码、校验码、设备地址码和数据信息码；然后，终端设备发送应答，在回应消息中有从机地址、功能代码、数据信息码和校验码。本研究能耗检测平台设备的接入是通过外接RS485-232转换器实现的。

（2）CAN总线设备接入。CAN总线采用多主机工作方式，网络上任意节点都可以作为主机发送数据；节点通过报文标识符划分优先级，满足实时性要求［15-16］。STM32F107自带的CAN控制器支持CAN协议2.0A和2.0B，具有3个发送邮箱和2个能够存放3个完整报文的FIFO。CAN与Ethernet的协议转换程序在CAN中断中编写。考虑到实时性要求，TCP/IP传输层采用了无连接的UDP方式。PC机作为CAN节点向通信平台发送CAN数据包，通信平台收到后以UDP形式发送给另一台PC机。

（3）RS232设备接入。RS232与Ethernet间信息转换，与CAN总线相似，在通用同步异步收发器的中断函数中编写，得到数据后通过用户数据报协议发送到网络上［17-18］。STM32内部带有通用同步异步收发器，外接电平转换芯片MAX3232后可以与其他TTL电平设备串口通信。RS232设备用PC机代替，通过串口连接到通信平台，然后发送到以太网上的另一台PC机上。

5 应用实例

当前，地下矿山基本实现了矿山安全避险管理中“六大系统”建设，包括环境感知、视频监控、安全预警和基础自动化建设等内容，但是当前各个监控系统的数据和监测功能存在管理分散、系统集成度不高、数据综合利率低等因素（图3）。此系统的成功应用，解决了矿山多年的信息孤岛问题，可在Web端接入综合自动化子系统的相关重要数据；在矿山动态工况图中展现以下子系统的实时信息，如风机监测系统、通信联络协调、压风自救系统、供水施救系统、皮带集中控制系统、水位监测系统、水泵监控系统、提升系统、矿压监测系统、应急逃生系统等（图4）。

Web端实现了对整个矿山采集数据的无缝整合，能够快速实时查询和追踪采场环境变化和生产工艺过程的所有动态信息，查询生产执行和管理统计相关报表报告；能够实现矿山生产运行态势实时监控、采矿生产运营决策和指挥、事故追踪和预警等功能（图5）。

在该系统平台上，通过软件平台的整合，在调度监控中心形成了一个包含数据采集与监视监控系统在内，集显示、监视、操控、管理、信息浏览、数据服务于一体的人机界面（Human Machine Interface，HMI）系统，该系统包含各子系统分画面，不仅可以全面了解系统的整体运行状态，还能详细了解每个子系统的具体运行情况，从而实现各系统的相互关联和协作操作（图6）。

该系统方便与其他协同平台进行软件集成，同时留有相应的可扩展空间，便于后续子系统接入、系统升级、用户功能扩充以及与其他平台应用系统的二次开发。通过对软件平台进行有机整合，实现了各子系统协作、关联操作。

6 结 语

矿山自动化系统具有大量的电气设备，需要构建合适的通信接口以接入以太网。以STM32F107处理器为核心，设计了基于嵌入式系统的矿业自动化多协议通信平台，实现了TCP/IP、CAN总线、RS232/RS485等多种协议的接入和数据交换。在此基础上，通过协议移植实现了文件传输和嵌入式Web功能。研究了JPEG图像的软件编解码，从而成功地将图像显示于LCD显示屏。本研究设计方案能够为矿山采矿自动化通信系统设计提供有益借鉴。