單芯片嵌入式網(wǎng)關(guān)在煤井下人員定位中的應(yīng)用

隨著Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，煤礦井下光纖環(huán)網(wǎng)是近年來研究與應(yīng)用的熱點，它在煤礦井下安全監(jiān)控中起著越來越重要的作用。本文在煤礦井下光纖環(huán)網(wǎng)的框架下，設(shè)計了光纖以太網(wǎng)轉(zhuǎn)工業(yè)RS 485總線的網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)可將井下人員定位基站入網(wǎng)，實現(xiàn)人員定位信息的網(wǎng)絡(luò)查詢、跟蹤以及安全檢測與監(jiān)控等功能。

由于單芯片嵌入式網(wǎng)關(guān)具有成本低、體積小、可靠性高、功耗低、環(huán)境適應(yīng)能力強等諸多優(yōu)點，在通信和工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。

1 嵌入式網(wǎng)關(guān)構(gòu)架

基于以太網(wǎng)的TCP／IP轉(zhuǎn)換為工業(yè)RS 485和RS 232協(xié)議的基本構(gòu)架如圖1所示。根據(jù)嵌入式網(wǎng)關(guān)的功能，本設(shè)計實現(xiàn)了以下協(xié)議：HTTP，TCP，UDP，IP，ICMP，ARP。

(1)HTTP是嵌入式WEB服務(wù)器的主要構(gòu)架，屬于應(yīng)用層協(xié)議，本文主要實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與查詢、基站系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與查詢。

(2)TCP協(xié)議是面對連接的，在本文中實現(xiàn)井下基站與遠程以太網(wǎng)終端數(shù)據(jù)的通信：提供TCP Server功能，負責(zé)終端電腦主動連接網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；實現(xiàn)TCP Client功能，提供網(wǎng)關(guān)主動發(fā)起的數(shù)據(jù)傳輸，比如網(wǎng)關(guān)中有數(shù)據(jù)需要通信的時候(注：圖1中的TCP S／C代表用戶基于TCP Server以及TCP Client的應(yīng)用程序，下同)。

(3)UDP協(xié)議是面對連接的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸不可靠，但是在某些場合，比如數(shù)據(jù)的鏈路比較少，那么可以采用基于UDP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。在本設(shè)計中保留了基于UDP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

(4)IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的主要協(xié)議，由圖1可知，UDP和TCP協(xié)議就是在此層之上實現(xiàn)的。

(5)ICMP和ARP協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一些基本配置，ARP為地址解析協(xié)議，是將IP地址轉(zhuǎn)換到硬件地址的協(xié)議，ICMP是IP的附件，用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點的診斷，并返回錯誤消息，也就是我們最常用的ping協(xié)議。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件的系統(tǒng)框圖如圖2所示，光纖轉(zhuǎn)電模塊實現(xiàn)光纖到電的RJ45轉(zhuǎn)換，RJ45實現(xiàn)光纖轉(zhuǎn)換模塊和MC9S12NE64(以下簡稱NE64)的連接，4個SPE485實現(xiàn)該網(wǎng)關(guān)與基站的RS 485連接，MAX232實現(xiàn)調(diào)試輸出或基站的RS 232連接。本系統(tǒng)的光纖轉(zhuǎn)電模塊采用netLINK公司的HTB-1100S-25，該轉(zhuǎn)換器為自適應(yīng)光纖收發(fā)器，用于將100 Mb／s的光網(wǎng)轉(zhuǎn)換為速度為：10／100 Mb／s的雙絞線RJ45接口。

2.1 MC9S12NE64以太網(wǎng)單芯片簡介

NE64是Freescale公司于2004年9月推出的高性價比、業(yè)內(nèi)首個嵌入式單芯片以太網(wǎng)微控制器，內(nèi)核為HCS12。由標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)置外設(shè)構(gòu)成，主要包括一個16 b的中央處理器單元(HCS12 CPU)，64 kB的FLASHE2PROM，8 kB的RAM(EMAC共享)，集成了10／100 Mb／s以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(EPHY)的以太網(wǎng)媒體訪問控制器(EMAC)，2個異步串行通訊接口模塊(SCI)，1個4通道16 b定時器模塊(TIM)以及多達21個管腳可用于鍵盤喚醒輸入(KWU)等。內(nèi)置的PLL電路允許對功耗和性能進行調(diào)節(jié)來滿足運行要求。此外，內(nèi)置的帶隙基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，用于將3.15～3.45 V的外部工作電壓轉(zhuǎn)換成2.5 V的內(nèi)部數(shù)字電源電壓(VDD)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計

NE64內(nèi)部集成了用于連接以太網(wǎng)的EMAC和EPHY協(xié)議層，因此省了外接的PHY，只需連接少許的外部電阻和電容以及一個RJ45接口就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的物理連接，接口電路如圖3所示。

2.3 RS 485和RS 232接口設(shè)計

NE64本身具有雙串口，因此本文將串口0(SCI0) 設(shè)計為RS 485通信，將串口1(SCIl)設(shè)計為RS 232通信。

在煤礦井下人員定位系統(tǒng)中，該網(wǎng)關(guān)通過RS 485(串口0)與本地基站相連以獲取人員信息。為增加系統(tǒng)中RS 485的驅(qū)動能力，設(shè)計了4路接口，原理圖如圖4所示。

在圖4(a)中，只畫了一路的RS 485接口電路，其他的3路基本一樣。在接收腳RXD00串聯(lián)電阻和LED指示燈，用于指示電路的接收狀態(tài)，發(fā)送狀態(tài)的LED指示燈沒有在圖中畫出，原理同接收電路。WD1～WD3及串聯(lián)的20 Ω小電阻，具有防雷擊功能。圖4(b)中的RXD01～RXD03是另外3路RS 485的接收端，要注意的是圖中74HC09是集電極開路輸出，因此在輸出時需接一個上拉電阻，RXD0直接連接NE64的串口0的接收端，而4路RS 485的發(fā)送端TXD0連接在一起并和NE64的串口0的發(fā)送端相連。

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