單芯片嵌入式網(wǎng)關(guān)在煤礦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(diǎn)，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(jì)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(shí)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(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(jì)實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)井下基站與遠(yuǎn)程以太網(wǎng)終端數(shù)據(jù)的通信：提供TCP Server功能，負(fù)責(zé)終端電腦主動連接網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；實(shí)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)的。

　　(5)ICMP和ARP協(xié)議實(shí)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)的診斷，并返回錯(cuò)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(jì)

　　硬件的系統(tǒng)框圖如圖2所示，光纖轉(zhuǎn)電模塊實(shí)現(xiàn)光纖到電的RJ45轉(zhuǎn)換，RJ45實(shí)現(xiàn)光纖轉(zhuǎn)換模塊和MC9S12NE64(以下簡稱NE64)的連接，4個(gè)SPE485實(shí)現(xiàn)該網(wǎng)關(guān)與基站的RS 485連接，MAX232實(shí)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(jià)比、業(yè)內(nèi)首個(gè)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(gè)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(gè)異步串行通訊接口模塊(SCI)，1個(gè)4通道16 b定時(shí)器模塊(TIM)以及多達(dá)21個(gè)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(jìn)行調(diào)節(jié)來滿足運(yùn)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(jì)

　　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(gè)RJ45接口就可以實(shí)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(jì)

　　NE64本身具有雙串口，因此本文將串口0(SCI0) 設(shè)計(jì)為RS 485通信，將串口1(SCIl)設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)需接一個(gè)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。

　3 軟件實(shí)現(xiàn)

　　嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)完成系統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換以及wEB服務(wù)器的構(gòu)建，基于TCP／IP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧有很多，但是針對嵌入式系統(tǒng)，必須考慮到硬件和軟件資源，從而需對其進(jìn)行精簡使之應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。考慮到硬件資源和軟件的開發(fā)，本文選用了源碼開放的OpenTCP協(xié)議棧，該協(xié)議棧由芬蘭的Viola Systems公司開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了大多數(shù)的基于vIP4的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如HTTP，DHCP，SMTP，TFTP，TCP／IP，DNS，ARP，ICMP等協(xié)議，并由美國的SourceForge公司根據(jù)NE64的硬件資源將其移植過來，實(shí)現(xiàn)了在16位低成本嵌入式系統(tǒng)上的網(wǎng)絡(luò)化。本文根據(jù)項(xiàng)目的需要，只移植了HTTP，TCPUDP，IP，ARP，ICMP協(xié)議，程序的流程如圖5所示。

　　3.1 基于TCP服務(wù)端和客戶端的建立

　　基于TCP服務(wù)器端和客戶端程序是本設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)整個(gè)定位數(shù)據(jù)的傳輸。考慮到上位機(jī)主監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)，本文采用OpenTCP協(xié)議棧提供的API函數(shù)來建立TCP服務(wù)程序。在程序中，遠(yuǎn)程主控端可以通過客戶端程序主動撥號與本網(wǎng)關(guān)設(shè)備的服務(wù)器端建立連接，并獲取基站人員定位信息；如果該網(wǎng)關(guān)設(shè)備中已存放有大量數(shù)據(jù)(取決于本地存儲器)，那么它將通過本地客戶端主動撥號與遠(yuǎn)程主控端服務(wù)器建立連接，并上傳數(shù)據(jù)。

　　服務(wù)器端程序包括初始化函數(shù)void tcps_init(void)、主回調(diào)函數(shù)void tcps_run(void)以及事件監(jiān)聽函數(shù)INT32 tcps_eventlistener(INT8，UINT8，UINT32，UINT32)。客戶端程序類似于服務(wù)器端程序，由于篇幅所限，本文僅列舉了服務(wù)器端的初始化函數(shù)：

　　3.2 其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括嵌入式WEB服務(wù)器、UDP、ARP協(xié)議、DNS協(xié)議以及ICMP協(xié)議。WEB服務(wù)器是基于HTTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而構(gòu)建的，在本文主要用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的查詢和設(shè)置，包括TCP的套接字的初始化、HTTP的初始化以及HTTP回調(diào)函數(shù)。基于UDP的數(shù)據(jù)傳輸是該網(wǎng)關(guān)的擴(kuò)展功能，運(yùn)用于大量數(shù)據(jù)傳輸，并且某些數(shù)據(jù)可以被丟掉的，如將該網(wǎng)關(guān)運(yùn)用在井下人員的語音傳輸系統(tǒng)中。由于篇幅所限，對于ARP協(xié)議、DNS協(xié)議以及ICMP協(xié)議本文不再詳細(xì)討論。

　　3.3 RS 485以及RS 232數(shù)據(jù)傳輸

　　RS 485和RS 232是該網(wǎng)關(guān)設(shè)備與井下人員定位基站通信的主渠道，軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：初始化和數(shù)據(jù)通信。初始化程序主要設(shè)置通信波特率以及有關(guān)的狀態(tài)，數(shù)據(jù)通信主要包括串口中斷處理(發(fā)送和接收)以及對收到的基站數(shù)據(jù)處理(轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)程主機(jī)某些命令、通過以太網(wǎng)發(fā)送人員信息等)。

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

　　在現(xiàn)場安裝了5個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，每個(gè)網(wǎng)關(guān)分別連接6臺基站，安裝距離最遠(yuǎn)為600 m。PC機(jī)端的主控軟件用VC++6.0設(shè)計(jì)，主界面包括簡單服務(wù)器和客戶端撥號程序。以太網(wǎng)采用自動協(xié)商協(xié)議，網(wǎng)速為100 Mb／s。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設(shè)置為1 kB，實(shí)際上有用的字節(jié)數(shù)為804 B，除去數(shù)據(jù)長度、校驗(yàn)和一些特殊信息，最后可用的最大字節(jié)數(shù)為796 B，即一次傳送的最大數(shù)據(jù)量為796 B。經(jīng)驗(yàn)證該網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)滿足6臺基站波特率在9 600 b／s的滿負(fù)載情況下工作。

　　5 結(jié) 語

　　基于單芯片的MC9S12NE64的嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，完成了光纖環(huán)網(wǎng)到井下基站的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了低成本、高速率的嵌入式WEB服務(wù)器、簡化的基于TCP服務(wù)器和客戶端用戶應(yīng)用程序以及UDP的數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。該網(wǎng)關(guān)可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和其他控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)小型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用前景。