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时间:2018-03-13
《煤矿监控系统can-ethernet网关设计》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、煤矿监控系统CAN/Ethernet网关设计 摘要:设计一种用于煤矿井下监控系统的CAN总线到以太网网关。该网关采用S3C6410作为核心处理器,通过以太网控制芯片DM9000A与以太网相连,CAN总线数据收发采用MCP2515控制器,其通过SPI总线与核心处理器通信极大地简化了电路的设计。该网关可以快速简单组网,能够实时采集、传递和处理数据,适用于多种工作场合,运行稳定,效果良好。关键词:CAN总线;网关;以太网;S3C6410;DM9000A中图分类号:TP393.05文献标识码:A文章编号:10
2、09-3044(2013)20-4601-05我国的煤炭开采主要源于地下,井下环境十分恶劣,井下作业的安全系数较高,瓦斯、煤尘、温度、湿度、电磁干扰对电机、通风和排水设备的影响,都可能对安全生产成构成危害;因此设计一种通用的能对井下各种环境参数进行实时、准确、稳定的监控系统对于煤矿安全生产十分重要。矿井监控系统是保证煤矿安全生产的重要措施,能够实时监控井下各种环境参数,如瓦斯浓度、温度、湿度、粉尘浓度和各种设备运行参数等;并能将各种采集参数进行实时的处理和上传;在发生故障或事故时间能够自动报警并采取相应
3、的有效措施[1]。9本文设计了一种基于ARM的矿用CAN/Ethernet网关节点。除完成井下各种传感器节点采集的数据通过CAN总线上传到嵌入式网关节点和经过分析和处理的数据通过Ethernet网上传到井上远端服务器;另外,该网关节具有优质的人机界面和数据暂存能力。1系统整体设计由于矿井内部复杂的环境和严重的干扰,因此监控系统的条件要求十分苛刻。系统设计整体结构如图1所示。系统整体结构分为:CAN总线测控网络,嵌入式网关和Ethernet网管理网络3个部分。CAN总线具有很强的抗干扰能力,可挂载节点多大
4、110个,并且总线上节点数不过载可以随时增加新的CAN节点,而不需重新编排网络,最远传输距离可达10km;基于以上优点和矿井内部的环境因素,CAN总线使用在矿井监控系统具有明显的优势。CAN总线是一种多主总线,作为设备互联总线型控制网络,CAN协议最大的特点就是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码[2];CAN总线与Ethernet网的区别还在于对通信冲突的处理方式不同,基于以上原因决定二者数据帧不同因而不能直接传输,需要中间网关对数据转换。9另外,CAN总线网络最大传输速率为1Mbps
5、,而Ethernet网一般为10Mbps以上,为解决速度匹配问题,可采用:(1)在网关上使用较大的RAM,作为数据缓存器;(2)限制Ethernet网的传输数据量,能够及时被CAN总线接收。2网关硬件设计嵌入式网关的硬件组成主要由:ARM、Ethernet网接口、CAN总线接口、高速存储器、JTAG口、LCD接口和电源等组成,其系统硬件结构框如下图2所示。ARM微控制器负责对CAN控制器和Ethernet网控制器进行控制。为控制内部有TCP/IP通信协议和CAN通信协议,完成CAN总线协议和Ethern
6、et网协议转换,从而实现两种接口数据的透明传输。Ethernet网接口电路完成上传网关节点处理的数据到远端服务器,或接受远端的数据。CAN总线接口电路接受底层子节点采集的数据,或传输处理器的命令。存储器用来暂时存储分析处理过的CAN类型数据。LCD提供可视化平台,可以更容易的了解数据信息。其他接口电路作为网关的调试和运行的辅助端口使用。2.1CAN接口电路设计9本文采用三星的S3C6410处理器,是一款基于ARM11的16/32位RISC指令集为处理器,但内部不带CAN总线控制器,因此需要外部扩展CAN
7、总线接口电路。本设计使用Microchip公司的MCP2515和MCP2551分别作为CAN总线控制器和收发器组成电路。MCP2515使用SPI接口交换数据,极大的简化了电路的设计。CAN接口电路原理图如图3所示。MCP2515是一款独立的控制器局域网协议控制器,完全支持CAN协议V2.0B技术规范,最大通讯速率达到1Mbps;MCP2515能发送和接受标准和扩展数据帧以及远程帧;自带两个验收屏蔽寄存器和六个验收滤波寄存器,可以过滤掉不想要的报文,因此减少了主控芯片的开销;三个发送缓冲器,具有优先级设定
8、及发送终止功能;通过SPI串行外设接口与主控芯片通信,支持(0,0)和(1,1)运行模式,最高速率达10MHz[3]。S3C6410内部有2个SPI模块,系统设计时将MCP2515作为从设备连接到S3C6410的SPI1接口,电路如图3所示。本设计采用S3C6410外部中断6作为中断引脚,在MCP2515的中断处理函数中,通过SPI接口访问MCP2515内部相关寄存器来确定具体中断事件,并对其进行处理。MCP2551是一款可容错的高速CAN
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