单芯片嵌入式网关在煤矿井下人员定位中的应用

单芯片嵌入式网关在煤矿井下人员定位中的应用

　随着Internet技术的飞速发展，煤矿井下光纤环网是近年来研究与应用的热点，它在煤矿井下安全监控中起着越来越重要的作用。本文在煤矿井下光纤环网的框架下，设计了光纤以太网转工业RS 485总线的网关，该网关可将井下人员定位基站入网，实现人员定位信息的网络查询、跟踪以及安全检测与监控等功能。

　　由于单芯片嵌入式网关具有成本低、体积小、可靠性高、功耗低、环境适应能力强等诸多优点，在通信和工业控制等领域得到了日益广泛的应用。

　　1 嵌入式网关构架

　　基于以太网的TCP／IP转换为工业RS 485和RS 232协议的基本构架如图1所示。根据嵌入式网关的功能，本设计实现了以下协议：HTTP，TCP，UDP，IP，ICMP，ARP。

　　(1)HTTP是嵌入式WEB服务器的主要构架，属于应用层协议，本文主要实现网关系统参数设置与查询、基站系统参数的设置与查询。

　　(2)TCP协议是面对连接的，在本文中实现井下基站与远程以太网终端数据的通信：提供TCP Server功能，负责终端电脑主动连接网关，实现数据通信；实现TCP Client功能，提供网关主动发起的数据传输，比如网关中有数据需要通信的时候(注：图1中的TCP S／C代表用户基于TCP Server以及TCP Client的应用程序，下同)。

　　(3)UDP协议是面对连接的网络数据传输，数据传输不可靠，但是在某些场合，比如数据的链路比较少，那么可以采用基于UDP的数据传输协议。在本设计中保留了基于UDP的数据传输协议。

　　(4)IP协议是网络通信协议的主要协议，由图1可知，UDP和TCP协议就是在此层之上实现的。

　　(5)ICMP和ARP协议实现网络的一些基本配置，ARP为地址解析协议，是将IP地址转换到硬件地址的协议，ICMP是IP的附件，用于实现网络上节点的诊断，并返回错误消息，也就是我们最常用的ping协议。

　　2 硬件结构设计

　　硬件的系统框图如图2所示，光纤转电模块实现光纤到电的RJ45转换，RJ45实现光纤转换模块和MC9S12NE64(以下简称NE64)的连接，4个SPE485实现该网关与基站的RS 485连接，MAX232实现调试输出或基站的RS 232连接。本系统的光纤转电模块采用netLINK公司的HTB-1100S-25，该转换器为自适应光纤收发器，用于将100 Mb／s的光网转换为速度为：10／100 Mb／s的双绞线RJ45接口。

　　2.1 MC9S12NE64以太网单芯片简介

　　NE64是Freescale公司于2004年9月推出的高性价比、业内首个嵌入式单芯片以太网微控制器，内核为HCS12。由标准的内置外设构成，主要包括一个16 b的中央处理器单元(HCS12 CPU)，64 kB的FLASHE2PROM，8 kB的RAM(EMAC共享)，集成了10／100 Mb／s以太网物理层收发器(EPHY)的以太网媒体访问控制器(EMAC)，2个异步串行通讯接口模块(SCI)，1个4通道16 b定时器模块(TIM)以及多达21个管脚可用于键盘唤醒输入(KWU)等。内置的PLL电路允许对功耗和性能进行调节来满足运行要求。此外，内置的带隙基准稳压器，用于将3.15～3.45 V的外部工作电压转换成2.5 V的内部数字电源电压(VDD)。

　　2.2 网络接口设计

　　NE64内部集成了用于连接以太网的EMAC和EPHY协议层，因此省了外接的PHY，只需连接少许的外部电阻和电容以及一个RJ45接口就可以实现网络的物理连接，接口电路如图3所示。

　　2.3 RS 485和RS 232接口设计

　　NE64本身具有双串口，因此本文将串口0(SCI0) 设计为RS 485通信，将串口1(SCIl)设计为RS 232通信。

　　在煤矿井下人员定位系统中，该网关通过RS 485(串口0)与本地基站相连以获取人员信息。为增加系统中RS 485的驱动能力，设计了4路接口，原理图如图4所示。

　　在图4(a)中，只画了一路的RS 485接口电路，其他的3路基本一样。在接收脚RXD00串联电阻和LED指示灯，用于指示电路的接收状态，发送状态的LED指示灯没有在图中画出，原理同接收电路。WD1～WD3及串联的20 Ω小电阻，具有防雷击功能。图4(b)中的RXD01～RXD03是另外3路RS 485的接收端，要注意的是图中74HC09是集电极开路输出，因此在输出时需接一个上拉电阻，RXD0直接连接NE64的串口0的接收端，而4路RS 485的发送端TXD0连接在一起并和NE64的串口0的发送端相连。

　3 软件实现

　　嵌入式网关的软件系统完成系统的协议转换以及wEB服务器的构建，基于TCP／IP的网络协议栈有很多，但是针对嵌入式系统，必须考虑到硬件和软件资源，从而需对其进行精简使之应用于嵌入式系统。考虑到硬件资源和软件的开发，本文选用了源码开放的OpenTCP协议栈，该协议栈由芬兰的Viola Systems公司开发，实现了大多数的基于vIP4的网络协议，如HTTP，DHCP，SMTP，TFTP，TCP／IP，DNS，ARP，ICMP等协议，并由美国的SourceForge公司根据NE64的硬件资源将其移植过来，实现了在16位低成本嵌入式系统上的网络化。本文根据项目的需要，只移植了HTTP，TCPUDP，IP，ARP，ICMP协议，程序的流程如图5所示。

　　3.1 基于TCP服务端和客户端的建立

　　基于TCP服务器端和客户端程序是本设计的主要应用程序，负责整个定位数据的传输。考虑到上位机主监控软件的设计，本文采用OpenTCP协议栈提供的API函数来建立TCP服务程序。在程序中，远程主控端可以通过客户端程序主动拨号与本网关设备的服务器端建立连接，并获取基站人员定位信息；如果该网关设备中已存放有大量数据(取决于本地存储器)，那么它将通过本地客户端主动拨号与远程主控端服务器建立连接，并上传数据。

　　服务器端程序包括初始化函数void tcps_init(void)、主回调函数void tcps_run(void)以及事件监听函数INT32 tcps_eventlistener(INT8，UINT8，UINT32，UINT32)。客户端程序类似于服务器端程序，由于篇幅所限，本文仅列举了服务器端的初始化函数：

　　3.2 其他网络协议的实现

　　其他网络协议包括嵌入式WEB服务器、UDP、ARP协议、DNS协议以及ICMP协议。WEB服务器是基于HTTP网络协议而构建的，在本文主要用来实现系统参数的查询和设置，包括TCP的套接字的初始化、HTTP的初始化以及HTTP回调函数。基于UDP的数据传输是该网关的扩展功能，运用于大量数据传输，并且某些数据可以被丢掉的，如将该网关运用在井下人员的语音传输系统中。由于篇幅所限，对于ARP协议、DNS协议以及ICMP协议本文不再详细讨论。

　　3.3 RS 485以及RS 232数据传输

　　RS 485和RS 232是该网关设备与井下人员定位基站通信的主渠道，软件设计主要包括两部分：初始化和数据通信。初始化程序主要设置通信波特率以及有关的状态，数据通信主要包括串口中断处理(发送和接收)以及对收到的基站数据处理(转发远程主机某些命令、通过以太网发送人员信息等)。

　　4 单芯片嵌入式网关在煤矿井下人员定位中的应用

　　在现场安装了5个网关设备，每个网关分别连接6台基站，安装距离最远为600 m。PC机端的主控软件用VC++6.0设计，主界面包括简单服务器和客户端拨号程序。以太网采用自动协商协议，网速为100 Mb／s。以太网数据缓冲区设置为1 kB，实际上有用的字节数为804 B，除去数据长度、校验和一些特殊信息，最后可用的最大字节数为796 B，即一次传送的最大数据量为796 B。经验证该网关可以同时满足6台基站波特率在9 600 b／s的满负载情况下工作。

　　5 结 语

　　基于单芯片的MC9S12NE64的嵌入式以太网网关，完成了光纤环网到井下基站的数据转换，实现了低成本、高速率的嵌入式WEB服务器、简化的基于TCP服务器和客户端用户应用程序以及UDP的数据传输的系统。该网关可以广泛应用于工业生产和其他控制领域，实现小型工业网络监测系统，具有良好的应用前景。