煤矿矿井嵌入式数据采集分站的研究与实现
摘要
煤矿矿井数据采集分站是煤矿井下各安全监控模块与井上安全监控中心之间数据传输的枢纽，负责安全监控中心与安全监控模块之间的数据的采集与通信。数据采集分站能否有效工作决定了煤矿安全监控能否顺利进行，在煤矿安监中发挥着重要作用。
针对数据采集分站的工作要求，本文采用了高性能ARM7芯片LPC2292为主控芯片，通过SPI接口控制以太网控制器芯片实现TCP／IP通信，通过内嵌的CAN控制器模块实现CAN通信，并移植了μ／OS-Ⅱ操作系统使整个设计具有可靠性高、扩展能力强等特点。
论文首先简要介绍了煤矿矿井数据采集分站的研究背景与意义，讨论了数据通信部分的实施方案，得出该数据采集分站与井上监控中心之间用以太网组网，与井下监控节点之间以CAN网络组网的方案。
本文的中心工作围绕煤矿矿井数据采集分站的硬件设计中各个独立的模块进行，详细介绍了TCP／IP通信模块的设计。对电源和复位、CAN通信、LCD显示、参数修改与存储模块也一并作了介绍。
在硬件设计的基础上，进行了基于μC／OS-Ⅱ操作系统的软件设计。软件设计包括驱动程序与系统任务两部分。驱动程序部分包括各个模块的实现过程，主要对TCP／IP通信的实现进行了详细介绍。在系统任务部分，根据数据采集分站各个模块的实际作用，分配了任务的优先级，并介绍了数据采集分站各个任务的设计流程。
在整个系统的设计中，软硬件系统设计均采用了抗干扰措施，提高了系统的电磁兼容性。实践证明整个系统运行正常，能够实现对煤矿矿井数据有效采集。
Coal mine data collection substation is the hinge between the safety-monitoring module under the mine and the safety-monitoring center above the mine, it takes charge of data collection and communication between the safety-monitoring module and the safety-monitoring.It is determined by data collection substation that wether the coal mine safety-monitoring can work efficiently, and the data collection plays important part in the coal mine safety-monitoring.
Aiming at the requests, high performance ARM7 chip LPC2292 is adopted as main processor by this paper. Through the SPI, the Ethernet controller chip is driven and the TCP/IP communication is realized. Through the inner CAN controller of ARM, the CAN communication is realized as well. Embedded real-time operation systemμC/OS-Ⅱwhich is transplanted to the project, the whole system has the features of high reliability and strong expand ability.
The main topic of this paper is the design of TCP/IP communication module which is being introduced detailedly around each independent module of coal mine data collection substation. The power and reset module, CAN communication module, LCD display module, rework and storage for parameter module are introduced as well.
On the foundation of the hardware design, the software design based on operation systemμC/OS-Ⅱis processed. The software design contains two parts. One is hardware driver program, another is system task. Driver program contains the realization process of each module, and the realization process of TCP/IP communication is mainly introduced. According to the practical function of each module of the substation, the PRI of tasks is assigned and the design flows of coal mine data collection substation's tasks are introduced in the system task part.
In the whole system design, each software design and hardware design adopt the anti-jamming method in order to enhance EMC ability. The whole system is running well in practice, and the effectively data collection for coal mine is realized.
针对数据采集分站的工作要求，本文采用了高性能ARM7芯片LPC2292为主控芯片，通过SPI接口控制以太网控制器芯片实现TCP／IP通信，通过内嵌的CAN控制器模块实现CAN通信，并移植了μ／OS-Ⅱ操作系统使整个设计具有可靠性高、扩展能力强等特点。
论文首先简要介绍了煤矿矿井数据采集分站的研究背景与意义，讨论了数据通信部分的实施方案，得出该数据采集分站与井上监控中心之间用以太网组网，与井下监控节点之间以CAN网络组网的方案。
本文的中心工作围绕煤矿矿井数据采集分站的硬件设计中各个独立的模块进行，详细介绍了TCP／IP通信模块的设计。对电源和复位、CAN通信、LCD显示、参数修改与存储模块也一并作了介绍。
在硬件设计的基础上，进行了基于μC／OS-Ⅱ操作系统的软件设计。软件设计包括驱动程序与系统任务两部分。驱动程序部分包括各个模块的实现过程，主要对TCP／IP通信的实现进行了详细介绍。在系统任务部分，根据数据采集分站各个模块的实际作用，分配了任务的优先级，并介绍了数据采集分站各个任务的设计流程。
在整个系统的设计中，软硬件系统设计均采用了抗干扰措施，提高了系统的电磁兼容性。实践证明整个系统运行正常，能够实现对煤矿矿井数据有效采集。
Coal mine data collection substation is the hinge between the safety-monitoring module under the mine and the safety-monitoring center above the mine, it takes charge of data collection and communication between the safety-monitoring module and the safety-monitoring.It is determined by data collection substation that wether the coal mine safety-monitoring can work efficiently, and the data collection plays important part in the coal mine safety-monitoring.
Aiming at the requests, high performance ARM7 chip LPC2292 is adopted as main processor by this paper. Through the SPI, the Ethernet controller chip is driven and the TCP/IP communication is realized. Through the inner CAN controller of ARM, the CAN communication is realized as well. Embedded real-time operation systemμC/OS-Ⅱwhich is transplanted to the project, the whole system has the features of high reliability and strong expand ability.
The main topic of this paper is the design of TCP/IP communication module which is being introduced detailedly around each independent module of coal mine data collection substation. The power and reset module, CAN communication module, LCD display module, rework and storage for parameter module are introduced as well.
On the foundation of the hardware design, the software design based on operation systemμC/OS-Ⅱis processed. The software design contains two parts. One is hardware driver program, another is system task. Driver program contains the realization process of each module, and the realization process of TCP/IP communication is mainly introduced. According to the practical function of each module of the substation, the PRI of tasks is assigned and the design flows of coal mine data collection substation's tasks are introduced in the system task part.
In the whole system design, each software design and hardware design adopt the anti-jamming method in order to enhance EMC ability. The whole system is running well in practice, and the effectively data collection for coal mine is realized.
引文
[1] 中华人民共和国国家安全生产监督管理总局，煤矿安全生产“十一五”规划(草案)，2006．4
[2] 陈锦强，李琨，樊杨鎏．基于工业以太网的煤矿井下数据采集分站的设计．中国矿山工程，2005．35(4)：22～24
[3] 张保奎．煤矿安全监控系统数据集成方式研究：[硕士学位论文]．西安：西安科技大学，2006
[4] 罗军舟，黎波涛，杨明，等．TCP／IP协议及网络编程技术．清华大学出版社，2004．6～7。
[5] 徐祥，戴本祁．CAN总线在煤矿监控数据采集系统中的应用．工业控制计算机，2005．18(8)：20-21
[6] 王跃东，杨卫波．CAN总线技术在煤矿监测系统中的应用研究．煤炭工程，2006．(5)：107～108
[7] Liu Song, Zhu Zhi-qin, Wang Yu. Design and Realization of Intelligent Measuring and Controlling Node Based on CAN Bus.Modern Electronics Technique, 2003. (03): 66～68
[8] 邵福，曾文火．嵌入式实时操作系统在随动控制中的应用．华东船舶工业学院学报(自然科学版)，2003(06)：56～58
[9] 张利敏，丁坚勇．嵌入式技术及其在电力系统中的应用．继电器，2002．(3)：52～54
[10] 温旭，姜巍，张金生，等．拟人机器人和嵌入式实时操作系统．计算机工程与应用，2002．(1)：77～79
[11] 王铁勇，吴盘龙，刘贞报．在单片机中嵌入操作系统的利弊．今日电子，2002．(9)：22～25
[12] 徐毅．基于以太网TCPIP协议的智能楼宇控制网络系统研究与开发：[硕士学位论文]．湖南：中南大学，2003
[13] Jeremy Bentham著，陈向群等译．嵌入式系统Web服务器TCP／IP Lean．北京：机械工业出版社，2003．100～108
[14] 王田苗．嵌入式系统设计与实例开发．清华大学出版社，2003．171～173
[15] IEEE. Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications.2005.12
[16] Philips Semiconductors. LPC2292 Datasheet, Rev.01-05.2004.02
[17] Alliance Semiconductor Corporation. ASM706 Datasheet Rev1.0. 2003.10
[18] 赵洪宇．基于TCP／IP协议的嵌入式系统的研究与实现：[硕士学位论文]．黑龙江：哈尔滨工程大学，2006
[19] Microchip Technology Inc. ENC28J60 Datasheet.2006.02
[20] 周晓阳，程红，张晓媛．新型以太网控制器ENC28J60及其接口技术．单片机与嵌入式系统应用，2006．(08)：34～36
[21] Microchip Technology Inc. ENC28J60 Rev. B4 Silicon Errata.2006.08
[22] 祁树胜．SPI接口以太网控制ENC28J60及其应用．微计算机信息，2006．(08)：266～268
[23] 余翔，谢长君，吴友宇．车载网络FlexRay的研究与应用．电子元器件应用，2006．(06)：70～72
[24] 邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，1996．21～22
[25] Wang Tong-xun, Qiu A-rui etc. The Application of CAN Bus in Hybrid Electric Vehicles Motor Control System. Application of Electronic Technique, 2002. 28(3): 41～42
[26] Marcelo Luis Dultra. Field Bus control system. Advances in instrumentation and control, 1996.15: 81～89
[27] 吴友宇，秦神祖，张爱民，等．光纤CAN总线接口殴计．武汉大学学报(理学版)．2003．49(03)：405～408
[28] 广州致远电子有限公司．基于32位ARM7的CAN节点设计Rev1.0.2006．12
[29] S-MOS Systems, Inc. SED 1520/21 DOT MATRIX LCD DRIVER.Rev1.0.1996.10
[30] Siemens Inc. Intelligent 256-Byte EEPROM SLE4432/SLE4442 Data.sheet. 1995.07
[31] 上海贝岭．BL7442LV 2K位EEPROM逻辑加密存储卡．2006．08
[32] 周立功，等．ARM嵌入式系统基础教程．北京航空航天大学出版社，2005．242～243
[33] 王幸之，王雷，翟成，等．单片机应用系统抗干扰技术．北京：北京航空航天大学出版社，1999．121～124
[34] ARM Limited. ARM Developer Suite Version 1.2 Compilers and Libraries Guide.2001.11
[35] Microchip Technology Inc. The Microchip TCP/IP Stack.2002
[36] 谢希仁．计算机网络．辽宁：大连理工大学出版社，2004．180～181
[37] 陈力平．SED1520控制器在环境监测系统中的应用．微计算机信息，2006．(06)：6～8
[38] 曾伟，黄慧，郑建勇，等．用DSP控制内置SED1520的液晶显示模块．现代显示，2005．(08)：50～52
[39] 高建为，应武．一种基于单片机直接读写的IC卡读卡器．世界电子元器件，2003．(09)：71～72
[40] 邵贝贝．单片机嵌入式应用的在线开发方法．北京：清华大学出版社，2004．168～172
[41] 胥静．嵌入式系统设计与开发实例详解．北京：北京航空航天大学出版社．2005．218～219
[42] Jean J．Labrosse著，邵贝贝译．μC／OS-Ⅱ源码公开的实时嵌入式操作系统．北京：北京航空航天大学出版社，2005．78～79
[43] 刘增基，周洋溢，胡辽林等．光纤通信．陕西：西安电子科技大学出版社，2001．5～7
[44] 吴友宇，梁红．新型光纤CAN网络研究．计算机测量与控制．2004．12(05)：498～500
[45] 吴友宇，余翔．基于飞思卡尔单片机的微型热敏打印机的设计与实现．国外电子元器件，2006．(07)：4～6
[46] 白瑞林，吴广霖．嵌入式TCP／IP协议栈多线程应用的实现．计算机工程，2006．32(08)：84～86
[2] 陈锦强，李琨，樊杨鎏．基于工业以太网的煤矿井下数据采集分站的设计．中国矿山工程，2005．35(4)：22～24
[3] 张保奎．煤矿安全监控系统数据集成方式研究：[硕士学位论文]．西安：西安科技大学，2006
[4] 罗军舟，黎波涛，杨明，等．TCP／IP协议及网络编程技术．清华大学出版社，2004．6～7。
[5] 徐祥，戴本祁．CAN总线在煤矿监控数据采集系统中的应用．工业控制计算机，2005．18(8)：20-21
[6] 王跃东，杨卫波．CAN总线技术在煤矿监测系统中的应用研究．煤炭工程，2006．(5)：107～108
[7] Liu Song, Zhu Zhi-qin, Wang Yu. Design and Realization of Intelligent Measuring and Controlling Node Based on CAN Bus.Modern Electronics Technique, 2003. (03): 66～68
[8] 邵福，曾文火．嵌入式实时操作系统在随动控制中的应用．华东船舶工业学院学报(自然科学版)，2003(06)：56～58
[9] 张利敏，丁坚勇．嵌入式技术及其在电力系统中的应用．继电器，2002．(3)：52～54
[10] 温旭，姜巍，张金生，等．拟人机器人和嵌入式实时操作系统．计算机工程与应用，2002．(1)：77～79
[11] 王铁勇，吴盘龙，刘贞报．在单片机中嵌入操作系统的利弊．今日电子，2002．(9)：22～25
[12] 徐毅．基于以太网TCPIP协议的智能楼宇控制网络系统研究与开发：[硕士学位论文]．湖南：中南大学，2003
[13] Jeremy Bentham著，陈向群等译．嵌入式系统Web服务器TCP／IP Lean．北京：机械工业出版社，2003．100～108
[14] 王田苗．嵌入式系统设计与实例开发．清华大学出版社，2003．171～173
[15] IEEE. Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications.2005.12
[16] Philips Semiconductors. LPC2292 Datasheet, Rev.01-05.2004.02
[17] Alliance Semiconductor Corporation. ASM706 Datasheet Rev1.0. 2003.10
[18] 赵洪宇．基于TCP／IP协议的嵌入式系统的研究与实现：[硕士学位论文]．黑龙江：哈尔滨工程大学，2006
[19] Microchip Technology Inc. ENC28J60 Datasheet.2006.02
[20] 周晓阳，程红，张晓媛．新型以太网控制器ENC28J60及其接口技术．单片机与嵌入式系统应用，2006．(08)：34～36
[21] Microchip Technology Inc. ENC28J60 Rev. B4 Silicon Errata.2006.08
[22] 祁树胜．SPI接口以太网控制ENC28J60及其应用．微计算机信息，2006．(08)：266～268
[23] 余翔，谢长君，吴友宇．车载网络FlexRay的研究与应用．电子元器件应用，2006．(06)：70～72
[24] 邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，1996．21～22
[25] Wang Tong-xun, Qiu A-rui etc. The Application of CAN Bus in Hybrid Electric Vehicles Motor Control System. Application of Electronic Technique, 2002. 28(3): 41～42
[26] Marcelo Luis Dultra. Field Bus control system. Advances in instrumentation and control, 1996.15: 81～89
[27] 吴友宇，秦神祖，张爱民，等．光纤CAN总线接口殴计．武汉大学学报(理学版)．2003．49(03)：405～408
[28] 广州致远电子有限公司．基于32位ARM7的CAN节点设计Rev1.0.2006．12
[29] S-MOS Systems, Inc. SED 1520/21 DOT MATRIX LCD DRIVER.Rev1.0.1996.10
[30] Siemens Inc. Intelligent 256-Byte EEPROM SLE4432/SLE4442 Data.sheet. 1995.07
[31] 上海贝岭．BL7442LV 2K位EEPROM逻辑加密存储卡．2006．08
[32] 周立功，等．ARM嵌入式系统基础教程．北京航空航天大学出版社，2005．242～243
[33] 王幸之，王雷，翟成，等．单片机应用系统抗干扰技术．北京：北京航空航天大学出版社，1999．121～124
[34] ARM Limited. ARM Developer Suite Version 1.2 Compilers and Libraries Guide.2001.11
[35] Microchip Technology Inc. The Microchip TCP/IP Stack.2002
[36] 谢希仁．计算机网络．辽宁：大连理工大学出版社，2004．180～181
[37] 陈力平．SED1520控制器在环境监测系统中的应用．微计算机信息，2006．(06)：6～8
[38] 曾伟，黄慧，郑建勇，等．用DSP控制内置SED1520的液晶显示模块．现代显示，2005．(08)：50～52
[39] 高建为，应武．一种基于单片机直接读写的IC卡读卡器．世界电子元器件，2003．(09)：71～72
[40] 邵贝贝．单片机嵌入式应用的在线开发方法．北京：清华大学出版社，2004．168～172
[41] 胥静．嵌入式系统设计与开发实例详解．北京：北京航空航天大学出版社．2005．218～219
[42] Jean J．Labrosse著，邵贝贝译．μC／OS-Ⅱ源码公开的实时嵌入式操作系统．北京：北京航空航天大学出版社，2005．78～79
[43] 刘增基，周洋溢，胡辽林等．光纤通信．陕西：西安电子科技大学出版社，2001．5～7
[44] 吴友宇，梁红．新型光纤CAN网络研究．计算机测量与控制．2004．12(05)：498～500
[45] 吴友宇，余翔．基于飞思卡尔单片机的微型热敏打印机的设计与实现．国外电子元器件，2006．(07)：4～6
[46] 白瑞林，吴广霖．嵌入式TCP／IP协议栈多线程应用的实现．计算机工程，2006．32(08)：84～86