煤礦礦井數據采集分站是煤礦礦井井下各安全監控模塊與井上安全監控中心之間數據傳輸的樞紐，負責安全監控中心與安全監控模塊之間的數據采集與通信。數據采集分站能否有效工作決定了煤礦安全監控能否順利進行，因此數據采集分站在煤礦安監中發揮著重要作用。圖1所示為煤礦礦井安全監控系統組成框圖。本文設計的數據采集分站與監控中心之間通過TCP通信，與井下監控模塊之間通過CAN通信。采用基于操作系統μC／OS一Ⅱ的軟件設計，以提高整個設計的穩定性與擴展能力。



硬件設計

整體結構圖

采集分站硬件系統由主控芯片及外擴存儲器、TCP／IP通信模塊、CAN總線通信模塊、重要參數修改與存儲模塊(串口通信、E2PROM)、電源與復位電路等組成，如圖2所示。

本方案采用ARM芯片作為主控芯片，在性能上遠遠優于采用8位／16位單片機作為主控芯片的系統。TCP通信模塊實現了TCP通信。內嵌CAN模塊使得CAN通信設計電路簡單，性能更加穩定。串口通信和TCP通信都可以實現重要參數(IP地址、礦井號等)的修改，外擴E2PROM用于重要參數的存儲。

主控芯片

主控芯片采用ARM7芯片LPC2292為主控芯片，其內部有16KB RAM，并帶有256KB嵌入式高速閃存存儲器。LPC2292含有2路SPI接口，滿足操作以太網控制器ENC28J60的要求，還含有2路內嵌CAN控制器，能夠方便地實現CAN通信。由于嵌入了μC／OS一Ⅱ操作系統并移植了TCP／IP協議棧，LPC2292內部的16KB RAM無法滿足程序對存儲空間的要求。因此，本設計在LPC2292外擴展了型號為IS61LV25616AL的RAM，其存儲空間512KB。

TCP／IP通信模塊

本文采用Microchip公司SPI接口的以太網控制器ENC28J60，其最大傳輸速率為10Mbps。ENC28J60通過SPI接口和LPC2292相連接，網絡的四個引腳通過網絡變壓器后連接到RJ45接口，兩個中斷引腳接單片機的外部中斷或者連接到通用I／O口，兩個指示燈引腳外接發光管連接到地或者電源，其余引腳是電源和地。圖3為ENC28J60接口電路圖。網口插座采用內置網絡變壓器、狀態顯示燈和電阻網絡的RJ45接座HR911105A，具有信號耦合、電氣隔離、阻抗匹配、抑制干擾等優點。

CAN通信模塊

LPC2292包含2個內嵌的CAN控制器。CAN控制器同其他外圍芯片一起構成了CAN總線的接口電路。圖4為CAN總線接口電路原理圖，其中82C250是CAN控制器和物理總線間的接口芯片，該器件可以提供對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力。82C250和CAN控制器之間采用高速光耦6N137實現電氣上的隔離，以提高系統的抗干擾能力。

重要參數的修改與存儲模塊

本文所設計的數據采集分站采用串口通信和TCP通信兩種方式修改重要參數，采用AT24C16作為存儲芯片。AT24C16是具備I2C總線接口2KB的E2PROM，該芯片用來存放數據采集分站的重要參數，在此不詳細介紹。

基于μC/OS-II的軟件設計

任務劃分

本文通過移植TCP／IP協議棧MCHPStack實現TCP通信；通過控制LPC2292內部CAN控制器實現CAN通信；通過I2C接口實現對E2PROM的讀寫。在驅動程序設計的基礎上，實現了μC／OS-II的移植，并按照數據采集分站的功能要求劃分和設計任務。通過任務來調用各個驅動程序，從而實現整個數據采集分站系統的功能。本文主要設計了TCP通信、CAN通信以及重要參數的存儲任務。CAN通信任務負責建立數據采集分站，采集井下個監控模塊傳來的數據，并作相應處理。因此，數據采集分站與井下監控模塊之間的CAN通信任務應該具有最高優先級。又因為數據采集分站要將數據及時傳給井上監控中心，因此，TCP通信任務應該排在第二位。重要參數的修改與存儲任務優先級最低。

另外，系統還設置了三個中斷：一個定時中斷，用來為μC／OS-II提供時鐘節拍；一個是CAN通信中斷，用來接收CAN總線上的數據；一個串口通信中斷，用來接收串口數據。

各任務和中斷之間的關系及通訊情況如圖5所示。本文主要介紹CAN通信任務以及TCP／IP通信任務。

任務初始化

任務初始化完成任務的系統初始化、系統自檢、參數配置、操作系統初始化、任務創建與啟動。

CAN通信任務

圖6為CAN通信任務流程圖。CAN通信任務中，一方面無等待地接收TCP通信任務傳來的消息，解析并響應執行；另一方面，通過CAN中斷接收CAN中斷傳來的消息和解析消息，并對數據進行處理，以便井上監控中心進行查詢。

TCP／IP通信任務

TCP/IP通信任務在完成ENC28J60硬件驅動后，通過調用TCP／IP協議棧MHCPStack中提供的狀態機函數StackSTK()并進行修改，實現ARP、IP、ICMP、TCP等功能，并在此基礎上實現TCP通信的任務。該任務負責接收井上監控中心通過以太網傳來的TCP數據，并解析。如果是控制命令，則數據采集分站將控制命令及內容，以消息隊列的方式傳給CAN通信任務，以便傳給井下各個監控模塊；如果是獲取命令，則數據采集分站將其采集的數據通過以太網，以TCP協議傳給井上監控中心；如果是參數修改命令，則進行參數修改。

結語

煤礦礦井嵌入式數據采集分站收集井下各類監控模塊數據，并及時傳送至井上監控中心，為煤礦安全監控提供了有效途徑。采用TCP／IP通信有利于數據采集分站的動態使用；CAN通信保證了數據采集分站與井下各節點之間的高速率通信；移植的μC／OS-II操作系統增強了系統的穩定性與擴展性。實踐證明，本文設計的煤礦礦井嵌入式數據采集分站能適應井下惡劣的環境條件，數據采集及時、有效。(end)