專利名稱：礦用隔爆兼本安型綜合接入網關的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及礦用監測監控系統，具體地說是一種礦用隔爆兼本安型綜合接入網關，更進一步說是一種把各種現場總線信息數據通過協議轉換為以太網信號的設備，方便礦井工業以太網或者光纖傳輸，尤其適合于在煤礦井下含瓦斯及煤塵較多的危險易燃易爆的環境中使用。
背景技術：
目前，我國井下安全生產監測監控系統種類繁多，使用的監測監控系統多是90年代以前開發的，主要基于8/16位單片機和串行數據鏈路，通信速率低。各種監測系統和控制系統都是獨立成系統，相互之間不兼容，系統的互聯非常困難。因為信息交流不通暢，不利于統一的調度指揮，給安全生產帶來了隱患。由于各種系統采用不同的現場總線和各種系統的數據通信制式各不相同，致使各種系統相互之間不兼容，系統的互聯非常困難。同時由于數據通信速率低下，信息不流暢，成為構建集監測、控制、通信功能于一體的礦井網絡化信息化監測監控系統的瓶頸。
發明內容
本實用新型的目的就是提供一種礦用隔爆兼本安型綜合接入網關，解決目前煤礦安全生產監控系統兼容性差和技術落后這一制約煤礦綜合自動化的瓶頸問題。它不但可以用在一般場所，而且可以用在煤礦井下等特殊要求的場所。
本實用新型是以如下技術方案實現的電路主要由微控制器芯片U1、存儲芯片U2、U3、U5、網絡模塊、系統轉換接口、現場總線協議轉換模塊和人機接口、報警幾個主要部分組成，使用嵌入式實時操作系統，兼容TCP/IP協議IPV4，具有遠程web瀏覽管理和在線系統升級的功能。微控制器U1經地址、數據總線以及片選和相應的讀寫信號線與U2、U3、U5存儲器芯片相連，實現CAN總線數據、16路開關量、8路模擬量、RS485信號以及以太網信號的相互轉化。具體主要由U7控制器經地址數據復合線與控制器U1相連；16路開關量S1經數據總線與控制器U1相連；8路模擬量經U6轉換芯片轉換為數字信號，由數據總線與控制器U1相連；以太網經收發器U9與控制器U1相連。由控制器U1統一對各控制芯片的片選及讀寫控制，完成數據在地址數據總線上的有效傳輸，實現該網關的功能。系統將所有的外圍模塊通過總線的方式與主控制器相連，實現總線協議與以太網信號的轉換，電源均采用本質安全型，整個電路裝置在一個金屬或非金屬制備的符合煤礦井下安全規范的密封殼體中。
本實用新型可以將各種傳感器(模擬量)、控制器(開關量)、RS485/CAN總線信號以及其他系統的數據匯集，通過核心控制板進行協議轉換。比如當CAN網絡上的設備數據(如定時采樣數據和報警信息)要傳輸到信息管理層時，可將數據送到網關上，通過網關協議轉換程序將CAN協議數據封裝成TCP/IP協議的以太網數據幀發送到以太網上的監控計算機。其他總線協議的數據和一些傳感器的數據量也通過相同的方式轉換成以太網數據幀發送到以太網上的監控計算機。每個以太網信息管理終端都是一個根據用戶的具體要求設計的用戶應用軟件，實時監控網絡上的數據，為設備提供較復雜的數據處理工作。
本實用新型的有益效果是礦用隔爆兼本安型綜合接入網關是一種新型的網絡通信設備，產品為隔爆兼本安型，主要用于煤礦井下安全生產監測監控系統，適用性強，可以取代現有的井下分站或者井下中心站，解決各種廠家不同類型系統的互聯互通問題，為煤礦監測監控系統的網絡化和信息化構建一個先進的平臺，并且該產品可擴展應用到有色金屬礦山等其它行業，市場前景廣闊。
以下結合附圖對本實用新型進一步說明。
圖1是本實用新型電原理框圖；圖2是本實用新型電路原理圖；圖3是密閉型外殼圖。
具體實施方式
參照圖1，本實用新型主要由嵌入式微控制器U1、存儲芯片U2、U3、U5、網絡模塊U9、現場總線協議轉換模塊U7、U8和AD模塊U6等幾個主要部分組成，使用嵌入式實時操作系統，。實現總線協議與以太網信號的轉換，綜合接入網關可以將各種傳感器(模擬量)、控制器(開關量)、RS485/CAN總線信號以及其他系統的數據匯集，然后通過核心控制板進行協議轉換。
如圖2所示，其中，U1嵌入式微控制器，是電路的核心部分，主要實現將外圍模塊接收到的數據通過內部的軟件協議轉換部分轉換為適合網絡傳輸的以太網信號或者將以太網信號轉換為其他的協議信號。
U2、U3、U5U2為SDRAM內存芯片，采用HY57V641620型，用于執行用戶的程序。U3和U5為FLASHROM存儲芯片，采用SSE39VF160型，用于存放BOOTLOADER、OS內核、文件系統以及用戶應用程序。
U7、U8CAN控制器和收發器，主要完成CAN總線數據收集并通過控制器將數據發送到數據總線上，由ARM控制器來完成數據的處理工作。反之亦然。
U6、S1U6為A/D轉換芯片，完成模擬信號向數字信號的轉化，S1為各種控開關量的接口。
U4RS485控制器，采用MAX1483型芯片，主要完成RS485信號的收發。
U9以太網收發控制器，主要完成將采集的信號轉換成以太網信號后進行收發用。
X1U1控制器的晶振，負責產生25MHz的脈沖信號。
電路主要采用嵌入式微控制器U1、內存芯片U2、U3、U5、CAN微控制器U7和收發器U8、RS485轉換器U4、A/D轉換芯片U6、以太網經收發器U9等連接組成。綜合接入網關控制器U1經地址、數據總線以及片選和相應的讀寫信號線與U2、U3、U5存儲器芯片相連，實現CAN總線數據、16路開關量、8路模擬量、RS485信號以及以太網信號的相互轉化。具體主要由U7控制器經地址數據復合線與控制器U1相連；16路開關量S1經數據總線與控制器U1相連；8路模擬量經U6轉換芯片轉換為數字信號，由數據總線與控制器U1相連；以太網經收發器U9與控制器U1相連。由控制器U1統一對各控制芯片的片選及讀寫控制，完成數據在地址數據總線上的有效傳輸。在三個外圍模塊中，RS485模塊中RS485信號是通過U4將差分信號轉化為TTL電平信號，以便主控制器處理，U4的RO接到U1控制器的UARXDO，DI接到U1的UATXDO，另外/RE接低電平，DE接高電平，以便完成RS485信號的收發。A/D模塊中是將各種傳感器的模擬量采集過來通過U6轉換成數字信號后，在控制信號的控制下將這些信號讀到控制器進行處理，CAN模塊主要就是將CAN總線的數據通過收發器U8接收后，然后通過U7控制器將接收到的數據送到數據總線上，其中U7控制器有單獨的晶振，這樣主控制器就可以對這些傳來的數據進行處理，進而通過協議轉換程序轉換為以太網信號，通過U9發到以太網上。
在網關設計上主要就是軟件的設計，其中的通信協議層次很重要，主要采用4層結構(物理層、互聯層、控制層、應用層)。在物理層主要就是各種礦用數據傳輸的媒介和各種系統接口；在互聯層，各種傳感器(模擬量)、控制器(開關量)以及其他系統的數據匯接；在控制層，將I/O網絡的功能和對等信息傳輸網絡結合起來。這種開放型網絡提供任務關鍵控制數據(例如I/O數據刷新)和控制器之間互鎖的功能。同時，也支持非實時關鍵數據的傳輸；在應用層，我們提供上層計算機系統，以便通過以太網訪問井下各個傳感器的數據，支持標準的TCP/IP。由于通信數據可以劃分為實時和非實時兩類。監測監控的安全關鍵環節(瓦斯，CO等)滿足硬實時要求，通過SDIP(Synchronous Data IP)傳送。安全級別一般的數據通過ADIP(Asynchronous Data IP)傳遞。在網絡層完成工業以太網IP包同現場總線的協議轉換，建立通信隧道，實現各種數據的透明傳輸。
如圖3所示在本實施例中密閉殼體中共有8個口，其中上邊4個口從左到右分別用作電源、模擬信號、開關量信號的接口端，下邊4個口從左到右分別用作以太網信號、RS485/232總線信號、CAN總線信號的接口端。
權利要求1.一種礦用隔爆兼本安型綜合接入網關，其特征在于包括工業級ARM微控制器、存儲模塊、網絡模塊、系統接口、現場總線協議轉換模塊和人機接口、報警幾個主要部分，使用嵌入式實時操作系統，兼容TCP/IP協議IPV4，控制器U1經地址、數據總線以及片選和相應的讀寫信號線與存儲器U2、U3、U5連接，實現CAN總線數據、16路開關量、8路模擬量、RS485信號以及以太網信號的相互轉化，控制器U7經地址數據復合線與控制器U1相連，16路開關量S1經數據總線與控制器U1相連，8路模擬量經U6芯片轉換為數字信號后通過數據總線與控制器U1相連，以太網經收發器U9與控制器U1相連，由控制器U1統一對各控制芯片的片選及讀寫控制，完成數據在地址數據總線上的有效傳輸，實現該網關的功能，系統將所有的外圍模塊通過總線的方式與主控制器U1相連，實現總線協議與以太網信號的轉換，其供電電源采用本質安全型，整個電路安裝在一個符合礦井井下安全規范的密閉的殼體中。
2.根據權利要求1所述的礦用隔爆兼本安型綜合接入網關，其特征在于所使用的嵌入式微控制器核心芯片采用ARM微控制器，存儲器U2芯片采用HY57V641620型，存儲器U3、U5核心芯片采用SST39VF160型，TCP/IP接口采用接口芯片RTL8019AS，現場總線(CAN)核心芯片采用SJA1000型控制器和P82C250型收發器，U4RS485轉換芯片采用MAX1483型。
專利摘要本實用新型礦用隔爆兼本安型綜合接入網關，主要由嵌入式處理器、嵌入式實時操作系統和軟件技術組成，實現各種監測系統互聯和各種類型分站的接入功能，完成到煤礦井下工業以太網的協議轉換，同時也可以直接和各種常用的井下安全監控傳感器相連。通過礦井工業以太網或者光纖傳輸，把各種現場總線信息數據匯接到礦井骨干通信網絡。綜合接入網關為本質安全型，可以用于煤礦井下監測信息轉發、傳輸以及地面的監控調度。
文檔編號H04L29/06GK2894112SQ200620071149
公開日2007年4月25日 申請日期2006年4月30日 優先權日2006年4月30日
發明者錢建生, 孫彥景, 王獻偉, 曹國清, 李金猛 申請人:徐州中礦大華洋通信設備有限公司