（信号与信息处理专业论文）矿用串网口转换技术及其应用研究.pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 矿用串网口转换技术及其应用研究 信号与信息处理 褚伟 李文峰 摘要 ( 签名) 掺矿 ( 签名) 本文结合单片机技术，计算机技术，现场总线技术，以及网络技术，完成了对r s 4 8 5 信号工业现场以及矿井下环境信息的检测和采集，研制了r s 4 8 5 串行数据转r j 4 5 网络 数据的工业控制转换器及矿用转换器。 一 针对工业级以及矿用设备的特点，分别研制了相应的r s 4 8 5 转1 0 4 5 转接器，它采 用了支持无操作系统的网络连接，具有支持网络的串行设备完全可以独立运行的特点， 编写了基于8 9 c 5 2 单片机的r s 4 8 5 接口转到以太网络接口的转换程序，该系统能通过 局域网或互联网与串行端口设备通信。它采用分时复用通信技术，使用t c p 1 p 协议， 串行总线技术和r s 4 8 5 串行总线多机通信技术，在完成4 8 5 到网络信号的收发基本功能 的基础上，增加了自我保护等功能。系统具有采集速度快支持1 0 1 0 0 m b p s 自适应，半 双工；支持t c p ，u d p 协议；支持s e r v e r 和c l i e n t 模式；所有设置可通过计算机网络 远程实现；同时支持多波特率传输，给系统更大的选择空间。 本系统采用w 5 1 0 0 网络接口芯片，内部集成有1 0 1 0 0 m 以太网控制器，通过t c p i p 协议进行数据传输。控制c p u 芯片为s t c 8 9 c 5 2 具有高速、低功耗的特点，对整个系 统进行控制，完成对4 8 5 信号的收发以及处理工作。设计了完整的宽电压输入保证稳压 输出5 v 、3 3 v 双路电源电路。其中自主设计的工业级转换器优点在于多串口连接，分 别符合r s 2 3 2 ，4 2 2 以及4 8 5 标准，可以进行多串口通信，其中还有防雷防高压以及虚 拟串口的设计。我们在此基础上对工业级串网1 2 设备进行改造升级，自行研发可实现其 功能的低功耗r s 4 8 5 转1 0 4 5 电路，配备高性能的网络转换芯片，以及通用的单片机技 术，自行设计本安电源模块，组成了符合本质安全要求的新一代矿用串网口转换器。 论文完成了系统硬件电路设计并制作了实际印刷电路板，经过几次硬件电路实验和 应用系统软件设计，制作的电路和软件系统各项主要技术参数达到了设计要求，样机能 满足工业级和矿用方面的特殊要求有，具有工程应用的基本功能。 关键词：接入技术；串网口转换；r s 4 8 5 ：矿用； 论文类型：应用研究 s u b j e c t ：m i n es e r i a lp o r tc o n v e r to fn e tp o r tt e c h n o l o g ya n di t s a p p l i c a t i o ns y s t e m s p e c i a l t y ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e：c h uw ei(signature) i n s t r u c t o r ：l iw e n f e n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( i | i 儿， i nt h i sp a p e r , s i n g l e c h i pt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，f i e l db u st e c h n o l o g y ，a n d n e t w o r kt e c h n o l o g y ，c o m p l e t e dar s 4 8 5s i g n a lu n d e rt h ei n d u s t r i a lf i e l d ，a sw e l la sm i n e d e t e c t i o na n da c q u i s i t i o ne n v i r o n m e n td e v e l o p e dr j 4 5t or s 4 8 5s e r i a ld a t ao ft h ei n d u s t r i a l c o n t r o ln e t w o r kd a t ac o n v e r t e r sa n dm i n i n gc o n v e r t e r f o ri n d u s t r i a lm i n i n ge q u i p m e n t ，a sw e l la st h ec h a r a c t e r i s t i c so f , r e s p e c t i v e l y ，t h e c o r r e s p o n d i n gd e v e l o p m e n to fr s 4 8 5t or j 4 5a d a p t e r ，i tu s e sn oo p e r a t i n gs y s t e ms u p p o r t f o r n e t w o r kc o n n e c t i v i t y , w i 吐1a s u p p o r tn e t w o r k o fs e r i a ld e v i c e sc a nb es t a n d - a l o n e c h a r a c t e r i s t i c s p r e p a r e db a s e do nt h e8 9 s 5 2m i e r o c o n t r o l l e ri n t e r f a c er s 一4 8 5i n t e r f a c et o e t h e r n e tc o n v e r s i o np r o c e s s ，t h es y s t e mt h r o u g ht h el a no ri n t e r n e tc o m m u n i c a t i o n 谢t 1 1t h e s e r i a lp o r td e v i c e i tu s e st i m e - m u l t i p l e x e dc o m m u n i c m i o nt e c h n o l o g i e s ，t h eu s eo ft c p i p p r o t o c o l ，s e r i a lb u sr s 4 8 5s e r i a lb u st e c h n o l o g ya n dm u l t i - m a c h i n ec o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y ，t h ec o m p l e t i o no f4 8 5t ot h en e t w o r kt os e n da n dr e c e i v es i g n a l sb a s e d o nt h e b a s i cf u n c t i o n s ，s u c ha sa ni n c r e a s eo fs e l f - p r o t e c t i o nf u n c t i o n s y s t e ma c q u i s i t i o ni ns u p p o r t o f10 10 0 m b p sa d a p t i v ef a s t ，h a l f - d u p l e x ；s u p p o r tt c p ，u d pp r o t o c o l ；s u p p o r tf o rs e r v e ra n d c l i e n tm o d e ；a l lo ft h es e t t i n g sc a nb er e m o t e l yt h r o u g hc o m p u t e rn e t w o r k st oa c h i e v e ；a tt h e s a m et i m es u p p o r tm u l t i b a u dr a t et r a n s m i s s i o n ，g r e a t e rc h o i c et ot h es y s t e ms p a c e t h es y s t e mu s e saw 510 0n e t w o r ki n t e r f a c ec h i p ，t h ei n t e r n a li n t e g r a t e d10 10 0 m e t h e m e tc o n t r o l l e r ，t h r o u g ht h et c p | i pp r o t o c o lf o rd a t at r a n s m i s s i o n ，s t c 8 9 c 5 2c o n t r o l c p u c h i pf o rh i g h s p e e d ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee n t i r es y s t e mi s c o n t r o l l e dt oc o m p l e t et h es e n da n dr e c e i v es i g n a l so nt h e4 8 5a sw e l la sw o r k d e s i g no fa c o m p l e t eg u a r a n t e eo f t h ew i d ei n p u tv o l t a g er e g u l a t o ro u t p u tv o l t a g e5 v ，3 3 vd u a lp o w e r s u p p l yc i r c u i t ，i nw h i c ht h ea d v a n t a g e so fi n d u s t r i a lg r a d ec o n v e r t e r st om u l t i - s e r i a l c o n n e c t i o n s ，r e s p e c t i v e l y ，i nl i n ew i t ht h er s 2 3 2 ，4 2 2a n d4 8 5s t a n d a r d s ，c a nb em u l t i s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，w h i c ha l s ot h e r ea r eh i g h p r e s s u r ea n da n t i l i g h t n i n gp r o t e c t i o nd e s i g no f t h ev i r t u a ls e r i a lp o r t ，o nt h eb a s i so ft h e i ri n d u s t r i a lc a s c a d e n e t w o r ku p g r a d i n gp o r t f a c i l i t i e s i t so w nr e s e a i c ha n dd e v e l o p m e n tf u n c t i o nt oa c h i e v e i t sl o w p o w e rr s 4 8 5t or j 4 5 c i r c u i t ，e q u i p p e dw i t hh i g h p e r f o r m a n c en e t w o r k s w i t c h e sc h i p s ，a sw e l la st h ec o m m o n s i n g l e c h i pt e c h n o l o g y ，t od e s i g nt h es e c u r i t yp o w e r m o d u l e ，t h ec o m p o s i t i o no ft h ee s s e n t i a l s a f e t yr e q u i r e m e n t si nl i n ew i t ha n e w g e n e r a t i o no fm i n i n gs t r i n g n e t w o r kp o r tc o n v e r t e r p a p e r sc o m p l e t e ds y s t e ma n dt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dp r o d u c t i o no f t h ea c t u a l p r i m e dc i r c u i tb o a r d s ，a f t e rs e v e r a le x p e r i m e n t sa n d h a r d w a r ea p p l i c a t i o ns y s t e m ss o f t w a r e d e s i g n ，c i r c u i t sa n ds o f t w a r ep r o d u c e db yt h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f t h es y s t e mm e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t st om e e tt h ei n d u s t r i a lp r o t o t y p ea n dm i n eh a v eas p e c i a lr e q u e s t ，w i t h t h eb a s i cf u n c t i o n so fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：a c c e s st e c h n o l o g y t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h s e r i a lp o r tc o n v e an e t p o r t r s 4 8 5 m i n i n g 西妻料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：雾差参日期：之9 9 l f 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章“律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：襦行 ：乡翅辱 唧i 。! 月r - t2 日 1 绪论 l 绪论 1 1 论文选题的背景 矿山( 包括煤矿、金属与非金属矿以及石油、天然气等液体、气体矿) 是国民经济 的基础产业，我国8 0 以上的工业原料和9 5 以上的能源来源于矿产。目前，全国有 2 0 万个矿山企业，点多面广、从业人员多、危险源集中，每年发生各类事故近万起，死 亡9 0 0 0 余人。 煤矿，在世界上来说都是一个危险的产业，因井下作业远离地面，地形复杂，环境 恶劣，人员设备分散，许多事故例如瓦斯、煤尘爆炸，火灾，煤与瓦斯突出，透水，冲 击地压和大面积冒顶等等，对矿工生命构成威胁。 一 此外，中国与世界能源结构存在差异。在世界平均能源结构中，天然气占2 0 , - , 2 2 ， 石油占3 8 , - 4 0 ，煤炭占2 5 3 0 ；而我国能源结构中，煤炭占7 0 ，天然气占2 8 ， 石油占1 7 6 。 2 l 世纪，我国已进入以消费结构升级、能源需求增长为重要特征的重化工时代。按 2 0 2 0 年全面建设小康社会目标，2 1 世纪前2 0 年，我国能源需求将快速增长。根据我国 煤炭资源丰富，油气资源相对贫乏的资源国情，煤炭需求进入高增长期。最主要的，我 国是一个煤矿事故频发的国家。我国地质条件恶劣，4 7 的矿井属于高瓦斯或瓦斯突出 矿井。近几年，随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要， 我国各大、中、小煤矿企业重视基础设施建设，加大安全投入，煤矿安全监测监控系统 得到了普遍应用，系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率，但早 期相当一部分监测监控系统由于技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术 服务跟不上等原囚，或者已淘汰、或者停产。因此，造成相当一部分矿井无法继续正常 使用已装备的系统特别是近年来由于老系统服务年限将至，已无继续维修、维护的必要， 系统面临更新、改造的机遇。 我国经济的长期高速发展导致能源需求持续旺盛，煤矿资源的长期大规模开发，埋 藏于浅部的高品位矿产资源日益枯竭，大批矿山过渡到深部开采，水压、地压、地温、 瓦斯压力都有相应增加，自然条件在不断恶化，煤与瓦斯突出、冲击地压等灾害的复杂 性和治理的难度在加大。矿井生产中经常发生瓦斯，水、火、煤尘、项板等灾害事故。 为保证矿山企业安全，矿山企业一定要加强安全生产信息化建设，一定要具备安全 生产的基本条件，提高抗灾防灾能力。最近几十年以来，由于缺乏对矿山安全生产的重 视，以及没有相关政策和规定制约，政府和企业投入安全生产较少，以及矿井安全保障 环境和技术的复杂性，整个安全生产监控平台一直处于落后状况，煤矿安全生产中重大 西安科技大学硕士学位论文 危险源的辨识、预警、预案、救灾、控制、管理体系没有很好地建立【l 】。 1 2 国内外的研究动态以及发展趋势 矿山信息化建设有四大支撑技术传感技术、通信技术、计算机技术和电子技术， 需要技术开发单位具有坚实宽广的基础理论和系统专业的专门知识。矿山安全生产监控 系统融合了网络通信、多媒体通信、有无线接入、电子测量、信号处理、图像处理、计 算机、嵌入式系统等大量先进技术，开发难度非常大。 矿山安全生产监控系统是矿山信息化的重要内容。安全监控系统为各级生产指挥者 和业务部门提供环境安全参数动态信息，为指挥生产提供第一手资料。通过对被测参数 的比较和分析，为预防灾害事故提供技术数据，便于提前采取防范措施通过对被测参数 实施实时有效的控制，及时实现自动报警、断电和闭锁，便于制止事故的发生或扩大； 在发生事故的情况下，能及时指示最佳救灾和避灾路线，为抢救和疏散人员、器材，提 供决策信息。 国外煤矿监控技术是2 0 世纪6 0 年代开始发展起来的，至今己有四代产品，基本上 5 n 1 0 年更新一代产品。从技术特性来看，主要是从信息传输方式的进步来划分监控系统 发展阶段的。国外最早的煤矿监控系统的信息传输采用空分制来传输信息6 0 年代中期 英国煤矿的运输机控制、日本煤矿中的固定设备控制大都采用这种技术，其中最具代表 性的是法国的c c t 6 3 4 0 煤矿环境监测系统，它可测瓦斯、一氧化碳、风速、温度等参 数，最多可测4 0 个测点。到7 0 年代末，这一系统在西欧一些国家共装备了1 5 0 多套。 波兰在7 0 年代从法国引进技术，推出了可测2 0 0 个测点的c m m - 2 0 系统，后又将测点 扩展到1 2 8 个，形成c m c 1 系统。这就是第一代煤矿监控系统。 煤矿监控技术的第二代产品的主要技术特征是信道的频分制技术的应用。由于采用 了频分制，传输信道的电缆芯数大大减少，它很快取代了空分制系统。英美等国的煤矿 在6 0 年代后期就己大量采用频分制技术。其中最具代表性且至今仍有影响的是西德 s i e m e n s 公司的t s t 系统和f & h 公司的t r 2 0 0 ( 早期是t f 2 4 ) 系统，这些都是音频传输 系统。 频分制的应用，体现了以晶体管电路为主的信息、传输技术的发展，它比空分制前 进了一大步。而集成电路的出现推动了时分制系统的发展，从而产生以时分制为基础的 第三代煤矿监控系统，其中发展较快的是英国。英国煤炭研究院于1 9 7 6 年推出轰动一 时的以时分制为基础的m i n o s 煤矿监控系统。在皮带运输系统应用取得成功后，他们 立即推广到井下环境监测、供电供水监测和洗煤厂监控等方面，形成了全矿井监测监控 系统。到8 0 年代初，m i n o s 系统己相当成熟，在英国国内得到大量推广，还向美国和 印度出售过。这一系统的成功应用，开创了煤矿自动化技术和煤矿监控技术发展的新局 面，直到今日，国内外各种监控系统尽管在功能性和产品的技术先进性上都有较大的提 2 1 绪论 高，但系统的整体结构仍没有太大的变化。 8 0 年代是计算机、大规模集成电路、数字通信等现代技术高速发展时期。由英国煤 炭研究院推出m 烈o s 系统软件应用成功后，英国的h s d e ，h u w c o d ，t r a n s m i t l n g 等公司分别生产了以时分制为基础的系统与之相配套，西德也提出了以时分制为基础的 ( g e a m a t i c 2 0 0 0 全矿井监控系统的实施计划，对煤矿电气电子产品有重要影响的西门 子、a e c 公司也纷纷推出以时分为基础的煤矿监控系统以满足市场需要；波兰也自行开 发了以时分制为基础的h a d e s 设备监测系统；苏联也在以时分制为基础的老系统上开 发新产品；日本以南大夕矿为样板也实施了许多以时分制为基础的监控系统项目。 在此期间，美国以其拥有的雄厚高新技术优势，率先把计算机技术、大规模集成电 路技术、数据通信技术等现代高新科技用于煤矿监控系统，使煤矿监控技术跻身于高科 技之列。这就形成了以分布式微处理机为基础的第四代煤矿监控系统。其中有代表性的 是美国m s a 公司的d a n 6 4 0 0 系统，其信息传输方式仍属于时分制范畴，但用原来的 一般时分制的概念己不足以反映这一高新技术的特点。计算机系统的应用、- 普及，网络 通讯技术及图像压缩处理技术以及传输技术的快速发展，使得安全技术防范行业能够采 用最新的计算机、通讯和图像处理技术，通过计算机网络传输数字图像，可为实现远程 图像监控及联网报警系统提供高效可行、价格低廉的解决方案。利用矿区现有或新建的 网络环境与技术条件，充分发挥计算机网络的优势，建成高效可靠的远程视频监控与联 网报警系统，为企业的安全防范、高效管理提供更有力的技术保障。另外，宽带技术与 网络视频监控技术的发展，为远程监控提供了更加完美的解决方案【2 】【4 】【1 0 1 。 我国的煤矿安全监测监控技术是伴随着煤炭工业发展而逐步发展起来的，它经历了 从简单到复杂、从低水平到高技术的发展过程。8 0 年代初，从波兰二法国、德国、英国 和美国等( j t f l ( c m c 1 ，c t t 6 3 4 0 ，t f 2 0 0 ，m1 n o s 和d a n6 4 0 0 ) 弓i 进了一批安全监测监控 系统及配套传感器和便携式仪器装备矿井并相应地引进了部分系统、传感器和敏感元件 的制造技术，由此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展进程。在引进的同时，通过 消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出2 ，k j 4 ，k j l 0 ，k j l 3 ，k j l 9 ，k j 3 8 ， k j 7 5 ，k j 8 0 ，k j 9 2 等监控系统。实践表明，综合评价我国现有煤矿安全监测监控系统及 配套传感器等设备的现场应用效果，天地科技股份公司常州自动化分公司的k j 9 5 ，煤 炭科学研究总院抚顺分院的k j f 2 0 0 0 和北京瑞赛公司的k j 4 k j 2 0 0 0 ，煤炭科学研究总 院重庆分院的k j 9 0 等系统无论在软硬件功能、稳定性和可靠性、专业技术服务能力、 企业性质和生产规模等方面基本代表了目前我国煤矿安全监测监控系统的技术水平。同 时，在“以风定产，先抽后采，监测监控 十二字方针和新的煤矿安全规程有关条款指 导下，规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井安全监测监 控系统。因此，大大小小的系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多 的选择机会、也促进了各厂家在市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识【6 j 。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 本文研究了r s 4 8 5 串行数据转r j 4 5 网络数据的转换技术及其在工业控制、煤矿安 全领域的应用。采用的r s 4 8 5 串行通信接口转r j 4 5 以太网接口的本质安全型串网口转 换器技术可以将传感器、控制器、报警器等立即联网，使矿山已有的分离式分布式监控 系统接入到矿用工业以太网，兼容、改造矿山现有的现场总线监控系统，保护原有投资， 使得矿区地面与井下之间、矿区与矿山安全监督管理部门之间可以共享信息。串网口转 换器同时提供光接口和电接口，适合各类传输介质，防爆形式为本质安全型，防爆标志 为e x i b i ，体积小、重量轻、功耗低、成本低。 与本技术功能相似的矿用产品有天地( 常州) 自动化股份有限公司的k j j 3 1 型矿用 环网接入器和k j j 5 8 型矿用环网接入器( h t t p ：h w w w c a r i t o m c n k j j 3 1 h t m ) 等，但它们 的防爆型式为矿用隔爆兼本质安全型，防爆标志为e x d i b 一i ，体积大( 分别为：6 0 6 m m 5 0 3m m 2 3 1 m m ，6 6 0 m m 4 4 2 m m 7 0 9m m ) 、重量沉( 分别为8 0k g 、1 6 0k g ) 、 功耗高、成本高。 国内矿山安全生产监控系统做得好的企业有天地( 常州) 自动化股份有限公司( 煤 炭科学研究总院常州自动化研究院) 、江苏三恒科技集团有限公司等，开发的产品有 q i o b 系统、k a 9 5 n 系统、g e p o n 系统、k j 9 1 a 系统、k j 9 0 系统、k j f 2 0 0 0 系统、 k j 4 系统、k j l 0 1 系统、k j 6 6 系统、k j 9 8 系统、k j 3 1 系统、k j 7 0n 系统等。它们 大多数采用现场总线技术、也有采用基于基于工业以太环网的监控系统。集成度有待提 高，没有同时覆盖矿区井下、地面区域。 矿用工业以太网技术是现有成熟技术，网络设备包括矿用光电缆( 如：f - n e t 慧锦 室外矿用阻燃光缆m g t j a v ( g y t z a ) 、江苏苏能m h y v 2 5 、h u y v 2 5 、m h j y v 2 5 、 h u j y v 2 5 等) 、矿用交换机、工业交换机、工控机等，研制单位集成即可；矿用交换 机种类不多【5 1 。 参数采集技术成熟，选择余地大，如：k g j l 6 b 型瓦斯传感器、k g j 2 3 型高低浓 度甲烷传感器、k g a 5 型一氧化碳传感器、k g q 7 型氧气传感器、k g n l 型烟雾传感 器、k g 3 0 0 7 a 型温度传感器等；但本质安全型的少，研制单位可集成可开发。 矿用电源技术成熟，型号多，选择余地大，如：k d w 2 6 型矿用直流稳压电源、k d w 6 5 隔爆兼本安型多路电源、k d w l 7 矿用隔爆兼本安电源、k d w 2 2 矿用隔爆兼本安电源等， 研制单位集成即可。 串网口转换技术是发展中的技术，目前有成熟工业级产品，我们也掌握了其核心技 术，本质安全型串网口转换器需要有本安电源的设计，技术难度不大，可自行开发【7 】【引。 1 4 本课题的研究意义 4 1 绪论 v i 目前在矿山安全生产中，监控系统设备层主要采用工业现场总线形式。这些各自分 离的分布式监控系统主要采用低成本的8 位单片机，单片机通过异步串行通信接口 r s 2 3 2 或r s 4 8 5 或c a n 总线协议通信，无法直接于互联网连接，不利于矿山信息化系 统的综合集成。要想接入到互联网必须进行通信接口改造，这种改造不仅是接口的物理 改造，关键是数据格式的改造和通信协议的转换。 在地面，工业级串网口转换器成熟产品很多，如台湾m o x a ( 摩莎) 公司的外挂式 n p o r t 解决方案( h t t p ：w w w m o x a c o m p r o d u e t n p o r t5 2 1 0 ) ，但都没有针对煤矿这种特 殊场合做专门防爆电路设计，不能直接在矿山应用。与本技术功能相似的矿用产品有天 地( 常州) 自动化股份有限公司的k j j 3 1 型矿用环网接入器和k j j 5 8 型矿用环网接入 器( h t t p ：w w w c a r i c o m c n k j j 3 1 h t m ) 等，但它们的防爆型式为矿用隔爆兼本质安全型， 体积大、重量沉、功耗高、成本高。 本质安全型串网口转换技术提出一种矿用本质安全型r s 4 8 5 串行通信接口转r j 4 5 以太网接口转换器的设计方案，使矿山已有的分离式分布式监控系统可以通过该转换器 接入到矿用工业以太网，并可进一步集成为矿山安全生产多媒体监控系统，使得矿区地 面与井下之间、矿区与矿山安全监督管理部门之间可以共享信息。 本质安全型串网口转换期技术指标如下： ( 1 ) 防爆形式为本质安全型，防爆标志为e x i b i ； ( 2 ) 网口支持1 0 1 0 0 m b p s 自适应，半双工； ( 3 ) 支持t c p ，u d p 协议； ( 4 ) 支持s e r v e r 和c l i e n t 模式； ( 5 ) 所有设置可通过网络实现； 、， ( 6 ) 配套设备驱动设置程序； ( 7 ) u a r t 支持9 6 0 0 4 8 0 0 2 4 0 0 1 2 6 0 。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 工业级串网口转换器 2 1 系统说明 随着互联网应用的日益普及，信息共享程度的不断提高，以单片机为中心的数据采 集、检测控制等系统接入网络共享信息以成为一种趋势，传统的互联网的应用正从以 p c 机为中心的时代逐渐转到以单片机系统为中心的时代。 但是目前在工业控制领域，单片机系统主要通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 和c a n 总线协议 通信，它们无法直接于互联网连接，因此系统处于与互联网隔绝的状态。这些系统广泛 采用低成本的8 位单片机，而这种单片机一般只具有r s 4 8 5 异步串行通信接口，要想 接入到互联网必须进行通信接口改造，这种改造不仅是接口的物理改造，关键是数据格 式的改造和通信协议的转换。因此本文提出一种r s 4 8 5 串行通信接口与r j 4 5 以太网接 口转换器的设计方案，已有的单片机系统可以通过该转换器接入到以太网，进一步接入 互联网，这种方案对研发嵌入式网络系统也有借鉴作用。 r s 4 8 5 串口与r j 4 5 网络接口转换器由控制单元、网络接口单元、电源单元组成， 总体结构如图2 1 所示。 单片机系统具有标准的r s 4 8 5 串行异步通信接口，若要通过转换器接入互联网， 一般首先接入局域网，局域网基本采用以太网，再通过以太网接入到互联网，因此本文 提到的转换器的网络接口采用以太网的r j 4 5 接口。若数据从单片机系统发送到互联网， 则单片机系统发送的异步串行数据帧经过转换器后，把数据帧转换成以太网数据帧，然 后上传到互联网。 r j 4 5 s t c 8 9 c 5 2w 5 1 0 0 图2 1 系统总体结构 其中，控制单元负责数据的收发和数据格式的转换，它的核心是单片机；网络接 口单元完成数据以太网帧格式的封装和拆封以及信号的变换：电源单元为控制单元和网 络接口单元提供电源，如图2 2 所示。 6 2 工业级串网口转换器 心 弘器臣 单片机系统 n 2 2 电源部分 图2 2 系统框架图 i n t e m e t 2 2 1 电路的设计 本文采用的是低电压供电系统，系统输入电压为9 - 3 6 v 的宽电压供电，要求给系统 输入电压在这个范围中，在经过滤波，整流，以及稳压之后输出标准的+ 5 v 以及+ 3 3 v 给单片机以及网络芯片w 5 1 0 0 供电，下面对整个电源系统详细讲解。 2 2 2 滤波电路 滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。 滤波对于特定电路来说是对采集来的信号中掺杂着很多高频干扰，使信号波形看上 去很乱。如果使用参数到位的低通滤波滤除高频干扰，这时信号就会很工整，很平滑，这就 是低通平滑滤波在a d 转换前进行滤波处理常用的传感器会把物理量转化成频率或 电压转化成频率的在a d 转换前一定要加滤波器转化成电压的视工作环境而定。 2 2 3 整流电路 桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交 流电转变为直流电。 原理： 桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。 半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得 j 下弦波的正半部分，负半部分则损失掉。 桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通， 得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的， 所以输出还是得到正弦波的正半部分。桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波 整流高一倍。 我们选用桥式整流的电路如图2 3 所示，对电路进行整流。 7 西安科技大学硕士学位论文 图2 3 桥式整流 2 2 4 稳压电路 在电路中，我们选择使用l m 5 5 7 5 作为稳压芯片，对电路进行稳压，使输出为恒定 直流电压。 l m 5 5 7 5 是在输入为6 v 4 5 v 7 5 v 下，输出电流达到0 5 a ，1 5 a ，3 a 。 l m 5 5 7 5 芯片内置7 5 v 、3 3 0 m o h m 的n 通道m o s f e t ，而l m 2 5 5 7 5 芯片则内置 4 2 v 的n 通道m o s f e t ，这两款芯片都采用有辅助散热焊盘的1 6 引脚t s s o p 封装。 具有主从同步功能，还具有内置的保护电路和软启动功能，实现了1 5 的高反馈精度 金属加工网，动态范围宽，工作频率5 0 l z 5 0 0 k h z 完全可调。 l m 5 5 7 5 稳压器适用于高达7 5 v 的输入电压，可以连续输出高达3 a 的电流。占空 比较低的系统只要采用这种已注册专利的仿电流模式技术，便可确保负载瞬态响应有卓 越的表现，这是传统的电流模式控制所无法做到的。这款芯片的操作频率都可调节，范 围则介于5 0 k h z 与1 m h z 之间，这是业界最广阔的动态范围之一。此外，这款稳压器都 设有频率同步引脚，让同一系列的不同型号芯片可以自动同步操作或调校至与外置时钟 同步，这样可以减少电磁干扰。而且还设有每一周期限流值、短路保护及过热停机等功 能。仿电流模式技术简介。 仿电流模式控制技术可以模拟降压开关的电流信号，然后利用这些模拟信号进行电 流模式控制。这种控制方式比传统的电流模式控制有更卓越的抗噪声干扰能力。模拟的 降压开关电流信号是以下两者的和：即模拟斜波电流与刚好在开关切换前采样的二极管 电流两者相加的总和。只要避免直接测量降压开关电流，便可将开关噪声的干扰减至最 少，但又可充分利用电流模式控制的优点。图2 4 为l m 5 5 7 5 的典型电路图，图2 5 为 其芯片结构图。 图2 4l m 5 5 7 5 典型电路图图2 5l m 5 5 7 5 结构图 8 其引脚功能如表21 所示： 表2 1l i m i s 5 7 5 引脚以及功舱表 22 5 隔离电路 f 0 5 0 5 定电压输入3 0 0 0 v 隔离非稳压单输出1 w 系列，如图2 6 。 图2 6f 0 5 0 5 芯片图 f 0 5 0 5 s i w 系列产品是专门针对线路板上分布式电源系统中需要产生一组与输入 电源高隔离的电源的应用场合而设计的。该产品适用于： ( 1 ) 输入电源的电压比较稳定( 电压变化1 0 ) ； ( 2 ) 输入输出之问要求隔离( 隔离电压= 3 0 0 0 v d c ) ； ( 3 ) 对输出电压稳定度和输出纹波噪声要求不高； 如：纯数字电路，一般低频模拟电路，i g b t 等功率器件驱动电路等。 特点( 如表22 2 3 所示) ： ( 1 ) 体积小； 西安科技走学硕士学位论文 ( 2 ) s i p d i p 封装； ( 3 ) 单电压输出； ( 4 ) 隔离电压3 0 0 0 v d c ； ( 5 ) 定电压输入； ( 6 ) 功率密度达08 4 w c m 3 ； ( 7 ) 非稳压输出； ( 8 ) 工作温度：- 4 0 计8 5 ； ( 9 ) 国际标准引脚； 0 0 ) 阻燃封装，满足u l 9 4 v 0 要隶； ( 1 1 ) 温度特性好； 0 2 ) 无需外加元件； ( 1 3 ) 可直接焊在p c b 上。 表2 2f 0 5 0 5 一般特性图 表2 3 f 0 5 0 5 输出特性图 m i n n # ima 1 0 1 1w ”，121 c ，c c 1o 1 ；l 4 。 1o o j t，oo j1 。 2 0 1 - z - 3 ：卧h 二i 7 5 、do ：c - - _i 7 3k f ： 阿丌习 一 h 图27f 0 5 0 5 引脚图 2 2 ：6l d op e g l l l 7 l d o 是l o w d r o p o u tr e g u l a t o r ，意为低压差线性稳压器，是相对于传统的线性稳 压器来说的。传统的线性稳压器，7 8 x x 系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高 出2 v 3 v 以上，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛 刻了，如5 v 转3 3 v , 输入与输出的压差只有1 7 v ，显然是不满足条件的。针对这种情 况，才有了l d o 类的电源转换芯片。针对这种情况我们才选用l d o ，l d o 是一种 线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或f e t ，从应用的输入 电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将 输出电压维持在其额定值上下1 0 0 m v 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小 值。正输出电压的l d o ( 低压降) 稳压器通常使用功率晶体管( 也称为传递设备) 作为p n p 。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常 为2 0 0 m v 左右；与之相比，使用n p n 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降 为2 v 左右。负输出l d o 使用n p n 作为它的传递设备，其运行模式与正输出 l d o 的p n p 设备类似，其典型电路图如图2 8 所示。 r e g i l l 7 即为典型的l d o ( 如图29 ) ，它可以把5 v 电压转换为”3 v ，给系 统进行供电。 图2 8 r e g i l l 7 典型屯路图 特点： ( 1 ) 输出1 最小值( v ) ：3 3 0 0 ； ( 2 ) 输出1 最大值( v ) ：3 3 0 0 t 图2 9 r e g i l l 7 芯片 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 输出2 最小值( v ) ：一； ( 4 ) 输出2 最大值( v ) ：一； ( 5 ) 输出电流典型值( m a ) ：8 0 0 ； ( 6 ) 输入电压最小值( v ) ：3 8 0 0 ； ( 7 ) 输入电压最大值( v ) ：1 5 ； ( 8 ) 压差典型值( m v ) ：11 0 0 ； ( 9 ) 静态电流典型值( m a ) ：4 ； ( 1 0 ) 容限( ) ：1 ； ( 11 ) 关断功能：n o ： ( 1 2 ) 输出电容( “f ) ：1 0 ； ( 1 3 ) 输出电容类型：钽； ( 1 4 ) 封装腽度( 9 c ) ：4 s o p 0 1 2 5 。 在我们的电路中，因为网络芯片w 5 1 0 0 需要提供给+ 3 3 v 芯片才能正常工作，所以 我们选择了r e g l11 7 3 3 来完成此功能，给系统供电，完成系统功能。由此，整个电源 部分设计到此结束，系统提供+ 5 v ，+ 3 3 v 电压分别到单片机以及网络芯片，达到系统 供电的目的。 2 2 7 防雷以及防高压设计 在工业领域中，经常会因为恶劣天气影响而影响施工，或者因为雷击而使电路损坏， 设备无法使用的现象。所以我们通过研究设计了防雷以及防高压袭击电路，其主要是应 用t v s 管的瞬态抑制作用，使高电压直接接地，从而放电，保护了电路，在4 8 5 端在 使用t v s 管的基础上使用了光电隔离来防止高电压进入主要电流区，以防止其被烧坏。 t v s 管的特性：反映速度快( 为p s 级) ，体积小，箝位电压低，可靠性高。1 0 1 0 0 0us 波脉冲功率从4 0 0 w 一- - 3 0 0 0 0 w ，脉冲峰值电流从几安几百安。常用的t v s 管的击穿电压 有从5 v 到5 5 0 v 的系列值。且可靠性高，在t v s 管规范之工作范围内，性能可靠，不易 劣化，使用寿命长