摘要：設(shè)計了一種用于煤礦井下的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，給出了硬件和軟件設(shè)計的基本原理，在煤礦井下首次實(shí)現(xiàn)了寬帶數(shù)據(jù)通信。
關(guān)鍵詞：礦井；工業(yè)以太網(wǎng)；交換機(jī)；監(jiān)測監(jiān)控
0 引言
對煤礦生產(chǎn)中的各個生產(chǎn)與保障環(huán)節(jié)的主要參數(shù)進(jìn)行各種各樣的監(jiān)測與控制是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。在我國，傳統(tǒng)的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要有KJ4系統(tǒng)、 KJ90系統(tǒng)、KJ95系統(tǒng)等，這些監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)基本上都采用集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一般由現(xiàn)場測控分站和控制中心主站組成。雖然這些監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在我國煤炭安全監(jiān)測監(jiān)控領(lǐng)域曾經(jīng)發(fā)揮了巨大作用，但隨著煤礦生產(chǎn)的發(fā)展和自動化程度的不斷提高，這些系統(tǒng)固有的傳輸速率低、缺乏統(tǒng)一的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等缺陷已經(jīng)不能適應(yīng)建設(shè)高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井的需要。現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)必須改造傳統(tǒng)的功能單一的生產(chǎn)、安全調(diào)度指揮系統(tǒng)，建立一個數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)信息平臺，實(shí)現(xiàn)礦井乃至全礦區(qū)的信息化和綜合自動化。煤礦急需新的技術(shù)，以帶動全礦綜合自動化程度的提高，促進(jìn)煤礦生產(chǎn)向高產(chǎn)高效方向發(fā)展。
1 工業(yè)以太網(wǎng)簡述
與包括現(xiàn)場總線在內(nèi)的其它控制網(wǎng)絡(luò)相比，以太網(wǎng)具有應(yīng)用廣泛、成本低廉、通信速率高、軟硬件資源豐富、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟮戎T多優(yōu)點(diǎn)，在技術(shù)、速度和價格等許多方面都有著其它網(wǎng)絡(luò)無可比擬的優(yōu)勢。隨著以太網(wǎng)性能的提高和解決以太網(wǎng)實(shí)時性問題的技術(shù)不斷推出，將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場將是工業(yè)控制領(lǐng)域的必然選擇。
目前，工業(yè)以太網(wǎng)在地面上已經(jīng)有實(shí)際應(yīng)用。國家煤礦安全監(jiān)察局有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和專家在新近舉行的制定《煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)安全條件》研討會上提出，使用工業(yè)以太網(wǎng)作為井下的主干傳輸網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線作為連接傳感器等現(xiàn)場設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)當(dāng)是近期內(nèi)礦井傳輸網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)和建設(shè)方向。可以預(yù)見，工業(yè)以太網(wǎng)也將是未來礦井寬帶通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的必然選擇。
礦用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)是用于建設(shè)煤礦井下工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)品，設(shè)計中采用了高性能以太網(wǎng)交換機(jī)芯片和網(wǎng)絡(luò)處理器芯片，具有工業(yè)級的可靠性和實(shí)時性，能滿足在井下惡劣環(huán)境中長期、穩(wěn)定工作的需要。
2 硬件設(shè)計
礦用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的設(shè)計分硬件設(shè)計和軟件設(shè)計2個部分。硬件設(shè)計符合《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求》和《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備本質(zhì)安全型電路和電氣設(shè)備要求》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，電路從功能上可分為2個部分：以KS8999芯片為主的交換電路部分和以$3C4510B芯片為主的控制電路部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 交換機(jī)硬件系統(tǒng)框圖
其中KS8999芯片是一款高性能以太網(wǎng)交換機(jī)芯片，負(fù)責(zé)各個端口之間的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，芯片背板帶寬高達(dá)2Gbps，包含8個10M／100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口和1個10M／100M的MII接口，另外有8組LED指示燈接口，可以用于指示端口的連接、速率、沖突等狀態(tài)，便于監(jiān)視交換機(jī)各端口的運(yùn)行情況。
$3C4510B芯片為網(wǎng)絡(luò)處理器芯片，其內(nèi)部使用ARM7處理器內(nèi)核，主頻為5OMHz。網(wǎng)絡(luò)處理器芯片也包含1個MII接口，交換機(jī)芯片與控制芯片之間通過該接口連接，完成2個芯片之間的數(shù)據(jù)交換。通過控制芯片可以啟動各種服務(wù)程序，如串口服務(wù)器、WebServer等，以使用戶很方便地通過網(wǎng)絡(luò)或其它方式管理和控制交換機(jī)。芯片上的JTAG接口用于在開發(fā)過程中在線監(jiān)視程序運(yùn)行情況，并在設(shè)計完成后，將程序?qū)懭隖IASH。KS8999 和$3C4510B芯片的核心電壓分別為+2V和+3．3V。
因?yàn)楦咚倬€路板對電源紋波特性有較高要求，一般在芯片的電源輸入端，紋波不能大于電源電壓的5，因此選擇較為常用的+5V電源輸入，使用2個性能可靠的可變輸出電源模塊MIC29302，可輸出紋波很小的+2V和+3．3V穩(wěn)定電壓。
PulseH1164是以太網(wǎng)物理層隔離變壓器芯片，提供4路以太網(wǎng)接口，主要作用是濾波和隔離。EEPROM是一個128B的存儲器芯片，存儲了交換機(jī)的各種配置信息，如VIAN、端口優(yōu)先級、端口速率等。交換機(jī)在上電或復(fù)位時，會通過存儲器接口讀取EEPROM中的信息，完成交換機(jī)的基本功能設(shè)定。另外，EEPROM也通過IIC總線與控制芯片$3C4510B連接，這樣，控制芯片可以通過讀寫EEPROM中的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對交換機(jī)功能的管理和控制。
2MB的FLASH是閃速存儲器芯片，用于存儲軟件程序。考慮到FIASH的讀寫速度相對較慢，交換機(jī)上電或復(fù)位時，F(xiàn)IASH中的程序會自動加載到容量為4MB的SDRAM中執(zhí)行，以提高運(yùn)行速度。
3 軟件設(shè)計
在硬件設(shè)計并調(diào)試完成的基礎(chǔ)上，需要編寫軟件以對交換機(jī)進(jìn)行管理和控制，實(shí)現(xiàn)VIAN劃分、端口優(yōu)先級設(shè)置等功能。系統(tǒng)軟件通過網(wǎng)絡(luò)處理器芯片的 JTAG接口寫入FIASH芯片中。在交換機(jī)上電啟動后，軟件程序自動加載到SDRAM中運(yùn)行。軟件主要分為3個部分：IIC總線控制程序、 webServer程序、串口服務(wù)器程序。
3．1 IIC總線控制程序
IIC總線控制程序是實(shí)現(xiàn)各種控制程序的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)處理器芯片$3C4510B即是通過該程序讀寫EEPROM，從而對交換機(jī)進(jìn)行各種配置，webServer和VT100都需要調(diào)用IIC總線程序，將用戶所填寫的控制信息寫入EEPROM，或者讀取EEP—ROM的內(nèi)容以了解交換機(jī)的工作狀態(tài)。
3．2WebServer程序
啟動webServer服務(wù)后。用戶可以在服務(wù)器上通過IE瀏覽器對交換機(jī)進(jìn)行管理和控制，方便而且直觀地實(shí)現(xiàn)各種控制功能，并可以查看交換機(jī)的工作情況。為防止未知用戶對交換機(jī)隨意改動，程序設(shè)定需要登錄才能訪問交換機(jī)，修改數(shù)據(jù)。
3．3串口服務(wù)器程序
為方便在設(shè)備安裝之前對交換機(jī)進(jìn)行一些基本的設(shè)定，設(shè)計了串行接口電路，用戶可以使用串行總線連接交換機(jī)與工業(yè)控制計算機(jī)，通過交換機(jī)的超級終端程序訪問交換機(jī)，并配置其IP地址等參數(shù)。
4 防爆設(shè)計
由于井下環(huán)境極其惡劣，所以除了在硬件設(shè)計的時候需要考慮電路板的電氣特性以外，還需要設(shè)計交換機(jī)的防爆外殼。
外殼的設(shè)計參照《煤礦安全規(guī)范》、《煤礦設(shè)計規(guī)范》、《爆炸性環(huán)境用防爆電氣通用設(shè)備要求》、《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求》、《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備本質(zhì)安全型電路和電氣設(shè)備要求》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求產(chǎn)品能夠通過振動、沖擊、淋水、濕熱、高低溫工作、電壓波動等1O多項安全檢測，確保能夠安全運(yùn)行在井下有爆炸性氣體的環(huán)境中。
5 應(yīng)用方案
通過井下阻燃光纜或阻燃五類線，礦用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可以直接和各種支持工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的分站、攝像儀、集控系統(tǒng)等設(shè)備連接，或者通過接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備，將不支持以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)接入交換機(jī)。井下應(yīng)用方案如圖2所示 。
6 結(jié)語
礦用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)是新型的煤礦井下通信產(chǎn)品，支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP協(xié)議和IEEE802．3u協(xié)議。
