基于多种通信技术的矿井轨道运输监控系统研究与实现

论文摘要

现场总线支持分布式控制和实时控制,但不适合远距离传输;工业以太网的确定性、实时性和本质安全性已经得到很大程度的提高,在工业控制领域得到日益广泛的应用。矿井轨道运输监控是煤矿安全监控系统中的重要组成部分,现有监控系统存在传输速率低、灵活性差和不能同时传输图像信息等缺点,因此,研制一套基于工业以太网和现场总线架构的矿井轨道运输监控系统具有一定的应用价值。论文针对煤矿井下监控设备的需求,分析了工业控制中常用的通信技术,确定本系统采用工业以太网+CAN总线+ZigBee技术的网络结构;设计了CAN-Ethernet网关、动态信号机和车载信号机的硬件电路:设计了车载信号机无线通信的路由方案,编写了动态信号机、车载信号机软件,并实现了动态信号机与车载信号机的可靠通信;制定了以太网的编址方案,在理论上分析并计算了以太网通信的最大时延:分析了优先级较低的CAN节点的最大发送信息时延,并在CAN发送程序中引入了动态优先级提升方法,从而可以根据时延要求来确定优先级较低的CAN节点的最大时延:论文最后论述了本系统软硬件的抗干扰措施,并在实验室环境下验证了系统的功能和性能。本系统融入了工业以太网、CAN总线及ZigBee无线通信技术,使其发挥各自的优势,得到了预期的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外发展现状及存在的问题
• 1.3 课题来源及研究内容
• 第二章 通信方式分析与系统网络结构
• 2.1 系统需求分析
• 2.1.1 井下设备需求分析
• 2.1.2 通信信息分析
• 2.2 工业控制系统发展概述
• 2.3 现场总线
• 2.3.1 现场总线的特点
• 2.3.2 几种典型现场总线
• 2.3.3 现场总线的缺点
• 2.4 工业以太网
• 2.4.1 以太网的优点
• 2.4.2 工业以太网的缺点
• 2.5 短距离无线通信技术
• 2.5.1 短距离无线通信技术特点
• 2.5.2 主流短距离无线通信技术
• 2.6 系统网络结构
• 2.6.1 通信网络的确立
• 2.6.2 系统结构
• 2.7 本章小结
• 第三章 硬件接口设计
• 3.1 网关硬件设计
• 3.1.1 Ethernet-CAN网关一般结构
• 3.1.2 网关结构方案
• 3.1.3 微控制器
• 3.1.4 电源箱通信接口设计
• 3.1.5 CAN控制器接口设计
• 3.2 动态信号机接口设计
• 3.2.1 动态信号机结构方案
• 3.2.2 主要芯片选择
• 3.2.3 发光体驱动电路
• 3.2.4 ZigBee射频模块接口
• 3.3 车载信号机接口设计
• 3.3.1 车载信号机硬件结构
• 3.3.2 语音模块设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 软件设计
• 4.1 系统编址方案
• 4.2 动态信号机软件设计
• 4.2.1 CAN通信软件设计
• 4.2.2 显示模块软件设计
• 4.2.3 无线通信软件设计
• 4.3 车载信号机软件设计
• 4.4 无线路由方案
• 4.5 CAN与 IEEE802.15.4协议转换
• 4.6 系统调试
• 4.6.1 硬件测试平台
• 4.6.2 系统调试
• 4.7 本章小结
• 第五章 网络实时性与抗干扰分析
• 5.1 网络实时性分析
• 5.1.1 以太网实时性分析
• 5.1.2 CAN总线实时性分析与处理
• 5.2 抗干扰性设计
• 5.2.1 硬件抗干扰设计
• 5.2.2 软件抗干扰设计
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 附录