论文摘要
随着煤矿监测监控系统的普及应用，矿井安全生产管理效率和水平大大提高，但是由于煤矿监测监控系统技术标准不统一、通讯接口和协议种类繁多，造成了国内外各厂商系统和设备间通讯无法兼容的现象。对具体项目做针对性改进是大多数厂商所采用的方法。虽然这种方法可以解决用户的燃眉之急，但是，也给系统带来了可维护性差、升级困难等问题。因此，研制一种能增强网络兼容性的设备是我国煤矿监测监控系统发展的当务之急。针对上述问题，本文提出了通过多串口系统增强系统兼容性的解决办法，并在调研分析国内外煤矿监测监控系统网络结构、接口规范、通讯协议的基础上，规划设计了多串口系统的硬件和软件方案。通过对多串口系统的硬件和软件测试，结果表明：系统的各项性能指标均达到了设计要求，解决了监测监控系统可维护性差、升级困难等问题，增强了监控系统的兼容性。本文的主要研究内容如下：多串口系统扩展了以太网、CAN网和RS-485等物理接口。本文通过比较DSP控制器与ARM控制器的性能，最终选用ATMEL公司的以ARM为内核的AT91M40800微控制器作为多串口系统的主处理器，并详细介绍了其内部资源和使用方法；通过比较RTL8019AS、CS8900和DM9000控制器，确定使用具有较高稳定性和易操作性的RTL8019AS作为以太网控制器，并设计了以太网接口电路；由于AT91M40800没有集成SPI、I2C等高速串口，因此本文选择了有较多成熟资源的SJAl000作为CAN总线控制器，并设计了CANBUS接口电路；在此基础上扩展并设计了RS-485接口，增加了红外遥控功能，增强了煤矿井下环境的人机交互性能。多串口系统的软件设计主要包括各接口驱动程序的设计、任务的调度与管理以及各种应用软件的设计等。为了增强多串口系统的可靠性和抗干扰性能，本文通过比较μClinux与μC／OS-Ⅱ的性能，确定并移植了占用空间少、执行效率高、实时性能优良的μC／OS-Ⅱ操作系统。根据IEEE802.3规范，在修改uIP协议栈的基础上，嵌入了精简结构的TCP／IP协议。依据103规范设计并实现了103主站协议，完成了103协议与Modbus协议的相互转换。设计并编写了以太网驱动程序、CAN网驱动程序、RS-485驱动程序以及显示和遥控驱动程序。本文对多串口总线系统进行了系统调试，内容包括微控制器内核以及外围接口器件的硬件电路调试，μC／OS-Ⅱ操作系统和各种协议软件调试。结果表明：多串口系统硬件性能稳定，软件运行可靠，达到了设计要求。