礦用多總線數據通信分站系統設計

徐曉天，張紅娟，王世隆，高妍，靳寶全

(1.太原理工大學 電氣與動力工程學院, 太原 030024；2.太原理工大學 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室, 太原 030024)

0 引 言

煤炭開采過程中，實時監測并上傳井下環境參數對保障生產安全具有重要意義[1]，但井下設備產生的電磁輻射對正常信息傳輸干擾較大[2]，目前常見的抗擾型總線數據傳輸方式仍有諸多不足。一主多從的RS485總線使數據只能從各自獨立線路上傳[3]，難以聯動配置。全雙工的CAN總線支持多機同步發送[4]，仲裁優先級次第傳輸，但不利于協調遠程共享，僅適用于現場設備間信息交互[5]。適合數據共享的以太網傳輸網絡[6]，非光纖結構時通信距離有限，無法獨立完成傳輸。

針對這一狀況，主流解決方案為多總線并行排布并引入井下網關設計，借助帶載操作系統的控制芯片將多種總線信號全部轉為網絡信號輸送至上位機處理[7]。此時龐大的硬件結構會增加系統出錯幾率。移植操作系統后主控芯片資源調度緊張[8]。軟件線程增多，輪轉時間片減小[9]，削弱了實時響應。異構總線數據信息只能單線傳輸到上位機，彼此不互通共享，阻礙全局信息評估。

設計一款結構簡單，抗擾能力強，資源占用少，使井下多總線協議信息通透傳遞的數據通信分站，消除傳輸中的滯后性和孤立性，將會為井下風險判識和危機管控提供有力支撐。為此，文章設計了兼容RS485、CAN和ModbusTCP協議的井下數據通信分站。

1 系統總體設計思路

系統總體設計思路如圖1所示，井下各傳感器和控制執行機構通過RS485總線連接到監控站點，用于信息采集與上傳。站點通過CAN總線相連實現信息共享，在任一站點均可調閱同總線上其它站點數據并進行操作控制。站點通過基于TCP/IP協議，可在Ethernet接口下傳輸以太網數據的ModbusTCP總線與井上監控系統互聯，便于集控室監控情況，下發操作指令。

圖1 系統總體設計思路

2 分站系統硬件設計

系統硬件結構如圖2所示。系統以總線供電、低功耗和強抗干擾設計識別信息類型，完成數據在各通訊協議下的采集，傳輸和控制。其中核心控制單元選用32位的STM32F407芯片。該芯片為ARM架構，168 MHz時鐘[10]，滿足系統通信、采集和控制需求。支持485、CAN和以太網接口，輔以少量電平轉換電路便可與目標接口設備連接，能提高系統集成，降低整體能耗，減小設備體積。

控制單元內嵌bxCAN控制器，可收發全格式CAN報文，為兼容常見的CAN2.0B協議，以內置高效電源的TD501DCANH3作為CAN收發器，該芯片輸入輸出雙端隔離，自身輻射低，抗擾性高。RS485協議定義接口電氣特性，正電平2 V～6 V是邏輯“1”，負電平2 V～6 V是邏輯“0”，考慮隔離需求收發選用MAX1480B，除收發器外，芯片還包括由光耦和變壓器構成的隔離電路，內含限擺率驅動器可增強抗干擾能力?？刂茊卧∕AC802.3介質控制的以太網模塊，故以DP83848芯片連接其RMII接口作為以太網PHY實現，DP83848功耗低，魯棒好，能夠很好實現礦井上下的通訊，為消除噪聲，用網絡變壓器H1102作為網絡濾波中繼。

井下多種設備運行時產生的電磁干擾將會影響系統工作能力。因此，系統在引入井下24 V供電后，經24S5-500B轉換得到直流5 V，在轉換模塊與外部電源間加入雙T低通電路濾除外界高頻擾動。5 V電源經由DC-DC隔離，剔除靜電和浪涌干擾，通過ASM1117降壓至3.3 V驅動核心控制單元，分流5 V供能其他模塊。最后接地抑制共模干擾[11]。

圖2 系統硬件結構

為方便井下工作，系統配備TFTLCD液晶顯示屏實時放送當前各站點采集傳輸數據，并設計了蜂鳴器和發光LED強化報警功能。

3 分站系統軟件設計

為實現對指令和數據信息的發送，多種協議信號的識別、轉換和接收，要求吞吐龐大數據且響應快速。即軟件要以高可靠低時延特性驅動讀寫進程完成預設功能。軟件設計分為通信檢測和協議收發轉換設計兩部分。

3.1 通信檢測設計

為避免系統無關中斷的干擾，程序采用循環掃描、心跳響應和中斷節拍結合的主動循環模式，通信檢測流程如圖3所示。系統初始化后，掃描循環檢測各端口心跳值。傳輸端不傳送數據時以固定心跳值表示連接正常。若需要傳輸數據，固定心跳變為傳輸心跳，系統檢測到后中斷其他操作激活接收轉換函數響應此心跳，結合內部時鐘節拍消除轉換中的時間誤差。

3.2 協議收發轉換設計

協議收發存儲轉換過程如圖4所示，收發端接收報文后，識別剝離有效數域，添設傳輸標識位寫入獨立緩存區。傳輸標識位由一位數表示，“0”為輸出，“1”為輸入。獨立緩存區內置多級指針，兩個輸入指針分別指向數據的開頭結尾，中央緩存區響應后，將指針中間的數據轉移到中央緩存區，之后指針移向下一組輸入數據。同理，兩個輸出指針指向傳出數據的開頭結尾。中央緩存區采用先進先出的環形緩存區轉移數據，添加互斥訪問機制以保證傳輸準確。中央緩存區輸出數據時，去掉傳輸標識符，依據目標協議格式，將數據域重新封裝驅動至收發口。收發口分析協議正確性，無誤則接收，否則拒絕并報錯。

圖3 通信檢測流程

設計超限發送機制和超時發送機制，當接受的數據量超出緩存區上限閾值時，激活發送函數防止數據溢出。若定時區間內數據未達發送函數動作的下限閾值，定時結束立刻發送數據以提高轉換效率。二者閾值參數可由現場實際靈活設定。

數據傳輸過程中，運行檢測函數確保兩側數據有序，避免沖突發送，同時監測雙方波特率和發送間隔，使發送方速率不高于接收方。

圖4 協議收發存儲轉換過程

4 緊湊型協議格式調整

4.1 RS485與CAN協議設置

RS485提供開放接口，既可采用設備供應商提供的協議，也可自行約定協議傳輸。初始化設定波特率、數據位、停止位和校驗位4個參數。波特率定義傳輸速率，依據設備性能設置。數據位通常是8位，傳輸0～127位標準ASCII碼只需7位。隨著纜線抗擾能力的提升，停止位常設1位，校驗位多設為無。

CAN報文發送時對應設置報文類型和幀標識符[12]：報文類型鎖定為標準幀，標識碼為11位。接收時額外設置濾波和屏蔽寄存器，二者配合判定信息接收與否，具體關系如表1所示。

4.2 ModbusTCP協議設置

為傳輸ModbusTCP數據，系統嵌入LwIP為TCP/IP協議棧、freeModbus為Modbus協議棧[13]。ModbusTCP格式由MBAP報文頭，功能碼和數據碼組成[14]。MBAP為ModbusTCP獨有報文頭，共7字節：兩字節傳輸標志，設置00-00表示詢問回應傳輸。兩字節協議標志，設置00-00表示為Modbus協議。后續字節計數占兩字節表征后續字節個數。一字節單位標志默認00。功能碼用于協議控制器中，判定主從應答情況[15]。

表1 濾波和屏蔽寄存器關系

為最大限度解放系統資源，針對自建局域網在井下數據交換時沒有頻繁的擁堵或網絡攻擊的現狀，調整協議格式，在網絡層保留了地址解析協議ARP，互聯網協議IP和互聯網控制消息協議ICMP，刪除OSPF、RIP、BGP和IGMP等路由管理和網絡組管理服務，且ICMP只響應ping命令和端口不可達消息。在傳輸層禁用SCTP流控制協議，去除媒體網關控制功能。在TCP中只打開502端口偵聽并交換數據，拒絕FTP、HTTP和SMTP等服務窗口。限制冗余功能后協議格式更加緊湊，降低了資源需求。

5 系統傳輸性能驗證

5.1 485和CAN傳輸性能驗證

在485和CAN的傳輸鏈路中加載霍爾直檢放大式電流傳感器，配置測量電阻為2 kΩ標準電阻，將弱電流信號轉換為電壓信號，用PicoScope采集電壓變化分析信號傳輸過程。485鏈路在11 ms內連續傳輸數據24次，試驗結果如圖5所示，單次數據傳輸在9.70 ms時耗時最長，為0.41 ms，無阻塞發生。

圖5 485傳輸驗證

為區分CAN信號與485信號，在PicoScope中偏置CAN信號基準電壓為+1 V，以相同方式檢測CAN信號傳輸時的電壓變化。實驗結果表明CAN數據從898.5 μs開始傳遞，到1 109.8 μs時出現正向脈沖信號表示數據域傳輸完畢，1 111.3 μs時完成數據校驗自檢發射反向脈沖。一次完整數據傳輸用時約0.2 ms。

將系統程序設置為調試模式，將PicoScope的兩路采集線分別接入485和CAN的傳輸線路檢測數據轉換。圖6表示CAN數據與485數據轉換耗時，803.8 μs開始轉換，1 018.9 μs時轉換完成，耗時約0.21 ms，轉換傳輸過程無擁堵沖突，運行穩定。

5.2 ModbusTCP傳輸性能驗證

為檢測ModbusTCP連接穩定性，設置上位機IP為192.168.1.110，系統端IP為192.168.1.33，檢測雙方通訊。ARP與ping數據包捕獲如表2所示，ARP請求Mac地址，然后連續4次ping請求正常，精簡后的協議網絡通訊良好。

圖6 CAN和485數據接收轉換驗證

表2 ARP與ping數據包捕獲

采用Jperf測試1min內數據信息通過ModbusTCP協議的傳輸速率，三次測試得到ModbusTCP傳輸速率如圖7所示，在1.114 Mbps～1.180 Mbps之間波動，平均傳輸速率為1.147 Mbps。

圖7 ModbusTCP傳輸速率

采用DelyCheck對系統通訊延時連續測試3 000次，驗證全系統通信傳輸實時性，系統時延測試如圖8所示。由結果可知，絕大多數數據傳輸時延在13 ms以內，最大時延為31 ms，系統實時性滿足工作需求。

圖8 系統時延測試

6 結束語

礦用多總線數據通信分站設計是對現有趙莊煤礦排水系統設計的進一步深化和改進，原系統已投入使用數年。改進后的系統實現了數據信息在RS485、CAN、ModbusTCP協議下透傳。

(1)在硬件方面，面向井下特殊環境選用合適的防爆隔離硬件設計系統，并做了針對性抗電磁干擾措施減小干擾，保障系統可在井下正常工作;

(2)在軟件方面，設計了循環掃描、心跳響應和中斷節拍結合的軟件工作模式以及多級存儲、獨立讀寫的數據緩存模式，提高了傳輸效率;

(3)在實用性方面，采用精簡后的緊湊型協議格式，數據傳輸穩定，協議轉換高效，時延主要集中在13 ms以內，為井下數據可靠傳輸提供了新思路。