一种基于C8051F040的矿用通信分站

1.一种基于C8051F040的矿用通信分站，其特征是包括微控制器单元、以太网接口单元、CAN总线接口单元、RS-485总线接口单元、键盘与液晶显示单元和RS-485信号调制解调单元；微控制器单元包括单片机(MCU1)、32k外部RAM(U1)、JTAG接口(J1)；单片机(MCU1)为C8051F040单片机，Silicon Laboratories公司生产的完全集成的混合信号系统级芯片；32k外部RAM(U1)采用ISSI公司的高速低功耗芯片IS62LV256AL；单片机(MCU1)的地址总线A0-A14与外部RAM(U1)的地址总线A0-A14连接，单片机(MCU1)的地址总线A15与外部RAM(U1)的片选线/CE连接，单片机(MCU1)的I/O口P7.0-P7.7与外部RAM(U1)的D0-D7连接；JTAG接口(J1)与单片机(MCU1)上的四个专用引脚TCK、TMS、TDI和TDO连接；
以太网接口单元包括以太网控制器(U11)CP2200和集成RJ45网络接口(JP1)；以太网控制器(U11)CP2200是Silicon Laboratories公司生产的单芯片以太网控制器；集成RJ45网络接口(JP1)为标准以太网通信接口；以太网控制器(U11)CP2200的地址总线A0-A7与C8051F040单片机(MCU1)的地址总线A0-A7连接，C8051F040单片机(MCU1)的地址总线A15经过反相器U28与以太网控制器(U11)CP2200的片选端/CS连接，以太网控制器(U11)CP2200的数据总线D0-D7与C8051F040单片机(MCU1)的数据总线D0-D7连接；以太网控制器(U11)CP2200通过串行总线TX+、TX-、RX+和RX-与集成RJ45网络接口(JP1)连接；
CAN总线接口单元包括两组光电耦合器(U12/U13)TLP521、CAN控制器和CAN总线驱动器(U14)PCA82C250；CAN控制器为单片机(MCU1)内部集成的BOSCH CAN控制器，CAN总线驱动器(U14)为PCA82C250；单片机(MCU1)内部CAN控制器的串行通信总线CANTX和CANRX连接至光电耦合器(U12/U13)TLP521的一侧，光电耦合器(U12/U13)TLP521的另一侧与CAN总线驱动器(U14)PCA82C250的TXD和RXD连接；RS-485总线接口单元包括三组光电耦合器(U15/U16U17)TLP521和RS-485总线驱动器(U18)MAX487；单片机(MCU1)的串行通信总线TX0和RX0经过光电耦合器(U15/U17)TLP521隔离后与RS-485总线驱动器(U18)MAX487的DI和RO连接，单片机(MCU1)的I/O口P4.0经过光电耦合器(U16)TLP521隔离后与RS-485总线驱动器(U18)MAX487的EN连接；
键盘与液晶显示单元包括三组光电耦合器(U7/U8/U9)TLP521、键盘和液晶显示器；键盘共设SET、UP和DOWN三个独立按键，SET键(S2)连接至光电耦合器(U7)TLP521的一侧，光电耦合器(U7)TLP521的另一侧连接至单片机(MCU1)的P2.4和/INT0，UP键(S3)连接至光电耦合器(U8)TLP521的一侧，光电耦合器(U8)TLP521的另一侧连接至单片机(MCU1)的P2.5，DOWN键(S4)连接至光电耦合器(U9)TLP521的一侧，光电耦合器(U9)TLP521的另一侧连接至单片机(MCU1)的P2.6；液晶显示器为128×64点阵式液晶显示模块U6，U6的数据总线DB0-DB8与C8051F040单片机(MCU1)的I/O口P3.0-P3.7连接，液晶显示模块(U6)的控制线RS、R/W、E和RST分别与C8051F040单片机(MCU1)的I/O口P2.0、P2.1、P2.2和P2.3连接；
RS-485信号调制解调单元包括RS-485总线驱动器(U31/U32)MAX487、反相器(U29)74HC04、高速光电耦合器(U24/U25/U30)6N137、光电耦合器(U10)TLP521、单稳态触发器(U23/U26)74HC123、方波发生器(U33)NE555、电压跟随器(U27)LF353和电压比较器(U22)LM311；调制通道中，RS-485总线驱动器(U32)MAX487的RX经过反相器(U29)74HC04反相后连接到高速光电耦合器(U30)6N137的一侧，高速光电耦合器(U30)6N137的另一侧连接到方波发生器(U33)NE555的RST和单稳态触发器(U26)74HC123的1B；方波发生器(U33)NE555的输出端OUT与RS-485总线驱动器(U31)MAX487的TX端连接；解调通道中，电压跟随器(U27)LF353的输出端1OUT连接到电压比较器(U22)LM311的V+，电压比较器(U22)LM311的输出端VO连接至高速光电耦合器(U24)6N137的IN，高速光电耦合器(U24)6N137的输出端OUT连接至单稳态触发器(U23)74HC123的1B端，单稳态触发器(U23)74HC123的输出1Q与光电耦合器(U10)TLP521连接，光电耦合器(U10)TLP521的另一侧连接至反相器(U29)74HC04，反相器(U29)74HC04的输出连接到RS-485总线驱动器(U32)MAX487的TX；RS-485信号调制解调单元与RS-485总线接口单元连接。

一种基于C8051F040的矿用通信分站\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及一种煤矿井下电气设备故障诊断和预警系统数据集中转发的通信分站，特别是适用于煤矿井下故障检测设备分布距离远且大量实时数据需要上传的通信分站。\n背景技术\n[0002] 煤矿中使用的各种设备在出现故障之前，可以通过对其特征量的分析来推测出设备当前的状态，并可根据该状态和经验预测出可能出现的故障。因此，在设备运行中对其各种特征量进行检测、记录，并根据检测量进行数据融合、数据分析，对设备的故障做出预警，将有助于及时消除安全隐患，减少突发事故的发生，从而减少伤亡，提高生产率。\n[0003] 矿井安全预警系统中检测到每台设备的运行状态，经过特征量提取之后，需要将特征量传送到地面的监控中心数据库，为设备的故障预警提供依据。然而，煤矿井下的设备较多、布置分散、传输距离远且需要上传的数据量大，而现有的通信装置中，没有一种通信装置可以满足矿井安全预警系统对数据集中转发的需要。例如名称为一种基于AT91M40800的多串口总线系统(中国专利申请号200710062519.2)的发明专利，通过扩展RS-485总线接口、CAN总线接口和以太网接口，使第三方设备能够在接口类型和协议种类不同的情况下，通过协议转换接入现有网络。但是该系统仅仅实现了通信接口协议转换，是一种协议转换装置，不能用作数据集中转发的通信分站，也就无法解决煤矿井下设备较多、布置分散、传输距离远且需要上传的数据量大等难题。山东大学的张鹏于2008年5月发表的硕士学位论文“智能井下分站的研究与实现”，介绍了一种矿用智能分站装置，该装置扩展了RS-485接口和以太网接口，能完成对接口为RS-485的检测设备的数据采集任务，但是RS-485接口通信距离短，不能解决煤矿井下通信距离远的难题。武汉理工大学的余翔于2007年4月发表的硕士学位论文“煤矿矿井嵌入式数据采集分站的研究与实现”，介绍了一种煤矿矿井数据采集分站装置，该装置扩展了CAN接口和以太网接口，能完成对接口为CAN的检测设备的数据采集任务，但是由于该装置不兼容RS-485总线接口，接口类型为R-485的检测设备无法与该装置进行通信。\n[0004] 综上所述，现有的矿用通信分站装置，不能解决矿井安全预警系统中故障检测设备分布距离远且大量实时数据需要上传的难题。因此，研制一种兼容多种现场总线形式、组网灵活、通信距离远的通信分站装置对矿井安全预警系统通信网络的构建具有重要的意义。\n发明内容\n[0005] 本实用新型目的是为克服上述已有技术的不足，提供一种可实现煤矿井下监测监控、故障诊断和预警系统实时数据集中上传的一种基于C8051F040的矿用通信分站。\n[0006] 本实用新型包括微控制器单元、以太网接口单元、CAN总线接口单元、RS-485总线接口单元、键盘与液晶显示单元和RS-485信号调制解调单元。\n[0007] 微控制器单元包括单片机(MCU1)、32k外部RAM(U1)、JTAG接口(J1)。单片机(MCU1)为C8051F040单片机，Silicon Laboratories公司生产的完全集成的混合信号系统级芯片，32k外部RAM(U1)采用ISSI公司的高速低功耗芯片IS62LV256AL。单片机(MCU1)的地址总线A0-A14与外部RAM(U1)的地址总线A0-A14连接，单片机(MCU1)的地址总线A15与外部RAM(U1)的片选线/CE连接，单片机(MCU1)的I/O口P7.0-P7.7与外部RAM(U1)的D0-D7连接。JTAG接口(J1)是用于程序下载和调试的接口，JTAG接口(J1)与单片机(MCU1)上的四个专用引脚TCK、TMS、TDI和TDO连接，通过JTAG接口(J1)可以实现对单片机(MCU1)内部FLASH程序存储器在线编程。微控制器单元是整个通信分站的中央处理器，控制通信分站工作流程，对数据进行收发操作。\n[0008] 以太网接口单元包括以太网控制器(U11)CP2200和集成RJ45网络接口(JP1)；以太网控制器(U11)CP2200是Silicon Laboratories公司生产的单芯片以太网控制器；集成RJ45网络接口(JP1)为标准以太网通信接口；以太网控制器(U11)CP2200的地址总线A0-A7与C8051F040单片机(MCU1)的地址总线A0-A7连接，C8051F040单片机(MCU1)的地址总线A15经过反相器U28与以太网控制器(U11)CP2200的片选端/CS连接，以太网控制器(U11)CP2200的数据总线D0-D7与C8051F040单片机(MCU1)的数据总线D0-D7连接。以太网控制器(U11)CP2200通过串行总线TX+、TX-、RX+和RX-与集成RJ45网络接口(JP1)连接。以太网接口单元是通信分站接入以太环网与地面监控中心的通信接口。\n[0009] CAN总线接口单元包括两组光电耦合器(U12/U13)TLP521、CAN控制器和CAN总线驱动器(U14)PCA82C250。CAN控制器为C8051F040单片机(MCU1)内部集成的BOSCH CAN控制器，CAN总线驱动器(U14)为PCA82C250。C8051F040单片机(MCU1)内部CAN控制器的串行通信总线CANTX和CANRX连接至光电耦合器(U12/U13)TLP521的一侧，光电耦合器(U12/U13)TLP521的另一侧与CAN总线驱动器(U14)PCA82C250的TXD和RXD连接。CAN总线接口单元是通信分站与井下具有CAN总线接口设备的通信接口。RS-485总线接口单元包括三组光电耦合器(U15/U16U17)TLP521和RS-485总线驱动器(U18)MAX487。单片机(MCU1)的串行通信总线TX0和RX0经过光电耦合器(U15/U17)TLP521隔离后与RS-485总线驱动器(U18)MAX487的DI和RO连接，单片机(MCU1)的I/O口P4.0经过光电耦合器(U16)TLP521隔离后与RS-485总线驱动器(U18)MAX487的EN连接。RS-485总线接口单元是通信分站与井下具有RS-485总线接口的设备通信的接口。\n[0010] 键盘与液晶显示单元包括三组光电耦合器(U7/U8/U9)TLP521、键盘和液晶显示器。键盘共设三个独立按键，功能分别为SET、UP和DOWN，其中，SET键(S2)连接至光电耦合器(U7)TLP521的一侧，光电耦合器(U7)TLP521的另一侧连接至单片机(MCU1)的P2.4和/INT0，UP键(S3)连接至光电耦合器(U8)TLP521的一侧，光电耦合器(U8)TLP521的另一侧连接至单片机(MCU1)的P2.5，DOWN键(S4)连接至光电耦合器(U9)TLP521的一侧，光电耦合器(U9)TLP521的另一侧连接至单片机(MCU1)的P2.6。液晶显示器为128×64点阵式液晶显示模块U6，U6的数据总线DB0-DB8与C8051F040单片机(MCU1)的I/O口P3.0-P3.7连接，液晶显示模块(U6)的控制线RS、R/W、E和RST分别与C8051F040单片机(MCU1)的I/O口P2.0、P2.1、P2.2和P2.3连接。\n[0011] RS-485信号调制解调单元包括RS-485总线驱动器(U31/U32)MAX487、反相器(U29)74HC04、高速光电耦合器(U24/U25/U30)6N137、光电耦合器(U10)TLP521、单稳态触发器(U23/U26)74HC123、方波发生器(U33)NE555、电压跟随器(U27)LF353和电压比较器(U22)LM311。\n[0012] 调制通道中，RS-485总线驱动器(U32)MAX487的RX经过反相器(U29)74HC04反相后连接到高速光电耦合器(U30)6N137的一侧，高速光电耦合器(U30)6N137的另一侧连接到方波发生器(U33)NE555的RST和单稳态触发器(U26)74HC123的1B。方波发生器(U33)NE555的输出端OUT与RS-485总线驱动器(U31)MAX487的TX端连接。RS-485总线驱动电路(U32)MAX487从RS-485总线上取回的信号被方波发生器(U33)NE555转换成频率为50kHz的方波信号，当总线上为高电平时，调制电路输出为0V，当总线上为低电平时，调制电路输出为50kHz方波。\n[0013] 解调通道中，电压跟随器(U27)LF353的输出端1OUT连接到电压比较器(U22)LM311的V+，电压比较器(U22)LM311的输出端VO连接至高速光电耦合器(U24)6N137的IN，高速光电耦合器(U24)6N137的输出端OUT连接至单稳态触发器(U23)74HC123的1B端，单稳态触发器(U23)74HC123的输出1Q与光电耦合器(U10)TLP521连接，光电耦合器(U10)TLP521的另一侧连接至反相器(U29)74HC04，反相器(U29)74HC04的输出连接到RS-485总线驱动器(U32)MAX487的TX。电压比较器(U22)LM311通过检测信号的过零点，将衰减后的信号还原为与调制时相同的50kHz的方波信号，信号经过高速光电耦合器(U24)的转换，再通过单稳态触发器(U23)74HC123的整形，将信号中的方波信号转换为高电平，从而将信号还原为原始通信信号。\n[0014] 利用串行通信信号以低电平为起始的特点，单稳态触发器(U26)74HC123在每个字节起始的低电平时，触发一个略大于一个字节时长的高电平信号，该信号用于控制RS-485总线驱动器(U31/U32)MAX487发送和接收状态的切换。单稳态触发器(U26)74HC123的两个单稳态触发器是互锁的连接方式，当一个单稳态触发器工作在单稳态状态时，另一个单稳态触发器被锁定，实现了对调制解调电路调制和解调两种工作状态的自动切换。\n[0015] RS-485信号调制解调单元与RS-485总线接口单元连接。RS-485信号调制解调单元对通过对RS-485总线信号调制和解调能够有效延长通信距离。\n[0016] 本实用新型针对煤矿井下设备故障诊断和预警系统实时数据通信的特殊要求，系统扩展了丰富的现场总线硬件接口以及其他硬件电路。其优越性在于通过扩展的RS-485总线、CAN总线和以太网等接口，可以使具有上述接口的设备方便地与通信分站通信。扩展的32k外部RAM用于暂存实时数据，适应了井下设备上传数据量大的要求。扩展的以太网接口可使通信分站在井下很方便地接入以太环网。开发的RS-485信号调制解调配套装置，增加了通信距离，取代了传统通过使用中继器延长通信距离的方式，解决了井下检测设备之间距离远给通信带来的难题。本实用新型针对井下检测设备种类繁多、数据格式不一致以及接口特性不统一等问题，采用了参数设置灵活、数据格式自动匹配和数据存储空间自动分配的方式，方便了网络的组建以及网络结构的修改。键盘与液晶显示器相配合可以使用户在井下对系统参数灵活地进行修改。通过扩展的以太网接口，用户可在上位机对通信分站参数进行远程设置。修改的参数值均保存在FLASH存储器中，不会因系统断电而丢失。\n附图说明\n[0017] 图1是本实用新型微控制器单元电路原理图。\n[0018] 图2是本实用新型以太网接口单元原理图。\n[0019] 图3是本实用新型CAN总线接口单元原理图。\n[0020] 图4是本实用新型RS-485总线接口单元原理图。\n[0021] 图5是本实用新型键盘与液晶显示单元连接原理图。\n[0022] 图6是本实用新型RS-485信号调制解调单元原理图。\n具体实施方式\n[0023] 本实用新型包括图1所示的微控制器单元、图2所示的以太网接口单元、CAN总线接口单元和RS-485总线接口单元、图5所示的键盘与液晶显示单元和图6所示的RS-485信号调制解调单元。\n[0024] 微控制器单元包括C8051F040单片机、32k外部RAM(U1)IS62LV256AL和JTAG接口(J1)。C8051F040单片机(MCU1)为Silicon Laboratories公司生产的完全集成的混合信号系统级芯片，32k外部RAM采用ISSI公司的高速低功耗芯片IS62LV256AL。C8051F040单片机(MCU1)的地址总线A0-A14与外部RAM(U1)IS62LV256AL的地址总线A0-A14连接，C8051F040单片机(MCU1)的地址总线A15与外部RAM(U1)IS62LV256AL的片选线/CE连接，C8051F040单片机(MCU1)的I/O口P7.0-P7.7与外部RAM(U1)IS62LV256AL的D0-D7连接。\nJTAG接口(J1)是用于程序下载和调试的接口，JTAG接口(J1)与单片机(MCU1)上的四个专用引脚TCK、TMS、TDI和TDO连接，通过JTAG接口(J1)可以实现对单片机(MCU1)内部FLASH程序存储器在线编程。微控制器单元通过对所扩展通信接口的控制来完成对数据的接收和打包上传等任务。\n[0025] 以太网接口单元包括以太网控制器(U11)CP2200和集成RJ45网络接口(JP1)。以太网控制器(U11)CP2200是Silicon Laboratories公司生产的单芯片以太网控制器；集成RJ45网络接口(JP1)为标准以太网通信接口。以太网控制器(U11)CP2200的地址总线A0-A7与C8051F040单片机(MCU1)的地址总线A0-A7连接，C8051F040单片机(MCU1)的地址总线A15经过反相器U28与以太网控制器(U11)CP2200的片选端/CS连接，以太网控制器(U11)CP2200的数据总线D0-D7与C8051F040单片机(MCU1)的数据总线D0-D7连接。以太网控制器(U11)CP2200通过串行总线TX+、TX-、RX+和RX-与集成RJ45网络接口(JP1)连接。以太网接口单元是通信分站接入以太环网与地面监控中心的通信接口，上位机通过该接口修改通信分站的CAN总线和RS-485总线的通信波特率、通信等待时间、连接设备的地址和数据量等参数，还通过该接口接收通信分站上传的数据。\n[0026] 图3所示的是CAN总线接口单元原理图。CAN总线接口单元包括两组光电耦合器(U12/U13)TLP521、CAN控制器和CAN总线驱动器(U14)PCA82C250。CAN控制器为C8051F040单片机(MCU1)内部集成的BOSCH CAN控制器，CAN总线驱动器为PCA82C250。C8051F040单片机(MCU1)内部CAN控制器的串行通信总线CANTX和CANRX连接至光电耦合器(U12/U13)TLP521的一侧，光电耦合器(U12/U13)TLP521的另一侧与CAN总线驱动器(U14)PCA82C250的TXD和RXD连接。CAN控制器运行于Peli CAN模式，针对煤矿安全预警系统通信数据量大的特点，自定义了应用层协议。通信分站利用CAN控制器自带的32个消息对象，实现每发送一次指令后，允许设备连续返回30帧数据。消息对象1定义为发送缓存器，用来向总线上的设备发送数据请求指令；消息对象2-31定义为接收缓存器，用来接收总线上设备返回不超过30帧的数据。\n[0027] RS-485总线接口单元包括三组光电耦合器(U15/U16/U17)TLP521和RS-485总线驱动器(U18)MAX487。单片机(MCU1)的串行通信总线TX0和RX0经过光电耦合器(U15/U17)TLP521隔离后与RS-485总线驱动器(U18)MAX487的DI和RO连接，C8051F040单片机(MCU1)的I/O口P4.0经过光电耦合器(U16)TLP521隔离后与RS-485总线驱动器(U18)MAX487的EN连接。通信分站通过RS-485总线接口与总线上的设备采用MODBUS通信协议通信，接收设备上传的数据。\n[0028] 图5所示的是键盘和液晶显示单元连接原理图。键盘与液晶显示单元包括三组光电耦合器(U7/U8/U9)TLP521、键盘和液晶显示器。键盘共设三个独立按键，功能分别为SET、UP和DOWN，其中，SET键(S2)连接至光电耦合器(U7)TLP521的一侧，光电耦合器(U7)TLP521的另一侧连接至单片机(MCU1)的P2.4和/INT0，UP键(S3)连接至光电耦合器(U8)TLP521的一侧，光电耦合器(U8)TLP521的另一侧连接至单片机(MCU1)的P2.5，DOWN键(S4)连接至光电耦合器(U9)TLP521的一侧，光电耦合器(U9)TLP521的另一侧连接至单片机(MCU1)的P2.6。液晶显示器为128×64点阵式液晶显示模块U6，U6的数据总线DB0-DB8与C8051F040单片机(MCU1)的I/O口P3.0-P3.7连接，液晶显示模块(U6)的控制线RS、R/W、E和RST分别与C8051F040单片机(MCU1)的I/O口P2.0、P2.1、P2.2和P2.3连接。键盘与液晶显示单元用于对通信分站地址、波特率、通信等待时间和挂接设备的数据量等参数进行设定。\n[0029] 图6所示的是RS-485信号调制解调单元原理图。RS-485信号调制解调单元包括RS-485总线驱动器(U31/U32)MAX487、反相器(U29)74HC04、高速光电耦合器(U24/U25/U30)6N137、光电耦合器(U10)TLP521、单稳态触发器(U23/U26)74HC123、方波发生器(U33)NE555、电压跟随器(U27)LF353和电压比较器(U22)LM311。\n[0030] 调制通道中，RS-485总线驱动器(U32)MAX487的RX经过反相器(U29)74HC04反相后连接到高速光电耦合器(U30)6N137的一侧，高速光电耦合器(U30)6N137的另一侧连接到方波发生器(U33)NE555的RST和单稳态触发器(U26)74HC123的1B。方波发生器(U33)NE555的输出端OUT与RS-485总线驱动器(U31)MAX487的TX端连接。RS-485总线驱动电路(U32)MAX487从RS-485总线上取回的信号被方波发生器(U33)NE555转换成频率为50kHz的方波信号，当总线上为高电平时，调制电路输出为0V，当总线上为低电平时，调制电路输出为50kHz方波。\n[0031] 解调通道中，电压跟随器(U27)LF353的输出端1OUT连接到电压比较器(U22)LM311的V+，电压比较器(U22)LM311的输出端VO连接至高速光电耦合器(U24)6N137的IN，高速光电耦合器(U24)6N137的输出端OUT连接至单稳态触发器(U23)74HC123的1B端，单稳态触发器(U23)74HC123的输出1Q与光电耦合器(U10)TLP521连接，光电耦合器(U10)TLP521的另一侧连接至反相器(U29)74HC04，反相器(U29)74HC04的输出连接到RS-485总线驱动器(U32)MAX487的TX。电压比较器(U22)LM311通过检测信号的过零点，将衰减后的信号还原为与调制时相同的50kHz的方波信号，信号经过高速光电耦合器(U24)的转换，再通过单稳态触发器(U23)74HC123的整形，将信号中的方波信号转换为高电平，从而将信号还原为原始通信信号。\n[0032] 利用串行通信信号以低电平为起始的特点，单稳态触发器(U26)74HC123在每个字节起始的低电平时，触发一个略大于一个字节时长的高电平信号，该信号用于控制RS-485总线驱动器(U31/U32)MAX487发送和接收状态的切换。单稳态触发器(U26)74HC123的两个单稳态触发器是互锁的连接方式，当一个单稳态触发器工作在单稳态状态时，另一个单稳态触发器被锁定，实现了对调制解调电路调制和解调两种工作状态的自动切换。\n[0033] RS-485信号调制解调单元与RS-485总线接口单元连接。RS-485信号调制解调单元对通过对RS-485总线信号调制和解调能够有效延长通信距离。