CN101631393A - 本安型无线交换机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种本安型无线交换机，其特征是它包括核心处理模块、程序存储模块、数据存储模块、PCI总线插槽、无线传输模块、以太网数据交换模块、以太网模块和电源模块。本发明的有益效果是提高煤矿井下通讯技术，实现煤矿井下网络的全面覆盖，弥补有线网络的不足，实现煤矿综采工作面机电装备和煤矿井下其它运动装备的远程监测和控制，为实现采煤机高效自动化开采、远程操控与故障诊断提供可靠数据。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种无线交换机，尤其涉及一种用于煤矿井下机电装备的工况信息传输的本安型无线交换机。
二、背景技术
煤矿综合自动化是煤矿高产、高效和安全生产的保证，而煤矿井下网络平台是实现煤矿综合自动化的基础。目前，我国的许多煤矿都建立了工业以太网，用于井下采煤装备以及井下环境参数的监控；但主要是采用有线网络方式(光纤+防爆交换机)，我国井下采用的防爆交换机的核心构成主要是赫斯曼和西门子两种类型的交换机，然后外加防爆外壳，达到煤矿安全要求。井下有线以太网存在的不足主要体现在以下几点：(1)布置于主要巷道，不能覆盖整个井下；(2)价格昂贵；(3)无法实现运动机电装备的监控，比如采煤机、机车等。目前，我国的煤矿综合自动化项目，均没能涵盖综采工作面，不能实现综采装备的远程监控。
三、发明内容
针对上述缺点，本发明的目的在于提供一种本安型无线交换机，其可提高煤矿井下通讯技术、实现煤矿井下网络的全面覆盖、实现煤矿综采工作面机电装备和煤矿井下其它运动装备的远程监测和控制，为实现采煤机高效自动化开采、远程操控与故障诊断提供可靠数据。
本发明的技术内容为，一种本安型无线交换机，其特征是它包括
(1)、负责对其它模块的控制和通讯的核心处理模块；
(2)、用于存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统以及在系统掉电后需要保存的用户数据的程序存储模块；
(3)、实现代码执行以及数据存储的数据存储模块；
(4)、用于无线网卡的安装的PCI总线插槽；
(5)、负责CPU处理以后数据的无线传输，并可以和其它网络设备组网使用的无线传输模块；
(6)、用于以太网的数据交换操作，具有接收和发送数据的功能的以太网数据交换模块；
(7)、以太网模块，包括终端设备接口和连接以太网收发芯片与终端设备接口、在其二者之间起着信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离作用的通讯网络变压器；
(8)、由本安型DC12V电源供电的电源模块。
本安型无线交换机基于爆炸性气体环境用电气设备通用要求B3836.1-2000以及本质安全型要求GB3836.4-2000设计，主要用于煤矿井下运动机电装备的工况信息传输(特别是综采工作面的机电装备)，本无线交换机也可以和有线网络集成，实现煤矿井下工业以太网的全部覆盖。本发明基于联网运行的可靠性、安全性能高，采用模块化设计，采用国际品牌工业级芯片，电控元件均采用成熟、可靠产品，适合煤矿井下的恶劣工作环境，采用低功耗设计，并采取外置电源供电。
我们与现有煤矿建立的工业以太网的不同点为：
(1)已有成果只是实现了常规环境下的网络构建和数据传输，本设备基于爆炸性气体环境用电气设备通用要求GB3836.1-2000以及本质安全型要求GB3836.4-2000设计，适用于煤矿井下设备的信息传输。
(2)本发明采用低功耗设计，并采取外置本安电源供电，整个设备的功耗低于10W，正常工作电流不大于800mA。
(3)本发明既可以作为无线网络中的交换机应用，也可以作为AP应用。
本发明与现有技术相比具有的优点是：
1、本发明能够实现煤矿井下固定装备和运动装备工作状态信息的无线传输；
2、本发明具有实现无线转接有线、有线转接无线以及路由功能。
3、本发明具有多跳(Multi-Hop)功能，数据可以在多个节点间有效地传递，当一个节点受阻时，数据可以选择从其他的路径传递下去，而且随着节点的增减或已有节点位置的改变，具有自适应性。
4、本发明安装在移动装备上，也能够实现网络传输，特别适合于像采煤机、机车等移动设备上使用。
5、本发明不但适合采煤机使用，也可用于其它煤矿机械设备的状态监测、负载情况分析与故障诊断、预警，具有很强的适用性。
6、本发明不但适用于煤矿井下，而且适用于其它非安全环境使用。
四、附图说明
图1为本发明的结构示意图。
五、具体实施方式
如图1所示，一种本安型无线交换机，其特征是它包括
(1)、负责对其它模块的控制和通讯的核心处理模块U1；其为Intel公司生产的IXP425ABD 32位网络处理器，IXP425ABD 32采用嵌入式体系结构，具有533兆赫的英特尔Xscale RISC核心，三个网络处理器引擎，两个配备有MII/RMII介面的10/100Base-T以太网MAC以及两个UART；工作温度为-40℃～85℃；IXP425ABD是32位微处理器，端口电压3.3V，功耗1W，具有高性能和低功耗的特性，容易满足煤矿安全标准；
(2)、2个用于存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统以及在系统掉电后需要保存的用户数据的程序存储模块U2、U3；程序存储模块U2、U3是高速的同步动态随机存取存储器(4M Words×4banks×16bits)，时钟频率143MHz，该芯片能够满足PC机的工业标准，采用低功耗设计，工作电压3.3V，工作电流低于1mA，工作温度-40℃～80℃；
(3)、实现代码执行以及数据存储的数据存储模块U4；数据存储模块U4是Intel公司生产的一种E28F1281J3C-50Strata Flash闪存，它是当今市场中应用最为广泛的多级单元(multi-level cell，MLC)产品，能够让单个存储单元在相同空间保存2倍的数据量；英特尔Strata Flash辅以Intel公司的快闪数据集合器(FDI)软件，使用户可以定义代码和调整数据容量，而无需重新设计硬件、改变系统；
(4)、用于无线网卡的安装的Mini PCI总线插槽U5；其是在PCI的基础上发展起来的Mini PCI无线网卡的标准接口；
(5)、负责CPU处理以后数据的无线传输，并可以和其它网络设备组网使用的无线传输模块U6；无线传输模块U6为Intel公司生产的Mini PCI-type3无线网卡，完全符合IEEE802.11g标准，兼容IEEE802.11b标准，提供最高达54Mbps的数据传输率；
(6)、用于以太网的数据交换操作，具有接收和发送数据的功能的以太网数据交换模块U7；以太网数据交换模块U7为台湾Infineon-ADMtek公司的ADM6996L以太网交换控制器，符合IEEE 802.3X以太网标准；它具有高性能、低成本和高集成的特点，具有5个自动检测的10/100Mbs全/半双工端口，一个10/100介质访问控制(MAC)，所有的端口支持10/100Mbs的全/半双工数据传输；该交换模块内嵌SRAM用于数据包缓冲，为了得到优化的存贮应用，地址表被分为256个块；内嵌的智能算法可以使其能够辨识2048个MAC地址；
(7)、以太网模块U8，包括终端设备接口U8-1和连接以太网收发芯片与终端设备接口、在其二者之间起着信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离作用的通讯网络变压器U8-2；终端设备接口U8-1为RJ45接口；通讯网络变压器U8-2为ETHERNET 10/100BASE QUAD PORT TRANSFORMER通讯网络变压器；
(8)、由本安型DC12V电源供电的电源模块U9；本发明的主板工作电压为5V，主要芯片工作电压为5V、3.3V和1.3V电源，需进行电压变换；电源模块U9采用InternationalRectifier公司生产的电源调节器IRF7416和CSS1031把DC12V转换为5V和3.3V，然后再通过电源调节器LP3965ES，把3.3V转换为1.3V。
本发明的工作原理为：当数据通过终端设备接口U8-1的RJ45接口传输到该无线交换机时，经过通讯网络变压器U8-2和以太网数据交换模块U7传输到核心处理模块U1，核心处理模块U1调用程序存储模块U2和U3中的程序对数据进行分析并打包处理，将打包后的数据包送入数据存储模块U4；同时核心处理模块U1调用程序存储模块U2和U3中的程序进行分析计算，赋予数据包将要达到的目的地的标签，这一步骤确定了数据包将要到达的地址；然后由核心处理模块U1调用程序存储模块U2和U3中的程序进行路由计算，决定该数据包经由哪个路径发送到其目的地节点，并对数据包加密；U1核心处理模块通过和Mini PCI总线插槽U5将数据传输到无线传输模块U6，无线传输模块通过无线的方式发送该数据包。
同理，当在数据经由无线传输模块U6接收时，无线传输模块U6通过Mini PCI总线插槽U5和核心处理模块U1通讯，核心处理模块U1调用程序存储模块U2和U3中的程序对数据进行分析并打包处理，将打包后的数据包送入数据存储模块U4；同时核心处理模块U1调用程序存储模块U2和U3中的程序进行分析计算，赋予数据包将要达到的目的地的标签，这一步骤确定了数据包将要到达的地址；然后由核心处理模块U1调用程序存储模块U2和U3中的程序进行路由计算，决定该数据包经由哪个路径发送到其目的地节点，并对数据包加密；核心处理模块U1通过以太网数据交换模块U7和通讯网络变压器U8，将数据通过RJ45端口进行传输，实现和其他具有RJ45接口的工业设备的通信。
本发明的主要技术特点有：煤矿井下无线传输带宽大于25Mbps、煤矿井下无线传输距离大于等于100m、温度范围在-20～40度、工作环境湿度≥85％、功耗低于10W、正常工作电流不大于800mA、主板工作电压5V、峰值电流小于1A，其具有路由功能、有线转接无线和无线转接有线的功能。
本发明设计原则上满足煤矿安全规程的本安型设计，本系统的工作电压都在5V及5V以下，整体电流不超过0.8A，核心芯片的端口工作电压只有3.3V，核心电压只有1.8V，功耗低。
Claims (2)
1、一种本安型无线交换机，其特征是它包括
(1)、负责对其它模块的控制和通讯的核心处理模块(U1)；
(2)、用于存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统以及在系统掉电后需要保存的用户数据的程序存储模块(U2、U3)；
(3)、实现代码执行以及数据存储的数据存储模块(U4)；
(4)、用于无线网卡的安装的PCI总线插槽(U5)；
(5)、负责CPU处理以后数据的无线传输，并可以和其它网络设备组网使用的无线传输模块(U6)；
(6)、用于以太网的数据交换操作，具有接收和发送数据的功能的以太网数据交换模块(U7)；
(7)、以太网模块(U8)，包括终端设备接口(U8-1)和连接以太网收发芯片与终端设备接口、在其二者之间起着信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离作用的通讯网络变压器(U8-2)；
(8)、由本安型DC12V电源供电的电源模块(U9)。
2、根据权利要求2所述的本安型无线交换机，其特征是核心处理模块(U1)为IXP425ABD32位网络处理器，其采用嵌入式体系结构，具有533兆赫的英特尔Xscale RISC核心，三个网络处理器引擎，两个配备有MII/RMII介面的10/100Base-T以太网MAC以及两个UART；工作温度为-40℃～85℃；IXP425ABD是32位微处理器，端口电压3.3V，功耗1W；
程序存储模块(U2、U3)是高速的同步动态随机存取存储器，时钟频率143MHz，工作电压3.3V，工作电流低于1mA，工作温度-40℃～80℃；
数据存储模块(U4)是E28F1281J3C-50 Strata Flash闪存；
PCI总线插槽(U5)是Mini PCI无线网卡的标准接口；
无线传输模块(U6)为Mini PCI-type3无线网卡；
以太网数据交换模块(U7)为ADM6996L以太网交换控制器；
终端设备接口(U8-1)为RJ45接口；通讯网络变压器(U8-2)为ETHERNET 10/100BASE QUADPORT TRANSFORMER通讯网络变压器；
电源模块(U9)采用电源调节器IRF7416和CSS1031把DC12V转换为5V和3.3V，然后再通过电源调节器LP3965ES，把3.3V转换为1.3V。
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| CN108243240A (zh) * | 2016-12-27 | 2018-07-03 | 南京梅山冶金发展有限公司 | 金属矿山井下防爆破冲击网络系统 |
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2009
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