CN102231706A - 矿用多协议以太环网交换机 - Google Patents

Abstract

一种矿用多协议以太环网交换机，属于矿用综合网络通信设备。核心处理模块同时与第一程序存储模块、第二程序存储模块、数据存储模块和以太网数据变换模块连接，以太网数据变换模块同时与串口通信模块、光口通信模块和以太网模块连接，以太网模块包括网络滤波器和端口，端口通过网络滤波器与以太网数据变换模块连接，电源模块与所有模块连接，为各模块提供能源；电源模块包括第一电源调节器、第二电源调节器和第三电源调节器，第二电源调节器和第三电源调节器串联连接，串联连接的第二电源调节器和第三电源调节器与第一电源调节器并联连接。优点：实现了多种设备的接入，为煤矿高效自动化开采、煤矿设备的远程监管与故障诊断提供可靠的数据来源。

Description

矿用多协议以太环网交换机

技术领域

本发明涉及一种矿用综合网络通信设备，具体的说是一种矿用多协议以太环网交换机。

技术背景

矿山综合自动化平台被大力推行并广泛应用，它是煤矿安全高效生产的重要保障，而通信网络平台是矿山综合自动化的基础。当前，煤矿大多具有自己的工业以太网，实现煤矿设备、人员以及集控中心的通信，而以太网交换机是通信系统的一个重要组成部分，一旦发生故障，不仅给煤矿安全带来影响，还会给煤矿生产带来不可估量的损失。市面上的交换机大多是针对一般应用环境的，缺少必要的防护措施，而且没有形成环网来确保通信的可靠性，另外就是通信协议单一，无法实现多种现有设备的接入。

发明内容

本发明的目的是要提供一种矿用多协议以太环网交换机，解决现有交换机没有形成环网来确保通信的可靠性，通信协议单一，无法实现多种现有设备接入的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：以太环网交换机包括：核心处理模块、第一程序存储模块、第二程序存储模块、数据存储模块、串口通信模块、光口通信模块、以太网数据变换模块、以太网模块、网络滤波器、端口、电源模块、第一电源调节器、第二电源调节器和第三电源调节器。

核心处理模块同时与第一程序存储模块、第二程序存储模块、数据存储模块和以太网数据变换模块连接，以太网数据变换模块同时与串口通信模块、光口通信模块和以太网模块连接，以太网模块包括网络滤波器和端口，端口通过网络滤波器与以太网数据变换模块连接，电源模块与所有模块连接，为各模块提供能源；电源模块包括第一电源调节器、第二电源调节器和第三电源调节器，第二电源调节器和第三电源调节器串联连接，串联连接的第二电源调节器和第三电源调节器与第一电源调节器并联连接。

有益效果，由于采用了上述方案，将多协议转换器中的所有总线接口及协议集成在一个嵌入式系统中，处于最低层的是物理层，由RS232控制器、RS485控制器、光纤控制器和以太网控制器组成；在物理层的上面是协议栈中的中断模块，负责响应上诉控制器的接收发送中断，其中很重要的工作就是进行帧的处理，保证数据传输的正常进行；驱动部分是协议栈的最主要的部分，包括各总线控制器的连接与管理；用户部分包括以太网与各总线之间的通讯协议，数据传输的控制，以及应用程序。

多协议工业以太环网交换机，防护等级达到IP67，集以太网、光纤、串行数据接口于一体的综合光通信设备，实现了串口协议与以太网协议的直接转换，具有2对冗余的100Base-FX全双工的单模或多模光纤接口，利用2对冗余的光纤接口可以组成光纤冗余环网，在系统出故障时，环网冗余倒换时间小于50ms，可以有效提高网络的运行可靠性。解决了现有交换机没有形成环网来确保通信的可靠性，通信协议单一，无法实现多种现有设备接入的问题，达到了本发明的目的。

优点：1、两对冗余的光纤接口组成光纤冗余环网，在系统出故障时，环网冗余倒换时间小于50ms，提高了煤矿以太网通信可靠性。

2、弥补了以往交换机通信接口单一的不足，实现了现有多种设备的接入，为煤矿高效自动化开采、煤矿设备的远程监管与故障诊断提供可靠的数据来源。

附图说明

图1为本发明的矿用多协议以太环网交换机系统结构图。

图2 为本发明的交换机电源电路图。

图中，U1、核心处理模块；U2、第一程序存储模块；U3、第二程序存储模块；U4、数据存储模块；U5、串口通信模块；U6、光口通信模块；U7、以太网数据变换模块；U8、以太网模块，U8-1、网络滤波器；U8-2、端口；U9、电源模块；U9-1、第一电源调节器；U9-2、第二电源调节器；U9-3、第三电源调节器。

具体实施方式

实施例1：以太环网交换机包括：核心处理模块U1、第一程序存储模块U2、第二程序存储模块U3、数据存储模块U4、串口通信模块U5、光口通信模块U6、以太网数据变换模块U7、以太网模块U8、网络滤波器U8-1、端口U8-2、电源模块U9、第一电源调节器U9-1、第二电源调节器U9-2、第三电源调节器U9-3。

核心处理模块U1同时与第一程序存储模块U2、第二程序存储模块U3、数据存储模块U4和以太网数据变换模块U7连接，以太网数据变换模块U7同时与串口通信模块U5、光口通信模块U6和以太网模块U8连接，以太网模块U8包括网络滤波器U8-1和端口U8-2，端口U8-2通过网络滤波器U8-1与以太网数据变换模块U7连接，电源模块U9与所有模块连接，为各模块提供能源；电源模块U9包括第一电源调节器U9-1、第二电源调节器U9-2和第三电源调节器U9-3，第二电源调节器U9-2和第三电源调节器U9-3串联连接，串联连接的第二电源调节器U9-2和第三电源调节器U9-3与第一电源调节器U9-1并联连接。

在图1中，核心处理模块U1为该交换机的核心，负责对其它模块的控制和通讯；核心处理模块U1选用S3C240采用RISC结构的32位微处理器，基于ARM920T内核，采用五级流水线和哈佛结构，最高频率可达400MHz，1.2V内核，1.8V／3.3V储存器，3.3V扩展I／O，该处理器的低功耗设计完全可以满足煤矿设备安全设计要求。

第一程序存储模块U2和第二程序存储模块U3是个高速同步动态随机存取存储器，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；第一程序存储模块U2和第二程序存储模块U3相同，是一个高速的同步动态随机存储器（4Mwords×4bands×16bits），时钟频率143MHz，该芯片能够满足工业标准，采用低功耗设计，工作电压为3.3V，工作电流低于1mA。

数据存储模块U4在本装置中的功能是实现代码执行以及数据存储；数据存储模块U4采用FM24CL16铁电存储器，采用处理器自带的I2C总线相连接，主要保存协议转换器的一些参数，掉电不丢失。

串口数据交换模块U5用于串口的数据交换操作，具有接收和发送数据的功能；串口通信模块U5选用MAX232和MAX485进行协议电平转换．并对MAX485采用6N137进行电平隔离，以提高系统的稳定性。

光口网数据交换模块U6用于光口的数据交换操作，具有接收和发送数据的功能；光口通信模块U6的光接收端选用深圳飞通光电子技术有限公司生产的PHOTON STZ SONET OC-1同步网用光纤接收前端组件。该组件将AGC电路和检波电路做在一起，简化了接收电路，具有动态范围宽、灵敏度高等优点。

以太网数据交换模块U7用于以太网的数据交换操作，具有接收和发送数据的功能，以太网数据交换模块U7采用了太网控制器DM9000AEP，该芯片是一个全集成、功能强、性价比高的快速以太网MAC控制器，它带有一个通用处理器接口、EEPROM接口、10/100PHY和16KB的SRAM(13KB作为接收FIFO，3KB作为发送FIFO)。

以太网模块U8，其中网络滤波器U8-1，是种连接以太网收发芯片与终端设备接口之间的磁性组件，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，端口U8-2有4个RJ45接口。

电源模块U9的功能是提供稳定的电压(3.3v、1.8v、1.2v)。提供稳定的电压，主板工作电压为3.3V，主要芯片工作电压为3.3V、1.8V和1.2V，采用外置DC24V电源供电，电源调节器，第一电源调节器U9-1和第二电源调节器U9-2，把24V转换为3.3V和1.8V，第三电源调节器U9-3，把1.8V转换为1.2V。使各模块处于工作状态。

多协议转换：

本发明中，将多协议转换器中的所有总线接口及协议集成在一个嵌入式系统中，处于最低层的是物理层，由RS232控制器、RS485控制器、光纤控制器和以太网控制器组成；在物理层的上面是协议栈中的中断模块，负责响应上诉控制器的接收发送中断，其中很重要的工作就是进行帧的处理，保证数据传输的正常进行；驱动部分是协议栈的最主要的部分，包括各总线控制器的连接与管理；用户部分包括以太网与各总线之间的通讯协议，数据传输的控制，以及应用程序。

当数据通过端口U8-2的RJ45接口传输到该交换机时，经过网络滤波器U8-1和以太网数据变换模块U7传输到核心处理模块U1，核心处理模块U1调用第一程序存储模块U2、第二程序存储模块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。同时核心模块U1调用程序进行分析计算，赋于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调用第一程序存储模块U2和第二程序市存储模块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节点，并对数据包加密。

光纤环路：

本发明具有2对冗余的100base-fx全双工的单模或多模光纤接口，光纤接口需要成对使用（tx和rx为一对），tx口为光发端，连接另一个远程交换机光接口的光收端rx；rx口为光收端，连接另一个远程交换机光接口的光发端tx。利用2对冗余的100base-fx的光纤接口可以组成光纤冗余环网，在系统出故障时，环网冗余倒换时间小于50ms，可以有效提高网络的运行可靠性。

具有4个10/100base-tx以太网RJ45端口，每个RJ45端口都具有自适应功能，支持MDI/MDI-X连接，可以使用直连网线/交叉网线将交换机连接到终端设备、服务器、集线器或其他交换机。每个端口都支持IEEE802.3x自适应，因此最适宜的传输模式（半双工或全双工）和数据速率（10Mbps或100Mbps）都能被自动选择（所连接的设备也必须支持这个特性）。

双路隔离供电模块：

在图2中，电源线路板设计成两路隔离单独输出，保险丝管FUSE接在输入电源的火线上，第一电阻R1和第二电阻R2为压敏电阻，选用的型号是14D621K，其中第一电阻R1的一端接在火线上，另一端通过气体放电管接地。第二电阻R2的一端和气体放电管与第一电阻R1连接，另一端接在输入电源零线上，第一电容C1和第三电容C3一端连接到电源输出正极Vo+，另一端连接到电源输出负极Vo-，第二电容C2一端连接到电源输出负极Vo-，另一端接地。

交换机供电电源要求电源具有高稳定度，小于2％的电压变化率，纹波系数小等要求。对于煤矿企业，则要求具有很好的电网适应性，一般在75％～115％的输入电压范围内能稳定工作，供电可靠，供电质量高及不间断供电等；同时，尽可能做到结构简单，体积小，安装使用方便。

本发明电源板采用两块单路25W功率输出的CFA25S24W电源模块组成，该电源模块具有宽电压输入，输入电压范围为85vAC~265vAC，输入频率为45Hz~65Hz。该电源模块的隔离电压：输入与输出为2500vAC/1min，输入与外壳为1500Vac，输出与外壳500Vdc；开关频率为66KHz~200KHz；效率81%；工作时外壳温度最低－25℃，最大＋85℃，储存温度最小－40℃，最大＋95℃，并用内置输入滤波器，长期短路保护（自恢复），小型化的封装便于在线路板上直接安装。

使用两块CFA25S24W电源模块进行单独的双路输出，以满足工业以太网交换机的24V冗余电源输入，交换机满载时功率为7.2W，电源模块选用25W功率输出，以满足交换机长时间、高可靠性的工作。在电源模块的输入端安装保险丝管提供安全保护，电源模块在输入电流大于3.15A的电流时会烧坏，电源模块的环境温度和工作温度都比较高，为了使得保险丝管持续可靠的工作，并且提供对电源的保护，选用3A的保险丝管。AC/DC模块电源大部分失效来自于雷击（感应雷带来浪涌），所以防雷处理对于AC/DC模块来说非常重要，本发明对浪涌电压抑制器件采用气体放电管与氧化锌压敏电阻结合的方式，在压敏电阻之间串入气体放电管。为了减少电源输出纹波和噪声，在电源模块的输出端正负极外加滤波电容，在Vo-管脚通过高压瓷片电容C2接到CASE管脚，来降低输出共模干扰。

Claims (1)

1.一种矿用多协议以太环网交换机，其特征是：以太环网交换机包括：核心处理模块、第一程序存储模块、第二程序存储模块、数据存储模块、串口通信模块、光口通信模块、以太网数据变换模块、以太网模块、网络滤波器、端口、电源模块、第一电源调节器、第二电源调节器和第三电源调节器；

核心处理模块同时与第一程序存储模块、第二程序存储模块、数据存储模块和以太网数据变换模块连接，以太网数据变换模块同时与串口通信模块、光口通信模块和以太网模块连接，以太网模块包括网络滤波器和端口，端口通过网络滤波器与以太网数据变换模块连接，电源模块与所有模块连接，为各模块提供能源；电源模块包括第一电源调节器、第二电源调节器和第三电源调节器，第二电源调节器和第三电源调节器串联连接，串联连接的第二电源调节器和第三电源调节器与第一电源调节器并联连接。

Images