CN2894112Y - 矿用隔爆兼本安型综合接入网关 - Google Patents

Abstract

本实用新型矿用隔爆兼本安型综合接入网关，主要由嵌入式处理器、嵌入式实时操作系统和软件技术组成，实现各种监测系统互联和各种类型分站的接入功能，完成到煤矿井下工业以太网的协议转换，同时也可以直接和各种常用的井下安全监控传感器相连。通过矿井工业以太网或者光纤传输，把各种现场总线信息数据汇接到矿井骨干通信网络。综合接入网关为本质安全型，可以用于煤矿井下监测信息转发、传输以及地面的监控调度。

Description

矿用隔爆兼本安型综合接入网关

技术领域

本实用新型涉及矿用监测监控系统，具体地说是一种矿用隔爆兼本安型综合接入网关，更进一步说是一种把各种现场总线信息数据通过协议转换为以太网信号的设备，方便矿井工业以太网或者光纤传输，尤其适合于在煤矿井下含瓦斯及煤尘较多的危险易燃易爆的环境中使用。

背景技术

目前，我国井下安全生产监测监控系统种类繁多，使用的监测监控系统多是90年代以前开发的，主要基于8/16位单片机和串行数据链路，通信速率低。各种监测系统和控制系统都是独立成系统，相互之间不兼容，系统的互联非常困难。因为信息交流不通畅，不利于统一的调度指挥，给安全生产带来了隐患。由于各种系统采用不同的现场总线和各种系统的数据通信制式各不相同，致使各种系统相互之间不兼容，系统的互联非常困难。同时由于数据通信速率低下，信息不流畅，成为构建集监测、控制、通信功能于一体的矿井网络化信息化监测监控系统的瓶颈。

发明内容

本实用新型的目的就是提供一种矿用隔爆兼本安型综合接入网关，解决目前煤矿安全生产监控系统兼容性差和技术落后这一制约煤矿综合自动化的瓶颈问题。它不但可以用在一般场所，而且可以用在煤矿井下等特殊要求的场所。

本实用新型是以如下技术方案实现的：电路主要由微控制器芯片U1、存储芯片U2、U3、U5、网络模块、系统转换接口、现场总线协议转换模块和人机接口、报警几个主要部分组成，使用嵌入式实时操作系统，兼容TCP/IP协议IPV4，具有远程web浏览管理和在线系统升级的功能。微控制器U1经地址、数据总线以及片选和相应的读写信号线与U2、U3、U5存储器芯片相连，实现CAN总线数据、16路开关量、8路模拟量、RS485信号以及以太网信号的相互转化。具体主要由U7控制器经地址数据复合线与控制器U1相连；16路开关量S1经数据总线与控制器U1相连；8路模拟量经U6转换芯片转换为数字信号，由数据总线与控制器U1相连；以太网经收发器U9与控制器U1相连。由控制器U1统一对各控制芯片的片选及读写控制，完成数据在地址数据总线上的有效传输，实现该网关的功能。系统将所有的外围模块通过总线的方式与主控制器相连，实现总线协议与以太网信号的转换，电源均采用本质安全型，整个电路装置在一个金属或非金属制备的符合煤矿井下安全规范的密封壳体中。

本实用新型可以将各种传感器(模拟量)、控制器(开关量)、RS485/CAN总线信号以及其他系统的数据汇集，通过核心控制板进行协议转换。比如：当CAN网络上的设备数据(如定时采样数据和报警信息)要传输到信息管理层时，可将数据送到网关上，通过网关协议转换程序将CAN协议数据封装成TCP/IP协议的以太网数据帧发送到以太网上的监控计算机。其他总线协议的数据和一些传感器的数据量也通过相同的方式转换成以太网数据帧发送到以太网上的监控计算机。每个以太网信息管理终端都是一个根据用户的具体要求设计的用户应用软件，实时监控网络上的数据，为设备提供较复杂的数据处理工作。

本实用新型的有益效果是：

矿用隔爆兼本安型综合接入网关是一种新型的网络通信设备，产品为隔爆兼本安型，主要用于煤矿井下安全生产监测监控系统，适用性强，可以取代现有的井下分站或者井下中心站，解决各种厂家不同类型系统的互联互通问题，为煤矿监测监控系统的网络化和信息化构建一个先进的平台，并且该产品可扩展应用到有色金属矿山等其它行业，市场前景广阔。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型电原理框图；

图2是本实用新型电路原理图；

图3是密闭型外壳图。

具体实施方式

参照图1，本实用新型主要由嵌入式微控制器U1、存储芯片U2、U3、U5、网络模块U9、现场总线协议转换模块U7、U8和AD模块U6等几个主要部分组成，使用嵌入式实时操作系统，。实现总线协议与以太网信号的转换，综合接入网关可以将各种传感器(模拟量)、控制器(开关量)、RS485/CAN总线信号以及其他系统的数据汇集，然后通过核心控制板进行协议转换。

如图2所示，其中，U1：嵌入式微控制器，是电路的核心部分，主要实现将外围模块接收到的数据通过内部的软件协议转换部分转换为适合网络传输的以太网信号或者将以太网信号转换为其他的协议信号。

U2、U3、U5：U2为SDRAM内存芯片，采用HY57V641620型，用于执行用户的程序。U3和U5为FLASHROM存储芯片，采用SSE39VF160型，用于存放BOOTLOADER、OS内核、文件系统以及用户应用程序。

U7、U8：CAN控制器和收发器，主要完成CAN总线数据收集并通过控制器将数据发送到数据总线上，由ARM控制器来完成数据的处理工作。反之亦然。

U6、S1：U6为A/D转换芯片，完成模拟信号向数字信号的转化，S1为各种控开关量的接口。

U4：RS485控制器，采用MAX1483型芯片，主要完成RS485信号的收发。

U9：以太网收发控制器，主要完成将采集的信号转换成以太网信号后进行收发用。

X1：U1控制器的晶振，负责产生25MHz的脉冲信号。

电路主要采用嵌入式微控制器U1、内存芯片U2、U3、U5、CAN微控制器U7和收发器U8、RS485转换器U4、A/D转换芯片U6、以太网经收发器U9等连接组成。综合接入网关控制器U1经地址、数据总线以及片选和相应的读写信号线与U2、U3、U5存储器芯片相连，实现CAN总线数据、16路开关量、8路模拟量、RS485信号以及以太网信号的相互转化。具体主要由U7控制器经地址数据复合线与控制器U1相连；16路开关量S1经数据总线与控制器U1相连；8路模拟量经U6转换芯片转换为数字信号，由数据总线与控制器U1相连；以太网经收发器U9与控制器U1相连。由控制器U1统一对各控制芯片的片选及读写控制，完成数据在地址数据总线上的有效传输。在三个外围模块中，RS485模块中RS485信号是通过U4将差分信号转化为TTL电平信号，以便主控制器处理，U4的RO接到U1控制器的UARXDO，DI接到U1的UATXDO，另外/RE接低电平，DE接高电平，以便完成RS485信号的收发。A/D模块中是将各种传感器的模拟量采集过来通过U6转换成数字信号后，在控制信号的控制下将这些信号读到控制器进行处理，CAN模块主要就是将CAN总线的数据通过收发器U8接收后，然后通过U7控制器将接收到的数据送到数据总线上，其中U7控制器有单独的晶振，这样主控制器就可以对这些传来的数据进行处理，进而通过协议转换程序转换为以太网信号，通过U9发到以太网上。

在网关设计上主要就是软件的设计，其中的通信协议层次很重要，主要采用4层结构(物理层、互联层、控制层、应用层)。在物理层主要就是各种矿用数据传输的媒介和各种系统接口；在互联层，各种传感器(模拟量)、控制器(开关量)以及其他系统的数据汇接；在控制层，将I/O网络的功能和对等信息传输网络结合起来。这种开放型网络提供任务关键控制数据(例如I/O数据刷新)和控制器之间互锁的功能。同时，也支持非实时关键数据的传输；在应用层，我们提供上层计算机系统，以便通过以太网访问井下各个传感器的数据，支持标准的TCP/IP。由于通信数据可以划分为实时和非实时两类。监测监控的安全关键环节(瓦斯，CO等)满足硬实时要求，通过SDIP(Synchronous Data IP)传送。安全级别一般的数据通过ADIP(Asynchronous Data IP)传递。在网络层完成工业以太网IP包同现场总线的协议转换，建立通信隧道，实现各种数据的透明传输。

如图3所示：在本实施例中密闭壳体中共有8个口，其中上边4个口从左到右分别用作电源、模拟信号、开关量信号的接口端，下边4个口从左到右分别用作以太网信号、RS485/232总线信号、CAN总线信号的接口端。

Claims (2)

1、一种矿用隔爆兼本安型综合接入网关，其特征在于：包括工业级ARM微控制器、存储模块、网络模块、系统接口、现场总线协议转换模块和人机接口、报警几个主要部分，使用嵌入式实时操作系统，兼容TCP/IP协议IPV4，控制器U1经地址、数据总线以及片选和相应的读写信号线与存储器U2、U3、U5连接，实现CAN总线数据、16路开关量、8路模拟量、RS485信号以及以太网信号的相互转化，控制器U7经地址数据复合线与控制器U1相连，16路开关量S1经数据总线与控制器U1相连，8路模拟量经U6芯片转换为数字信号后通过数据总线与控制器U1相连，以太网经收发器U9与控制器U1相连，由控制器U1统一对各控制芯片的片选及读写控制，完成数据在地址数据总线上的有效传输，实现该网关的功能，系统将所有的外围模块通过总线的方式与主控制器U1相连，实现总线协议与以太网信号的转换，其供电电源采用本质安全型，整个电路安装在一个符合矿井井下安全规范的密闭的壳体中。

2、根据权利要求1所述的矿用隔爆兼本安型综合接入网关，其特征在于：所使用的嵌入式微控制器核心芯片采用ARM微控制器，存储器U2芯片采用HY57V641620型，存储器U3、U5核心芯片采用SST39VF160型，TCP/IP接口采用接口芯片RTL8019AS，现场总线(CAN)核心芯片采用SJA1000型控制器和P82C250型收发器，U4RS485转换芯片采用MAX1483型。

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