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煤矿井下多功能以太网节点的设计与实现

作　者: 马晨光
导　师: 程建远
学　校: 西安科技大学
专　业: 地球探测与信息技术
关键词: 矿井监测 CAN协议 RS-485协议 TCP/IP协议协议转换
分类号: TD67
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

我国煤矿安全生产形势依然十分严峻，迫切需要开发煤矿重大危险源的在线监测技术，以降低煤矿事故的发生。煤矿井下监测设备常常采用RS-485或CAN总线方式传输数据，但这种传输方式不能满足长距离传输的要求。大多数矿井通过以太网将监测数据传输到地面监测站，由于以太网和井下监测设备数据传输协议不同，需要添加专用的协议转换节点以实现协议转换。目前，国内使用的转换节点存在功能单一的问题，也就是RS-485或CAN只能转以太网，因此需要研制多功能转换节点，实现多功能转换。本文以CAN、RS-485和TCP/IP协议为基础，选用不同的硬件，完成了CAN总线和RS-485总线都能与以太网转换的多功能电路设计；选用高性能8位Atmega128单片机与通用的以太网驱动芯片RTL8019AS，并移植了嵌入式实时操作系统μC/OS-II和LwIP协议栈，实现了以太网传输数据的功能；通过分析RS-485总线协议、传输数据的格式以及RS-485发送、接收过程中使用的函数，编写出RS-485与以太网之间互相传输数据的程序，完成了RS-485与以太网之间的协议转换；在分析CAN总线协议的基础上，通过中断处理把CAN报文处理成以太网数据格式，分别从CAN报文对象、发送报文、接收报文和错误处理这四个方面进行设计，实现了CAN与以太网之间的协议转换；实验证明：该转换节点能够实现井下监测设备和以太网的数据传输。本文利用多功能转换节点将以太网和井下监测设备使用的网络统一起来，使原来基于普通总线的监测系统无需进行技术改造和升级即可连接到以太网上，保证了产品的延续性；将不同的监测设备统一挂接到煤矿现在已经开始普及的以太网上，形成完善的、统一的煤矿监测监控网络，具有较大的推广应用前景。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-8
1 绪论  8-17
  1.1 选题背景及研究意义  8-10
    1.1.1 选题背景  8-9
    1.1.2 研究意义  9-10
  1.2 国内外研究现状与发展趋势  10-14
    1.2.1 研究现状  10-12
    1.2.2 发展趋势  12-14
  1.3 本文研究内容和研究方案  14-15
    1.3.1 研究内容  14
    1.3.2 研究方案  14-15
  1.4 技术路线  15-17
2 接口硬件电路设计  17-32
  2.1 硬件选型原则及整体硬件布局  17-19
    2.1.1 硬件选型原则  17
    2.1.2 系统平台结构设计  17-19
  2.2 芯片介绍  19-28
    2.2.1 RS-485 接口芯片  19
    2.2.2 SJA1000 CAN 控制器  19-22
    2.2.3 PCA82C250 CAN 收发器  22
    2.2.4 6N137 光电耦合器  22-23
    2.2.5 Atmega128 单片机  23-26
    2.2.6 RTL8019AS 以太网控制器  26-28
  2.3 接口电路设计  28-31
    2.3.1 Atmega128 与 RS-485 接口电路  28-29
    2.3.2 Atmega128 与 CAN 接口电路  29
    2.3.3 Atmega128 与 RTL8019AS 接口电路  29-31
  2.5 本章小结  31-32
3 通讯协议分析  32-53
  3.1 RS-485 总线  32-33
    3.1.1 RS-485 总线介绍  32
    3.1.2 串行异步通信数据格式  32-33
  3.2 RS-485 数据处理  33-36
    3.2.1 串口初始化  33-34
    3.2.2 串口数据发送  34-35
    3.2.3 串口数据的接收  35-36
  3.3 CAN 总线  36-37
    3.3.1 CAN 总线介绍  36-37
    3.3.2 CAN 总线报文格式  37
  3.4 CAN 数据传输  37-45
    3.4.1 CAN 控制器初始化  38-41
    3.4.2 数据发送  41-43
    3.4.3 数据接收  43-45
    3.4.4 异常错误处理  45
  3.5 TCP/IP 协议栈  45-49
  3.6 TCP/IP 数据处理  49-52
    3.6.1 SOCKET 接口函数  49-51
    3.6.2 通信处理  51-52
  3.7 本章小结  52-53
4 多功能节点的实现  53-67
  4.1 嵌入式实时操作系统μC/OS-II  53-57
    4.1.1 嵌入式实时系统介绍  53
    4.1.2 μC/OS-II 介绍  53-54
    4.1.3 μC/OS-II 的移植  54-56
    4.1.4 LwIP 在μC/OS-II 上的移植  56
    4.1.5 μC/OS-II 初始化和启动  56-57
    4.1.6 μC/OS-II 多任务管理实现  57
  4.2 RTL8019AS 驱动程序的编写  57
  4.3 RS-485 与 TCP/IP 的转换  57-60
    4.3.1 RS-485 转 TCP/IP  58
    4.3.2 TCP/IP 转 RS-485  58-60
  4.4 CAN 与 TCP/IP 的转换  60-65
    4.4.1 CAN 转 TCP/IP  61-63
    4.4.2 TCP/IP 转 CAN  63-65
  4.5 本章小结  65-67
5 节点的功能与性能测试  67-77
  5.1 硬件测试  67-72
    5.1.1 测试环境  67
    5.1.2 测试步骤  67-72
  5.2 现场试验  72-76
    5.2.1 KJ117 矿井水压实时监测系统  72-73
    5.2.2 本次设计试验  73-76
  5.3 本章小结  76-77
6 结论  77-78
  6.1 结论  77
  6.2 建议  77-78
致谢  78-79
参考文献  79-82
附录  82

煤矿井下多功能以太网节点的设计与实现

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