议包需要较大的存储空间。大多数情况用PC机来充当网关。但在矿井井下等特殊环境下使用PC机不方便,故选用在MCU/MPU嵌入式系统中实现网关功能。我们可以采用一种透明式网关方式,即在以太网应用层构建和解析完整的总线协议数据包,总线协议数据包作为TCP/IP网络应用层的数据进行传输,它对通信数据的具体实际意义不做任何解释。
2 透明式网关设计
透明式网关硬件结构核心由3部分组成,微控制器、总线控制器和以太网控制器,其中微控制器为核心,主要负责通信调度和协议数据处理,实现总线控制网络与以太网之间的协议转换。网关的软件设计也可以分为3部分:总线设备接口通信程序、透明网关协议转换程序和以太网层应用程序设计。其中核心程序是透明网关协议转换程序,该程序的大体设计思路为:当以太网应用层有数据要发送到总线节点时,首先,数据发送到网关由以太网控制器协议转换模块从传输层数据报文中解析出完整的总线协议数据包,存放在数据缓冲区A再通知控制和调度模块,由它调用总线控制器协议模块将总线协议数据包发送到总线上。反过来,当总线设备有数据要发送到用户层时,首先,数据发送到网关由总线控制器协议模块将完整的总线协议数据包存放在数据缓冲区B再通知控制和调度模块,由它调用以太网控制器协议转换模块将完整的总线协议数据包作为应用层数据封装起来,再发送到以太网的应用层。程序结构如图2所示。
以太网信息管理层的控制指令发送到透明网关,将TCP/IP协议包数据转换为总线协议形式发送至总线控制网络中的指定设备节点,完成信息管理层对现场设备层的控制。同样地,当总线网络上的设备数据(如采样数据或报警、控制信息)要传输到信息管理层时,可将数据发送到透明网关,再通过网关协议转换程序将总线协议数据封装成TCP/IP协议的以太网数据帧发送至以太网上的监控管理计算机。
3 现场总线网络设备接口设计
总线网络设备接口设计较网关设计简单,它是在完成设备功能的基础上加入一个通信控制器接口芯片,实现与总线网络的连接。考虑到开发成本和灵活性,在设计中可选用独立的通信控制器芯片和总线收发器芯片。控制器协议转换模块程序主要由寄存器读程序、写程序、初始化程序、发送程序和接收程序等组成。
4 结 语
现场总线技术的采用大大扩展了现有系统的功能,然而随着煤矿规模化生产程度的提高,矿井范围越来越大,高科技的应用需求快速发展要求通讯网络有较大的传输带宽,数据传输类型也由原来的数据通信发展到视频语言等多媒体通讯,受通信距离和带宽的限制,显然无论哪一种现场总线都无法完成这些应用需要,所以完善的解决方案是充分利用各种优势将工业以太网引到煤矿井下与现场总线有机集成,建立先进的基于工业以太网和现场总线的数字煤矿安全生产实时监测监控系统。从而实现全矿井的数字化。
作者简介:张宏福(1972-),男,1994年毕业于山东矿业学院机电工程专业,现在煤炭科学研究总院抚顺分院从事安全监控与安全仪表研发与工程服务工作,曾发表论文多篇。
