自動化開題報告
題目：基于以太網(wǎng)的礦用通信分機的設(shè)計
一、 本課題的研究目的和意義
隨著我國煤礦行業(yè)整體的技術(shù)進步，機械化、自動化、信息化等方面的發(fā)展，特別是井下綜采機、數(shù)字化自動控制設(shè)備越來越多地投入到生產(chǎn)當(dāng)中，功能完善的井下通信系統(tǒng)變得越來越重要了。如果沒有好的通信系統(tǒng)，那么就會產(chǎn)生信息孤島問題�，F(xiàn)代化的設(shè)備，其數(shù)字化程度非常高，如果沒有現(xiàn)代化的通信網(wǎng)絡(luò)支持，其效能就不會得到最大的發(fā)揮。因此，研究現(xiàn)代煤礦井下通信系統(tǒng)的特點及其發(fā)展趨勢非常重要，這對于指導(dǎo)煤礦信息化工作有著直接的意義。隨著我國研究PIC技術(shù)的發(fā)展，對通信技術(shù)的要求也越來越高，本課題針對井下工作通信不暢這一情況，對井下通信系統(tǒng)進行研究。礦井通信系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)調(diào)度、安全避險和應(yīng)急救援的必要工具，基于以太網(wǎng)的礦用通信分機的研究可以實現(xiàn)礦井下的通信及數(shù)據(jù)傳輸，將頂板壓力測試數(shù)據(jù)及離層分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄�，使管理者能更好的安排井下工作。通過此通信分機，可以提高礦井工作效率，增加煤礦的產(chǎn)量，保證工作人員的安全。
二、 本課題的主要研究內(nèi)容(提綱)
該基于以太網(wǎng)的礦用通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能有：將上一級對頂板壓力進行檢測，離層分析的檢測數(shù)據(jù)通過RS-485總線的通信接口傳給帶有以太網(wǎng)的PIC18F97J60系列的單片機進行數(shù)據(jù)處理與傳遞，數(shù)據(jù)存儲在AT24C512中，PIC18F97J60含有以太網(wǎng)通信模塊，通過光纖交換機，把數(shù)據(jù)傳到井上監(jiān)控中心。此外還接有簡單按鍵和128×64的液晶顯示器組成的人機接口，以便于設(shè)置井下系統(tǒng)。在用RS-485總線傳輸時，需要用到MAX485，它是用于RS-485通信的低功耗收發(fā)器。MAX485的驅(qū)動器擺率不受限制, 可以實現(xiàn)最高2.5Mbps的傳輸速率。驅(qū)動器具有短路電流限制，接收器輸入具有失效保護特性;傳輸過程中，為了增加通信距離有效地抑制系統(tǒng)噪聲，需在RS-485基礎(chǔ)上加上光電隔離;對數(shù)據(jù)的存儲采用AT24C512,它是512K位(64K×8位) 大容量電可擦的可編程存儲器的EEPROM，符合雙向數(shù)據(jù)傳送I2C協(xié)議，具有硬件寫保護和軟件數(shù)據(jù)保護功能;為實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時采集以及對監(jiān)測裝置的校時功能，采用PCF8563實時時鐘電路，它提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電檢測器，地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接口串行傳遞到單片機，每次讀寫數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量，為單片機再次寫入數(shù)據(jù)做準備;電源采用LM317三端可調(diào)節(jié)輸出正電壓穩(wěn)壓器作為通信分機的供電電源，其輸出電壓為1.2V-37V能夠提供超過1.5A的電流，此外還是用內(nèi)部限流、熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補償使之基本能防止燒斷保險絲，在此系統(tǒng)中，要求供電電壓為3.3V;單片機采用帶有以太網(wǎng)的PIC18F97J60單片機，它繼承了PIC18單片機的傳統(tǒng)優(yōu)點(即出色的計算性能、豐富的功能集)，它的所有器件可提供5個不同的振蕩器選項，內(nèi)部振蕩器模塊還提供了一個穩(wěn)定的參考源，增加了故障保護時鐘監(jiān)視器、雙速啟動功能以使器件更安全地工作，它還能夠進行SPI 和I2C (主和從)模式操作。
三、 文獻綜述(國內(nèi)外研究情況及其發(fā)展)
通過通信方式傳送數(shù)據(jù)信息, 其歷史可追溯到20世紀20年代;到20世紀代, 低頻高壓電力線通信技術(shù)已廣泛用于監(jiān)控、遠程指示、設(shè)備保護以及語音傳輸域;20 世紀 50年代后至 90年代早期的 30 多年, 電力線載波通信開始應(yīng)用在中壓壓電網(wǎng)上, 其開發(fā)工作主要集中在電力線自動抄表、電網(wǎng)負載控制和供電管理等領(lǐng)0 世紀90年代后期至今, 電力線載波通信開始研發(fā)Internet應(yīng)用產(chǎn)品, 并取得試驗。黨的十七*報告指出要發(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，大力推進信息化與工業(yè)化融合。
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，終端數(shù)據(jù)到中心處理系統(tǒng)的傳輸在現(xiàn)在的技術(shù)可以選用以下幾種方式：無線傳輸、電力線載波、公眾電話網(wǎng)傳輸和Internet傳輸。通常按照傳輸方式的不同，將數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)分為以下幾類：無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于電力載波的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于嵌入式Internet技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于公共電話網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
近年來，煤礦井下機械化數(shù)字化設(shè)備越來越多，安全生產(chǎn)的要求越來越嚴格，必然地要求提高井下的信息化程度。各種傳感器、控制設(shè)備越來越多，那么，是每種要求單獨鋪設(shè)一套通信系統(tǒng)，還是用一個綜合的通信系統(tǒng)完成所有的信息傳輸工作就成為一個重要的問題。從實用性和成本控制的角度去考慮，寬帶的、綜合的通信能力是未來井下通信系統(tǒng)所必須具備的，其關(guān)鍵點在：
1、數(shù)據(jù)、語音、圖像同時傳輸能力，將來還有控制信息的傳輸
2、光纖、電纜、無線的綜合使用
3、使用TCP/IP協(xié)議
隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，井下通信設(shè)備和井下通信技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，基于以太網(wǎng)的礦用通信分機的設(shè)計就顯得非常重要。煤礦現(xiàn)代化水平的不斷提高，信息化礦井的不斷完善，使通訊裝備的配置越來越引起人們的關(guān)注，原有的通訊設(shè)施越來越滿足不了工業(yè)生產(chǎn)的需求，于是各種各樣的通信方式成為人們關(guān)注的焦點，更高更新的通訊技術(shù)成為人們競相追逐的目標。國內(nèi)煤礦通信采用全雙工通信技術(shù), 交換機端口間兩根光纖可以同時接收和發(fā)送報文幀, 這樣任一節(jié)點發(fā)送報文幀時不會再發(fā)生碰撞, 沖突域也就不復(fù)存在。通過降低網(wǎng)絡(luò)負載和提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率, 可以使傳統(tǒng)共享式工業(yè)以太網(wǎng)上的碰撞大大降低。
隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機在工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，使控制由原來的人工記錄變?yōu)楝F(xiàn)在的計算機自動記錄、自動控制。尤其是單片機的迅猛發(fā)展，使單片機能夠使用到我們的日常生活中。單片機將中央處理器、程序儲存器、定時器/計數(shù)器、并行串行輸入輸出口和中斷部件等單元集成在一個芯片上，使系統(tǒng)的體積縮小，價格便宜，性能可靠，并且PIC18系列單片機內(nèi)部含有以太網(wǎng)控制器，以太網(wǎng)的優(yōu)點有：應(yīng)用廣泛，它是應(yīng)用最廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，幾乎所有的編程語言如Visual C++、Java、Visual Basic等都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā);通信速率高，目前，10、100 Mb/s的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用，1Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線最高速率只有12Mb/s(如西門子Profibus-DP)。顯然，以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線要快的多，完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長的帶寬要求;資源共享能力強，隨著Internet的發(fā)展，以太網(wǎng)已滲透到各個角落，網(wǎng)絡(luò)上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛，在聯(lián)人互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺計算機上就能瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“控管一體化”，這是其他任何一種現(xiàn)場總線都無法比擬的;可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅蕴W(wǎng)的引人將為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能性，用戶在技術(shù)升級方面無需獨自的研究投入，對于這一點，任何現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)都是無法比擬的。同時，機器人技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展都要求通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的帶寬和性能，通信協(xié)議有更高的靈活性，這些要求以太網(wǎng)都能很好地滿足。
一方面，通信基本理論告訴我們，寬帶綜合系統(tǒng)比之窄帶系統(tǒng)(或單一功能系統(tǒng))，在保證同等通信質(zhì)量的前提下，其所需要的能量更多;可是另一方面，設(shè)備本安設(shè)計的要求是：“使用的能量要越低越好，要低到某個限制值以下”。這時候矛盾就顯現(xiàn)出來了，設(shè)備又要設(shè)計成本安又要設(shè)計成寬帶，又要能量高才行又必須低于某個限制值，這個矛盾非常尖銳。解決這個矛盾對于工程技術(shù)人員來說是個非常大的挑戰(zhàn)，在未來幾年中這個挑戰(zhàn)都將一直存在，所有開發(fā)煤礦井下通信系統(tǒng)的工程師都會碰到這個問題。
四、 擬解決的關(guān)鍵問題
1、RS-485通信問題
將檢測數(shù)據(jù)通過RS-485總線的通信接口傳輸過程中，為了增加通信距離有效地抑制系統(tǒng)噪聲，降低誤碼率，需在RS-485基礎(chǔ)上加上光電隔離，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比，可以大大增加計算機工作的可靠性。
2、通信協(xié)議的建立
在計算機數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域內(nèi),長期以來使用RS-232 通信標準,但它卻是一種低數(shù)據(jù)速率和點對點的數(shù)據(jù)傳輸，并且傳輸距離較短，無法很好滿足礦用設(shè)備的要求，因此本系統(tǒng)采用傳輸距離較長且可以多點通訊的RS-485通訊標準。與通信分機通信穩(wěn)定程度決定了此監(jiān)控系統(tǒng)的完整性、可靠性，利用RS-485通信的穩(wěn)定性問題是需要解決的關(guān)鍵問題。
3、TCP/IP協(xié)議棧的建立和實現(xiàn)
TCP/IP協(xié)議棧的建立，即要實現(xiàn)了ARP、IP、TCP及UDP等功能，在單片機
內(nèi)實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議時，應(yīng)從四個方面考慮其是否合理：是否提供易用的底層硬件API。即與硬件平臺的無關(guān)性;占用的系統(tǒng)資源是否在可接受范圍內(nèi);對于應(yīng)用系統(tǒng)的支持程度;是否有裁減優(yōu)化的空間。
4、以太網(wǎng)通信的硬件連接
要使以太網(wǎng)通信順暢，連接方便，單片機PIC18F97J60通過I2C總線連接時鐘電路PCF8563(實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時采集以及對監(jiān)測裝置的校時功能)、AT24C512(實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲)、LM317(三端可調(diào)節(jié)輸出正電壓穩(wěn)壓器作為通信分機的供電電源)等硬件。
5、電源管理
電源電路是系統(tǒng)中不可缺少的一個環(huán)節(jié)，系統(tǒng)采用礦用防爆兼不間斷電源供電。它的工作原理為127V交流電源經(jīng)由變壓器降壓后經(jīng)整流、濾波及穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，輸出穩(wěn)定的5V及3.3V直流電壓。由于是在井下作業(yè)，整個電路采用本安型電路設(shè)計，確保設(shè)備的安全工作。
6、人機界面的實現(xiàn)
為能使用戶進行人機操作，方便用戶控制，所以裝有簡單按鍵和128×64的液晶顯示器組成的人機接口，以便于設(shè)置井下系統(tǒng)。
五、 研究思路和方法
本次設(shè)計使用了以內(nèi)置以太網(wǎng)控制器的PIC18F97J60系列的單片機為控制核心，對頂板壓力監(jiān)測及離層分析數(shù)據(jù)進行處理、存儲和傳送。數(shù)據(jù)存儲在AT24C512中，單片機通過I2C總線接口連接時鐘電路PCF8563，通過接口連接網(wǎng)線，再經(jīng)過交換機，從而把數(shù)據(jù)傳到井上監(jiān)控中心。此外還連接有簡單按鍵實現(xiàn)對時鐘電路及其他器件的控制，128×64的顯示器，以供方便控制器件的運行修改，通過單片機進行數(shù)據(jù)分析，這樣周而復(fù)始的巡檢，從而實時監(jiān)測壓力等數(shù)據(jù)變化。本系統(tǒng)自動化程度較好，控制精度較高。
六、 本課題的進度安排
第三周： 課題分析
第四周：開題報告
第五、六周：方案論證
第七、八周：硬件電路的設(shè)計
第九、十周：軟件系統(tǒng)設(shè)計
第十一、十二周：電路調(diào)試
第十三、十五周：畢業(yè)設(shè)計說明書
第十六周：準備畢業(yè)答辯
七、參考文獻
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