单芯片嵌入式网关在煤矿井下人员定位中的应用

随着Internet技术的飞速发展，煤矿井下光纤环网是近年来研究与应用的热点，它在煤矿井下安全监控中起着越来越重要的作用。本文在煤矿井下光纤环网的框架下，设计了光纤以太网转工业RS 485总线的网关，该网关可将井下人员定位基站入网，实现人员定位信息的网络查询、跟踪以及安全检测与监控等功能。

由于单芯片嵌入式网关具有成本低、体积小、可靠性高、功耗低、环境适应能力强等诸多优点，在通信和工业控制等领域得到了日益广泛的应用。

1 嵌入式网关构架

基于以太网的TCP／IP转换为工业RS 485和RS 232协议的基本构架如图1所示。根据嵌入式网关的功能，本设计实现了以下协议：HTTP，TCP，UDP，IP，ICMP，ARP。

(1)HTTP是嵌入式WEB服务器的主要构架，属于应用层协议，本文主要实现网关系统参数设置与查询、基站系统参数的设置与查询。

(2)TCP协议是面对连接的，在本文中实现井下基站与远程以太网终端数据的通信：提供TCP Server功能，负责终端电脑主动连接网关，实现数据通信；实现TCP Client功能，提供网关主动发起的数据传输，比如网关中有数据需要通信的时候(注：图1中的TCP S／C代表用户基于TCP Server以及TCP Client的应用程序，下同)。

(3)UDP协议是面对连接的网络数据传输，数据传输不可靠，但是在某些场合，比如数据的链路比较少，那么可以采用基于UDP的数据传输协议。在本设计中保留了基于UDP的数据传输协议。

(4)IP协议是网络通信协议的主要协议，由图1可知，UDP和TCP协议就是在此层之上实现的。

(5)ICMP和ARP协议实现网络的一些基本配置，ARP为地址解析协议，是将IP地址转换到硬件地址的协议，ICMP是IP的附件，用于实现网络上节点的诊断，并返回错误消息，也就是我们最常用的ping协议。

2 硬件结构设计

硬件的系统框图如图2所示，光纤转电模块实现光纤到电的RJ45转换，RJ45实现光纤转换模块和MC9S12NE64(以下简称NE64)的连接，4个SPE485实现该网关与基站的RS 485连接，MAX232实现调试输出或基站的RS 232连接。本系统的光纤转电模块采用netLINK公司的HTB-1100S-25，该转换器为自适应光纤收发器，用于将100 Mb／s的光网转换为速度为：10／100 Mb／s的双绞线RJ45接口。

2.1 MC9S12NE64以太网单芯片简介

NE64是Freescale公司于2004年9月推出的高性价比、业内首个嵌入式单芯片以太网微控制器，内核为HCS12。由标准的内置外设构成，主要包括一个16 b的中央处理器单元(HCS12 CPU)，64 kB的FLASHE2PROM，8 kB的RAM(EMAC共享)，集成了10／100 Mb／s以太网物理层收发器(EPHY)的以太网媒体访问控制器(EMAC)，2个异步串行通讯接口模块(SCI)，1个4通道16 b定时器模块(TIM)以及多达21个管脚可用于键盘唤醒输入(KWU)等。内置的PLL电路允许对功耗和性能进行调节来满足运行要求。此外，内置的带隙基准稳压器，用于将3.15～3.45 V的外部工作电压转换成2.5 V的内部数字电源电压(VDD)。

2.2 网络接口设计

NE64内部集成了用于连接以太网的EMAC和EPHY协议层，因此省了外接的PHY，只需连接少许的外部电阻和电容以及一个RJ45接口就可以实现网络的物理连接，接口电路如图3所示。

2.3 RS 485和RS 232接口设计

NE64本身具有双串口，因此本文将串口0(SCI0) 设计为RS 485通信，将串口1(SCIl)设计为RS 232通信。

在煤矿井下人员定位系统中，该网关通过RS 485(串口0)与本地基站相连以获取人员信息。为增加系统中RS 485的驱动能力，设计了4路接口，原理图如图4所示。

在图4(a)中，只画了一路的RS 485接口电路，其他的3路基本一样。在接收脚RXD00串联电阻和LED指示灯，用于指示电路的接收状态，发送状态的LED指示灯没有在图中画出，原理同接收电路。WD1～WD3及串联的20 Ω小电阻，具有防雷击功能。图4(b)中的RXD01～RXD03是另外3路RS 485的接收端，要注意的是图中74HC09是集电极开路输出，因此在输出时需接一个上拉电阻，RXD0直接连接NE64的串口0的接收端，而4路RS 485的发送端TXD0连接在一起并和NE64的串口0的发送端相连。

3 软件实现

嵌入式网关的软件系统完成系统的协议转换以及wEB服务器的构建，基于TCP／IP的网络协议栈有很多，但是针对嵌入式系统，必须考虑到硬件和软件资源，从而需对其进行精简使之应用于嵌入式系统。考虑到硬件资源和软件的开发，本文选用了源码开放的OpenTCP协议栈，该协议栈由芬兰的Viola Systems公司开发，实现了大多数的基于vIP4的网络协议，如HTTP，DHCP，SMTP，TFTP，TCP／IP，DNS，ARP，ICMP等协议，并由美国的SourceForge公司根据NE64的硬件资源将其移植过来，实现了在16位低成本嵌入式系统上的网络化。本文根据项目的需要，只移植了HTTP，TCPUDP，IP，ARP，ICMP协议，程序的流程如图5所示。