專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于c8051f040的礦用通信分站的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種煤礦井下電氣設(shè)備故障診斷和預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)發(fā)的通信分站，特別是適用于煤礦井下故障檢測(cè)設(shè)備分布距離遠(yuǎn)且大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要上傳的通信分站。
背景技術(shù)：
煤礦中使用的各種設(shè)備在出現(xiàn)故障之前，可以通過(guò)對(duì)其特征量的分析來(lái)推測(cè)出設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，并可根據(jù)該狀態(tài)和經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)出可能出現(xiàn)的故障。因此，在設(shè)備運(yùn)行中對(duì)其各種特征量進(jìn)行檢測(cè)、記錄，并根據(jù)檢測(cè)量進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析，對(duì)設(shè)備的故障做出預(yù)警， 將有助于及時(shí)消除安全隱患，減少突發(fā)事故的發(fā)生，從而減少傷亡，提高生產(chǎn)率。礦井安全預(yù)警系統(tǒng)中檢測(cè)到每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過(guò)特征量提取之后，需要將特征量傳送到地面的監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)，為設(shè)備的故障預(yù)警提供依據(jù)。然而，煤礦井下的設(shè)備較多、布置分散、傳輸距離遠(yuǎn)且需要上傳的數(shù)據(jù)量大，而現(xiàn)有的通信裝置中，沒(méi)有一種通信裝置可以滿(mǎn)足礦井安全預(yù)警系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)發(fā)的需要。例如名稱(chēng)為一種基于AT91M40800 的多串口總線(xiàn)系統(tǒng)(中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00710062519. 2)的發(fā)明專(zhuān)利，通過(guò)擴(kuò)展RS-485總線(xiàn)接口、CAN總線(xiàn)接口和以太網(wǎng)接口，使第三方設(shè)備能夠在接口類(lèi)型和協(xié)議種類(lèi)不同的情況下，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。但是該系統(tǒng)僅僅實(shí)現(xiàn)了通信接口協(xié)議轉(zhuǎn)換，是一種協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置，不能用作數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)發(fā)的通信分站，也就無(wú)法解決煤礦井下設(shè)備較多、布置分散、 傳輸距離遠(yuǎn)且需要上傳的數(shù)據(jù)量大等難題。山東大學(xué)的張鵬于2008年5月發(fā)表的碩士學(xué)位論文“智能井下分站的研究與實(shí)現(xiàn)”，介紹了一種礦用智能分站裝置，該裝置擴(kuò)展了 RS-485 接口和以太網(wǎng)接口，能完成對(duì)接口為RS-485的檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，但是RS-485接口通信距離短，不能解決煤礦井下通信距離遠(yuǎn)的難題。武漢理工大學(xué)的余翔于2007年4月發(fā)表的碩士學(xué)位論文“煤礦礦井嵌入式數(shù)據(jù)采集分站的研究與實(shí)現(xiàn)”，介紹了一種煤礦礦井?dāng)?shù)據(jù)采集分站裝置，該裝置擴(kuò)展了 CAN接口和以太網(wǎng)接口，能完成對(duì)接口為CAN的檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，但是由于該裝置不兼容RS-485總線(xiàn)接口，接口類(lèi)型為R-485的檢測(cè)設(shè)備無(wú)法與該裝置進(jìn)行通信。綜上所述，現(xiàn)有的礦用通信分站裝置，不能解決礦井安全預(yù)警系統(tǒng)中故障檢測(cè)設(shè)備分布距離遠(yuǎn)且大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要上傳的難題。因此，研制一種兼容多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)形式、 組網(wǎng)靈活、通信距離遠(yuǎn)的通信分站裝置對(duì)礦井安全預(yù)警系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建具有重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型目的是為克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種可實(shí)現(xiàn)煤礦井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控、故障診斷和預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集中上傳的一種基于C8051F040的礦用通信分站。本實(shí)用新型包括微控制器單元、以太網(wǎng)接口單元、CAN總線(xiàn)接口單元、RS-485總線(xiàn)接口單元、鍵盤(pán)與液晶顯示單元和RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元。[0007]微控制器單元包括單片機(jī)(MCUl) ,32k外部RAM(Ul)、JTAG接口(Jl)。單片機(jī) (MCUl)為C8051F040單片機(jī)，Silicon Laboratories公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，3 外部RAM(Ul)采用ISSI公司的高速低功耗芯片IS62LV256AL。單片機(jī)(MCUl) 的地址總線(xiàn)A0-A14與外部RAM(Ul)的地址總線(xiàn)A0-A14連接，單片機(jī)(MCUl)的地址總線(xiàn) A15與外部RAM(Ul)的片選線(xiàn)/CE連接，單片機(jī)(MCUl)的I/O 口 P7. 0-P7. 7與外部RAM(Ul) 的D0-D7連接。JTAG接口(Jl)是用于程序下載和調(diào)試的接口，JTAG接口(Jl)與單片機(jī) (MCUl)上的四個(gè)專(zhuān)用引腳TCK、TMS、TDI和TDO連接，通過(guò)JTAG接口(Jl)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)(MCUl)內(nèi)部FLASH程序存儲(chǔ)器在線(xiàn)編程。微控制器單元是整個(gè)通信分站的中央處理器， 控制通信分站工作流程，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)操作。以太網(wǎng)接口單元包括以太網(wǎng)控制器(U11)CP2200和集成RJ45網(wǎng)絡(luò)接口(JPl)；以太網(wǎng)控制器(Ull)CP2200是Silicon Laboratories公司生產(chǎn)的單芯片以太網(wǎng)控制器；集成RJ45網(wǎng)絡(luò)接口(JPl)為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信接口 ；以太網(wǎng)控制器(U11)CP2200的地址總線(xiàn) A0-A7與C8051F040單片機(jī)(MCUl)的地址總線(xiàn)A0-A7連接，C8051F040單片機(jī)(MCUl)的地址總線(xiàn)A15經(jīng)過(guò)反相器U28與以太網(wǎng)控制器(U11)CP2200的片選端/CS連接，以太網(wǎng)控制器(U11)CP2200的數(shù)據(jù)總線(xiàn)D0-D7與C8051F040單片機(jī)(MCUl)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)D0-D7連接。以太網(wǎng)控制器(U11)CP2200通過(guò)串行總線(xiàn)TX+、TX-、RX+和RX-與集成RJ45網(wǎng)絡(luò)接口 (JPl) 連接。以太網(wǎng)接口單元是通信分站接入以太環(huán)網(wǎng)與地面監(jiān)控中心的通信接口。CAN總線(xiàn)接口單元包括兩組光電耦合器(U12/U13)TLP521、CAN控制器和CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U14)PCA82C250。CAN控制器為C8051F040單片機(jī)(MCUl)內(nèi)部集成的BOSCH CAN控制器，CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U14)為PCA82C250。C8051F040單片機(jī)(MCUl)內(nèi)部CAN控制器的串行通信總線(xiàn)CANTX和CANRX連接至光電耦合器(U12/U13)TLP521的一側(cè)，光電耦合器(U12/ U13)TLP521的另一側(cè)與CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U14)PCA82C250的TXD和RXD連接。CAN總線(xiàn)接口單元是通信分站與井下具有CAN總線(xiàn)接口設(shè)備的通信接口。RS-485總線(xiàn)接口單元包括三組光電耦合器(U15/U16U17)TLP521和RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U18)MAX487。單片機(jī)(MCUl)的串行通信總線(xiàn)TXO和RXO經(jīng)過(guò)光電耦合器(U15/U17)TLP521隔離后與RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器 (U18)MAX487的DI和RO連接，單片機(jī)(MCUl)的1/0 口 P4. 0經(jīng)過(guò)光電耦合器(U16)TLP521 隔離后與RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U18)MAX487的EN連接。RS-485總線(xiàn)接口單元是通信分站與井下具有RS-485總線(xiàn)接口的設(shè)備通信的接口。鍵盤(pán)與液晶顯示單元包括三組光電耦合器(U7/U8/U9)TLP521、鍵盤(pán)和液晶顯示器。鍵盤(pán)共設(shè)三個(gè)獨(dú)立按鍵，功能分別為SET、UP和DOWN，其中，SET鍵(S》連接至光電耦合器(U7)TLP521的一側(cè)，光電耦合器(U7)TLP521的另一側(cè)連接至單片機(jī)(MCUl)的P2. 4和 /INTO，UP鍵(S； )連接至光電耦合器(U8)TLP521的一側(cè)，光電耦合器(U8)TLP521的另一側(cè)連接至單片機(jī)(MCUl)的P2. 5，D0WN鍵(S4)連接至光電耦合器(U9)TLP521的一側(cè)，光電耦合器(U9)TLP521的另一側(cè)連接至單片機(jī)(MCUl)的P2. 6。液晶顯示器為U8X64點(diǎn)陣式液晶顯示模塊U6, U6的數(shù)據(jù)總線(xiàn)DB0-DB8與C8051F040單片機(jī)(MCUl)的1/0 口 P3. 0-P3. 7 連接，液晶顯示模塊(U6)的控制線(xiàn)RS、R/W、E和RST分別與C8051F040單片機(jī)(MCUl)的 1/0 口 P2. 0、P2. 1、P2. 2 和 P2. 3 連接。 RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元包括RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U31/U32) MAX487、反相器 (U29) 74HC04、高速光電耦合器(U24/U25/U30) 6N137、光電耦合器(UlO) TLP521、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U23/U26)74HC123、方波發(fā)生器(U3!3)NE555、電壓跟隨器(U27)LF353和電壓比較器 (U22)LM3110調(diào)制通道中，RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U32)MAX487的RX經(jīng)過(guò)反相器(U29) 74HC04反相后連接到高速光電耦合器(U30)6W37的一側(cè)，高速光電耦合器(U30)6W37的另一側(cè)連接到方波發(fā)生器(U33)NE555的RST和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U26)74HC123的1B。方波發(fā)生器(U33) NE555的輸出端OUT與RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U31)MAX487的TX端連接。RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路 (U32)MAX487從RS-485總線(xiàn)上取回的信號(hào)被方波發(fā)生器(U3!3)NE555轉(zhuǎn)換成頻率為50kHz 的方波信號(hào)，當(dāng)總線(xiàn)上為高電平時(shí)，調(diào)制電路輸出為0V，當(dāng)總線(xiàn)上為低電平時(shí)，調(diào)制電路輸出為50kHz方波。解調(diào)通道中，電壓跟隨器(U27)LF353的輸出端IOUT連接到電壓比較器(U22) LM311的V+，電壓比較器(U22)LM311的輸出端VO連接至高速光電耦合器(似4)6附37的IN， 高速光電耦合器(似4)6附37的輸出端OUT連接至單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U2!3)74HC123的IB端，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U2!3)74HC123的輸出IQ與光電耦合器(U10)TLP521連接，光電耦合器(UlO) TLP521的另一側(cè)連接至反相器(U29)74HC04，反相器(U29) 74HC04的輸出連接到RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U32)MAX487的TX。電壓比較器(U22) LM311通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)，將衰減后的信號(hào)還原為與調(diào)制時(shí)相同的50kHz的方波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)高速光電耦合器(U24)的轉(zhuǎn)換，再通過(guò)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U23)74HC123的整形，將信號(hào)中的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為高電平，從而將信號(hào)還原為原始通信信號(hào)。利用串行通信信號(hào)以低電平為起始的特點(diǎn)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U26)74HC123在每個(gè)字節(jié)起始的低電平時(shí)，觸發(fā)一個(gè)略大于一個(gè)字節(jié)時(shí)長(zhǎng)的高電平信號(hào)，該信號(hào)用于控制 RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U31/U32)MAX487發(fā)送和接收狀態(tài)的切換。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U26) 74HC123 的兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是互鎖的連接方式，當(dāng)一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作在單穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被鎖定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)制解調(diào)電路調(diào)制和解調(diào)兩種工作狀態(tài)的自動(dòng)切換。RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元與RS-485總線(xiàn)接口單元連接。RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元對(duì)通過(guò)對(duì)RS-485總線(xiàn)信號(hào)調(diào)制和解調(diào)能夠有效延長(zhǎng)通信距離。本實(shí)用新型針對(duì)煤礦井下設(shè)備故障診斷和預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的特殊要求，系統(tǒng)擴(kuò)展了豐富的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)硬件接口以及其他硬件電路。其優(yōu)越性在于通過(guò)擴(kuò)展的RS-485 總線(xiàn)、CAN總線(xiàn)和以太網(wǎng)等接口，可以使具有上述接口的設(shè)備方便地與通信分站通信。擴(kuò)展的3 外部RAM用于暫存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，適應(yīng)了井下設(shè)備上傳數(shù)據(jù)量大的要求。擴(kuò)展的以太網(wǎng)接口可使通信分站在井下很方便地接入以太環(huán)網(wǎng)。開(kāi)發(fā)的RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)配套裝置， 增加了通信距離，取代了傳統(tǒng)通過(guò)使用中繼器延長(zhǎng)通信距離的方式，解決了井下檢測(cè)設(shè)備之間距離遠(yuǎn)給通信帶來(lái)的難題。本實(shí)用新型針對(duì)井下檢測(cè)設(shè)備種類(lèi)繁多、數(shù)據(jù)格式不一致以及接口特性不統(tǒng)一等問(wèn)題，采用了參數(shù)設(shè)置靈活、數(shù)據(jù)格式自動(dòng)匹配和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間自動(dòng)分配的方式，方便了網(wǎng)絡(luò)的組建以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的修改。鍵盤(pán)與液晶顯示器相配合可以使用戶(hù)在井下對(duì)系統(tǒng)參數(shù)靈活地進(jìn)行修改。通過(guò)擴(kuò)展的以太網(wǎng)接口，用戶(hù)可在上位機(jī)對(duì)通信分站參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置。修改的參數(shù)值均保存在FLASH存儲(chǔ)器中，不會(huì)因系統(tǒng)斷電而丟失。

圖1是本實(shí)用新型微控制器單元電路原理圖。[0018]圖2是本實(shí)用新型以太網(wǎng)接口單元原理圖。圖3是本實(shí)用新型CAN總線(xiàn)接口單元原理圖。圖4是本實(shí)用新型RS-485總線(xiàn)接口單元原理圖。圖5是本實(shí)用新型鍵盤(pán)與液晶顯示單元連接原理圖。圖6是本實(shí)用新型RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元原理圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型包括圖1所示的微控制器單元、圖2所示的以太網(wǎng)接口單元、CAN總線(xiàn)接口單元和RS-485總線(xiàn)接口單元、圖5所示的鍵盤(pán)與液晶顯示單元和圖6所示的RS-485 信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元。微控制器單元包括C8051F040單片機(jī)、32k外部RAM(Ul) IS62LV256AL和JTAG接口(Jl)。C8051F040單片機(jī)(MCUl)為Silicon Laboratories公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，3 外部RAM采用ISSI公司的高速低功耗芯片IS62LV256AL。C8051F040 單片機(jī)(MCUl)的地址總線(xiàn)A0-A14與外部RAM(Ul) IS62LV256AL的地址總線(xiàn)A0-A14連接， C8051F040單片機(jī)(MCUl)的地址總線(xiàn)A15與外部RAM(Ul) IS62LV256AL的片選線(xiàn)/CE連接， C8051F040 單片機(jī)(MCUl)的 I/O 口 P7. 0-P7. 7 與外部 RAM(Ul) IS62LV256AL 的 D0-D7 連接。 JTAG接口(Jl)是用于程序下載和調(diào)試的接口，JTAG接口(Jl)與單片機(jī)(MCUl)上的四個(gè)專(zhuān)用引腳TCK、TMS、TDI和TDO連接，通過(guò)JTAG接口(Jl)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)(MCUl)內(nèi)部 FLASH程序存儲(chǔ)器在線(xiàn)編程。微控制器單元通過(guò)對(duì)所擴(kuò)展通信接口的控制來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的接收和打包上傳等任務(wù)。以太網(wǎng)接口單元包括以太網(wǎng)控制器(U11)CP2200和集成RJ45網(wǎng)絡(luò)接口(JPl)。以太網(wǎng)控制器(Ull)CP2200是Silicon Laboratories公司生產(chǎn)的單芯片以太網(wǎng)控制器；集成RJ45網(wǎng)絡(luò)接口(JPl)為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信接口。以太網(wǎng)控制器(U11)CP2200的地址總線(xiàn) A0-A7與C8051F040單片機(jī)(MCUl)的地址總線(xiàn)A0-A7連接，C8051F040單片機(jī)(MCUl)的地址總線(xiàn)A15經(jīng)過(guò)反相器U28與以太網(wǎng)控制器(U11)CP2200的片選端/CS連接，以太網(wǎng)控制器(Ull) CP2200的數(shù)據(jù)總線(xiàn)D0-D7與C8051F040單片機(jī)(MCUl)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)D0-D7連接。以太網(wǎng)控制器(U11)CP2200通過(guò)串行總線(xiàn)TX+、TX-、RX+和RX-與集成RJ45網(wǎng)絡(luò)接口 (JPl) 連接。以太網(wǎng)接口單元是通信分站接入以太環(huán)網(wǎng)與地面監(jiān)控中心的通信接口，上位機(jī)通過(guò)該接口修改通信分站的CAN總線(xiàn)和RS-485總線(xiàn)的通信波特率、通信等待時(shí)間、連接設(shè)備的地址和數(shù)據(jù)量等參數(shù)，還通過(guò)該接口接收通信分站上傳的數(shù)據(jù)。圖3所示的是CAN總線(xiàn)接口單元原理圖。CAN總線(xiàn)接口單元包括兩組光電耦合器 (U12/U13)TLP521、CAN 控制器和 CAN 總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U14) PCA82C250。CAN控制器為 C8051F040 單片機(jī)(MCUl)內(nèi)部集成的BOSCH CAN控制器，CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器為PCA82C250。C8051F040單片機(jī)(MCUl)內(nèi)部CAN控制器的串行通信總線(xiàn)CANTX和CANRX連接至光電耦合器(U12/U13) TLP521的一側(cè)，光電耦合器(U12/U13)TLP521的另一側(cè)與CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U14)PCA82C250 的T)(D和RXD連接。CAN控制器運(yùn)行于Peli CAN模式，針對(duì)煤礦安全預(yù)警系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，自定義了應(yīng)用層協(xié)議。通信分站利用CAN控制器自帶的32個(gè)消息對(duì)象，實(shí)現(xiàn)每發(fā)送一次指令后，允許設(shè)備連續(xù)返回30幀數(shù)據(jù)。消息對(duì)象1定義為發(fā)送緩存器，用來(lái)向總線(xiàn)上的設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令；消息對(duì)象2-31定義為接收緩存器，用來(lái)接收總線(xiàn)上設(shè)備返回不超過(guò)30幀的數(shù)據(jù)。RS-485總線(xiàn)接口單元包括三組光電耦合器(U15/U16/U17) TLP521和RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U18)MAX487。單片機(jī)(MCUl)的串行通信總線(xiàn)TXO和RXO經(jīng)過(guò)光電耦合器(U15/ U17)TLP521隔離后與RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U18)MAX487的DI和RO連接，C8051F040單片機(jī)(MCUl)的I/O 口 P4. 0經(jīng)過(guò)光電耦合器(U16)TLP521隔離后與RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U18) MAX487的EN連接。通信分站通過(guò)RS-485總線(xiàn)接口與總線(xiàn)上的設(shè)備采用MODBUS通信協(xié)議通信，接收設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)。圖5所示的是鍵盤(pán)和液晶顯示單元連接原理圖。鍵盤(pán)與液晶顯示單元包括三組光電耦合器(U7/U8/U9)TLP521、鍵盤(pán)和液晶顯示器。鍵盤(pán)共設(shè)三個(gè)獨(dú)立按鍵，功能分別為 SET、UP和DOWN，其中，SET鍵(S》連接至光電耦合器(U7)TLP521的一側(cè)，光電耦合器(U7) TLP521的另一側(cè)連接至單片機(jī)(MCUl)的P2. 4和/INTO，UP鍵(S3)連接至光電耦合器(U8) TLP521的一側(cè)，光電耦合器(U8)TLP521的另一側(cè)連接至單片機(jī)(MCUl)的P2. 5，DOWN鍵 (S4)連接至光電耦合器(U9)TLP521的一側(cè)，光電耦合器(U9)TLP521的另一側(cè)連接至單片機(jī)(MCUl)的P2. 6。液晶顯示器為1 X 64點(diǎn)陣式液晶顯示模塊TO，TO的數(shù)據(jù)總線(xiàn)DB0-DB8 與C8051F040單片機(jī)(MCUl)的I/O 口 P3. 0-P3. 7連接，液晶顯示模塊(U6)的控制線(xiàn)RS,R/ W、E 和 RST 分別與 C8051F040 單片機(jī)(MCUl)的 I/O 口 P2. 0、P2. 1、P2. 2 和 P2. 3 連接。鍵盤(pán)與液晶顯示單元用于對(duì)通信分站地址、波特率、通信等待時(shí)間和掛接設(shè)備的數(shù)據(jù)量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。圖6所示的是RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元原理圖。RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元包括RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U31/U32)MAX487、反相器(U29) 74HC04、高速光電耦合器(U24/U25/ U30)6N137、光電耦合器(UlO) TLP521、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U23/U26) 74HC123、方波發(fā)生器(U33) NE555、電壓跟隨器(U27)LF353和電壓比較器(U22)LM311。調(diào)制通道中，RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U32) MAX487的RX經(jīng)過(guò)反相器(U29) 74HC04反相后連接到高速光電耦合器(U30)6W37的一側(cè)，高速光電耦合器(U30)6W37的另一側(cè)連接到方波發(fā)生器(U33)NE555的RST和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U26)74HC123的1B。方波發(fā)生器(U33) NE555的輸出端OUT與RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U31)MAX487的TX端連接。RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路 (U32)MAX487從RS-485總線(xiàn)上取回的信號(hào)被方波發(fā)生器(U33)NE555轉(zhuǎn)換成頻率為50kHz 的方波信號(hào)，當(dāng)總線(xiàn)上為高電平時(shí)，調(diào)制電路輸出為0V，當(dāng)總線(xiàn)上為低電平時(shí)，調(diào)制電路輸出為50kHz方波。解調(diào)通道中，電壓跟隨器(U27)LF353的輸出端IOUT連接到電壓比較器(U22) LM311的V+，電壓比較器(U22)LM311的輸出端VO連接至高速光電耦合器(似4)6附37的IN， 高速光電耦合器(似4)6附37的輸出端OUT連接至單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U2!3)74HC123的IB端，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U2!3)74HC123的輸出IQ與光電耦合器(U10)TLP521連接，光電耦合器(UlO) TLP521的另一側(cè)連接至反相器(U29)74HC04，反相器(U29) 74HC04的輸出連接到RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U32)MAX487的TX。電壓比較器(U22) LM311通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)，將衰減后的信號(hào)還原為與調(diào)制時(shí)相同的50kHz的方波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)高速光電耦合器(U24)的轉(zhuǎn)換，再通過(guò)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U23)74HC123的整形，將信號(hào)中的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為高電平，從而將信號(hào)還原為原始通信信號(hào)。利用串行通信信號(hào)以低電平為起始的特點(diǎn)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U26)74HC123在每個(gè)字節(jié)起始的低電平時(shí)，觸發(fā)一個(gè)略大于一個(gè)字節(jié)時(shí)長(zhǎng)的高電平信號(hào)，該信號(hào)用于控制 RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U31/U32)MAX487發(fā)送和接收狀態(tài)的切換。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U26) 74HC123 的兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是互鎖的連接方式，當(dāng)一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作在單穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被鎖定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)制解調(diào)電路調(diào)制和解調(diào)兩種工作狀態(tài)的自動(dòng)切換。
RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元與RS-485總線(xiàn)接口單元連接。RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元對(duì)通過(guò)對(duì)RS-485總線(xiàn)信號(hào)調(diào)制和解調(diào)能夠有效延長(zhǎng)通信距離。
權(quán)利要求1. 一種基于C8051F040的礦用通信分站，其特征是包括微控制器單元、以太網(wǎng)接口單元、CAN總線(xiàn)接口單元、RS-485總線(xiàn)接口單元、鍵盤(pán)與液晶顯示單元和RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元；微控制器單元包括單片機(jī)(MCUl)、3濁外部RAM(Ul)、JTAG接口(Jl)；單片機(jī)(MCUl) 為C8051F040單片機(jī)，Silicon Laboratories公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片；3 外部RAM(Ul)采用ISSI公司的高速低功耗芯片IS62LV256AL ；單片機(jī)(MCUl)的地址總線(xiàn)A0-A14與外部RAM(Ul)的地址總線(xiàn)A0-A14連接，單片機(jī)(MCUl)的地址總線(xiàn)A15與外部RAM(Ul)的片選線(xiàn)/CE連接，單片機(jī)(MCUl)的I/O 口 P7. 0-P7. 7與外部RAM(Ul)的 D0-D7連接JTAG接口 (Jl)與單片機(jī)(MCUl)上的四個(gè)專(zhuān)用引腳TCK、TMS、TDI和TDO連接； 以太網(wǎng)接口單元包括以太網(wǎng)控制器(U11)CP2200和集成RJ45網(wǎng)絡(luò)接口(JPl)；以太網(wǎng)控制器(U11)CP2200是Silicon Laboratories公司生產(chǎn)的單芯片以太網(wǎng)控制器；集成RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口(JPl)為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信接口 ；以太網(wǎng)控制器(U11)CP2200的地址總線(xiàn)A0-A7與 C8051F040單片機(jī)(MCUl)的地址總線(xiàn)A0-A7連接，C8051F040單片機(jī)(MCUl)的地址總線(xiàn) A15經(jīng)過(guò)反相器似8與以太網(wǎng)控制器(U11)CP2200的片選端/CS連接，以太網(wǎng)控制器(Ull) CP2200的數(shù)據(jù)總線(xiàn)D0-D7與C8051F040單片機(jī)(MCUl)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)D0-D7連接；以太網(wǎng)控制器(U11)CP2200通過(guò)串行總線(xiàn)TX+、TX-、RX+和RX-與集成RJ45網(wǎng)絡(luò)接口 (JPl)連接； CAN總線(xiàn)接口單元包括兩組光電耦合器(U12/U13)TLP521、CAN控制器和CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U14)PCA82C250 ；CAN控制器為單片機(jī)(MCUl)內(nèi)部集成的BOSCH CAN控制器，CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U14)為PCA82C250 ；單片機(jī)(MCUl)內(nèi)部CAN控制器的串行通信總線(xiàn)CANTX和CANRX 連接至光電耦合器(U12/U13)TLP521的一側(cè)，光電耦合器(U12/U13)TLP521的另一側(cè)與CAN 總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U14)PCA82C250的T)(D和R)(D連接；RS-485總線(xiàn)接口單元包括三組光電耦合器 (U15/U16U17)TLP521和RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U18)MAX487 ；單片機(jī)(MCUl)的串行通信總線(xiàn) TXO和RXO經(jīng)過(guò)光電耦合器(U15/U17)TLP521隔離后與RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U18)MAX487的 DI和RO連接，單片機(jī)(MCUl)的1/0 口 P4. 0經(jīng)過(guò)光電耦合器(U16)TLP521隔離后與RS-485 總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U18)MAX487的EN連接；鍵盤(pán)與液晶顯示單元包括三組光電耦合器(U7/U8/U9)TLP521、鍵盤(pán)和液晶顯示器；鍵盤(pán)共設(shè)SET、UP和DOWN三個(gè)獨(dú)立按鍵，SET鍵(S》連接至光電耦合器(U7)TLP521的一側(cè)， 光電耦合器(U7)TLP521的另一側(cè)連接至單片機(jī)(MCUl)的P2. 4和/INTO，UP鍵(S3)連接至光電耦合器(U8)TLP521的一側(cè)，光電耦合器(U8)TLP521的另一側(cè)連接至單片機(jī)(MCUl) 的P2. 5，D0WN鍵(S4)連接至光電耦合器(U9)TLP521的一側(cè)，光電耦合器(U9)TLP521的另一側(cè)連接至單片機(jī)(MCUl)的P2. 6 ；液晶顯示器為U8X64點(diǎn)陣式液晶顯示模塊TO，TO的數(shù)據(jù)總線(xiàn)DB0-DB8與C8051F040單片機(jī)(MCUl)的1/0 口 P3. 0-P3. 7連接，液晶顯示模塊(U6) 的控制線(xiàn) RS、R/W、E 和 RST 分別與 C8051F040 單片機(jī)(MCUl)的 1/0 口 P2. 0、Ρ2· 1、Ρ2· 2 和 Ρ2. 3連接；RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元包括RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U31/U32)MAX487、反相器 (U29) 74HC04、高速光電耦合器(U24/U25/U30) 6N137、光電耦合器(UlO) TLP521、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U23/U26)74HC123、方波發(fā)生器(U3!3)NE555、電壓跟隨器(U27)LF353和電壓比較器 (U22)LM311 ；調(diào)制通道中，RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U32)MAX487的RX經(jīng)過(guò)反相器(U29) 74HC04 反相后連接到高速光電耦合器(U30)6W37的一側(cè)，高速光電耦合器(U30)6W37的另一側(cè)連接到方波發(fā)生器(U3!3)NE555的RST和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U26)74HC123的IB ；方波發(fā)生器(U33)NE555的輸出端OUT與RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器(U31)MAX487的TX端連接；解調(diào)通道中，電壓跟隨器(U27)LF353的輸出端IOUT連接到電壓比較器(U22)LM311的V+，電壓比較器(U2》LM311的輸出端VO連接至高速光電耦合器(似4)6附37的IN，高速光電耦合器(似4)6附37的輸出端OUT連接至單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U2!3)74HC123的IB端，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 (U23)74HC123的輸出IQ與光電耦合器(UlO)TLP521連接，光電耦合器(UlO)TLP521的另一側(cè)連接至反相器(U29)74HC04，反相器(U29) 74HC04的輸出連接到RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器 (U32)MAX487的TX ；RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元與RS-485總線(xiàn)接口單元連接。
專(zhuān)利摘要一種基于C8051F040的礦用通信分站，目的是實(shí)現(xiàn)井下監(jiān)測(cè)、故障診斷和預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集中上傳；本實(shí)用新型包括微控制器單元、以太網(wǎng)接口單元、CAN總線(xiàn)接口單元、RS-485總線(xiàn)接口單元、鍵盤(pán)與液晶顯示單元和RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元；微控制器單元包括單片機(jī)、32k外部RAM、JTAG接口；以太網(wǎng)接口單元包括以太網(wǎng)控制器CP2200和集成RJ45網(wǎng)絡(luò)接口；CAN總線(xiàn)接口單元包括兩組光電耦合器TLP521、CAN控制器和CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器PCA82C250；RS-485總線(xiàn)接口單元包括三組光電耦合器TLP521和RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器MAX487；鍵盤(pán)與液晶顯示單元包括三組光電耦合器TLP521、鍵盤(pán)和液晶顯示器；RS-485信號(hào)調(diào)制解調(diào)單元包括RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器MAX487、反相器74HC04、高速光電耦合器6N137、光電耦合器TLP521、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74HC123、方波發(fā)生器NE555、電壓跟隨器LF353和電壓比較器LM311。
文檔編號(hào)G08B25/00GK202111727SQ20112006435
公開(kāi)日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月11日
發(fā)明者孫范園, 宋建成, 戰(zhàn)江波, 田慕琴, 耿蒲龍, 許春雨, 郭安林, 雷志鵬 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)