姚超修

摘要：針對(duì)煤礦現(xiàn)有井下光端機(jī)設(shè)備接口種類單一、數(shù)量不足等問題，設(shè)計(jì)了一款礦用多接口光端機(jī)。該光端機(jī)接口種類及數(shù)量均可根據(jù)需求靈活配置，包括2個(gè)以太網(wǎng)電口、2個(gè)以太網(wǎng)光口以及4個(gè)可配置為RS458接口、CAN接口或以太網(wǎng)電口的復(fù)用端口。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該光端機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，使用方便。

關(guān)鍵詞：礦用光端機(jī)；IP178CH；LPC812；SMI串行管理接口

中圖分類號(hào)：TD655 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）21-0057-02

煤炭工業(yè)安全健康可持續(xù)發(fā)展離不開煤礦自動(dòng)化與信息化，自動(dòng)化與信息化在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障[1]。礦用光端機(jī)是煤礦井下信息傳輸?shù)母咚偻ǖ?，承?dān)了煤礦井下各類監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)和視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)，是煤礦自動(dòng)化與信息化的必要設(shè)備。一般井下光端機(jī)設(shè)備均具有以太網(wǎng)光口、電口及其他總線接口等，但隨著井下接入系統(tǒng)及設(shè)備的增加，存在接口種類單一，數(shù)量不足等缺點(diǎn)。為此，設(shè)計(jì)了一款接口數(shù)量多、接口類型豐富的可管理型礦用光端機(jī)，滿足了煤礦井下不同系統(tǒng)和不同接口設(shè)備的接入需求。

1 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)光端機(jī)主要由IP178CH交換機(jī)芯片、LPC812管理芯片、RS485聯(lián)網(wǎng)模塊、CAN聯(lián)網(wǎng)模塊以及其他輔助模塊構(gòu)成。IP178CH提供了以太網(wǎng)電口和以太網(wǎng)光口，其中4路以太網(wǎng)電口可通過RS485/CAN聯(lián)網(wǎng)模塊轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的RS485/CAN接口。LPC812為控制管理芯片，是控制主機(jī)與交換機(jī)芯片之間的橋梁[2]，實(shí)現(xiàn)控制主機(jī)對(duì)光端機(jī)的管理。其中LPC812控制芯片通過P0.12、P0.13兩個(gè)IO口模擬SMI接口連接到IP178CH的MDC、MDIO口。設(shè)計(jì)光端機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 IP178CH交換機(jī)芯片

本文設(shè)計(jì)光端機(jī)采用IC Plus公司推出的IP178CH交換芯片，該芯片集成了8個(gè)10/100Mbps以太網(wǎng)口加一個(gè)MII/RMII口。其主要功能為：

1）芯片采用先進(jìn)的0.18um設(shè)計(jì)工藝，使芯片具有很高的抗噪性和魯棒性。

2）支 持 基 于 端 口 的 VLAN 和tag VLAN，用戶可以針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)端口進(jìn)行區(qū)域劃分，方便對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和管理。

3）支持廣播風(fēng)暴保護(hù)、端口流量控制、端口鎖定等。

4）支持STP（生成樹協(xié)議），消除網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路，避免由于環(huán)路的存在而造成廣播風(fēng)暴問題。

光端機(jī)設(shè)計(jì)中使用了IP178CH芯片中8個(gè)10/100Mbps以太網(wǎng)口，其中Port0、Port1口經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)變壓器隔離后直接輸出為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電口。Port2-Port5口經(jīng)過RS485/CAN聯(lián)網(wǎng)模塊后轉(zhuǎn)換為4路RS485/CAN總線接口，或者直接輸出4路以太網(wǎng)電口。通過控制芯片上FXSD6和FXSD7引腳，Port6、Port7信號(hào)經(jīng)過百兆光模塊后輸出為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)光口。

IP178CH芯片還支持SMI管理功能，控制芯片通過SMI接口可以訪問IP178CH芯片內(nèi)部MII寄存器，并通過這些寄存器來對(duì)IP178CH芯片進(jìn)行控制和管理。

1.2 LPC812控制芯片

本文選用LPC812型ARM作為交換機(jī)的管理芯片。該芯片是恩智浦公司推出的采用ARM?CortexTM M0+內(nèi)核的32位低功耗微處理器，運(yùn)行頻率高達(dá)30MHz。芯片采用TSSOP20低引腳封裝，其體檢小巧，功能強(qiáng)大，支持16KB片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器、1路I2C總線接口、最多3路UART接口等。光端機(jī)設(shè)計(jì)中主要用到該芯片的UART接口及GPIO口等。

LPC812控制芯片與IP178CH交換芯片的通信主要通過SMI接口來實(shí)現(xiàn)，SMI將LPC812控制芯片與IP178CH交換芯片相連，從而控制收發(fā)器。SMI接口稱為串行管理接口，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制，由2路信號(hào)：MDC和MDIO組成，它允許外部具有SMI主時(shí)鐘的設(shè)備控制來控制PHY層狀態(tài)和內(nèi)部寄存器[3]。

GPIO口中P0.12、P0.13用來模擬SMI接口，通過軟件模擬SMI接口的讀寫時(shí)序來實(shí)現(xiàn)對(duì)IP178CH片內(nèi)控制寄存器的訪問。UART接口經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為RS232接口，該RS232接口作為與控制主機(jī)的通信接口，接收控制主機(jī)發(fā)來的配置命令。LPC812接收到控制命令并解析后，通過模擬SMI接口實(shí)現(xiàn)對(duì)IP178CH芯片片內(nèi)寄存器的讀取或?qū)懭搿?/p>

1.3 RS485聯(lián)網(wǎng)模塊

RS485連網(wǎng)模塊可以完成以太網(wǎng)電信號(hào)與RS485信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，使得具備RS485接口的設(shè)備也可以輕松聯(lián)網(wǎng)[4]。其工作模式可設(shè)置為實(shí)串口（Real Com）、TCP Client、TCP Server、和UDP等，滿足用戶的不同需求。

1.4 CAN連網(wǎng)模塊

CAN連網(wǎng)模塊內(nèi)部集成了1路CAN接口和1路以太網(wǎng)電信號(hào)接口，并自帶TCP/IP 協(xié)議棧，利用它可以完成CAN網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的互聯(lián)互通。其工作模式可設(shè)置為TCP Server、TCP Client、 UDP等。

光端機(jī)采用插槽式設(shè)計(jì)，一個(gè)插槽位置即可供CAN聯(lián)網(wǎng)模塊使用，也可供RS485聯(lián)網(wǎng)模塊使用。若插入CAN聯(lián)網(wǎng)模塊，則可把IP178CH輸出的以太網(wǎng)電口轉(zhuǎn)換為CAN接口；若插入RS485聯(lián)網(wǎng)模塊，則可把IP178CH輸出的以太網(wǎng)電口轉(zhuǎn)換為RS485接口；若CAN聯(lián)網(wǎng)模塊和RS485模塊均不插入，則此口還可作為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電口輸出。這樣設(shè)計(jì)既節(jié)省了光端機(jī)電路板尺寸，又可根據(jù)實(shí)際需求靈活配置RS485和CAN總線接口的數(shù)量，方便使用。

本次設(shè)計(jì)將IP178CH的Port2-Port5口靈活配置為RS485或CAN或以太網(wǎng)電口，為復(fù)用端口。其他Port0、Port1口固定為以太網(wǎng)電口，Port6、Port7口固定為以太網(wǎng)光口。Port2-Port5口復(fù)用情況如下圖2所示。

2 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

光端機(jī)軟件主要運(yùn)行于LPC812控制芯片上，完成控制主機(jī)與交換芯片之間的命令接收、解析、下發(fā)任務(wù)。LPC812控制芯片與控制主機(jī)的串口通信采用了菜單式設(shè)計(jì)，直觀明了，便于操作。其中主菜單包括配置參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)復(fù)位及恢復(fù)出廠設(shè)置等。而配置菜單下面又包括通用控制寄存器、端口控制寄存器、基于端口的VLAN劃分、Tag-VLAN劃分等。

LPC812控制芯片接收到控制主機(jī)發(fā)送來的控制命令后，首先解析是讀取幀還是配置幀。若為讀取幀，則LPC812控制芯片通過SMI接口讀取IP178CH交換芯片寄存器后返回給控制主機(jī)。若是配置幀，則首先將幀內(nèi)配置信息存入片內(nèi)Flash，然后再通過SMI接口下發(fā)給IP178CH交換芯片。同時(shí)，每次在光端機(jī)上電時(shí)，LPC812控制芯片還需要把Flash內(nèi)保存的配置信息讀出，并下發(fā)給IP178CH，保證光端機(jī)每次重新啟動(dòng)后按照之前配置繼續(xù)運(yùn)行。

本設(shè)計(jì)軟件主程序流程圖如下圖3。

3 結(jié)語

介紹了一種礦用多接口光端機(jī)的設(shè)計(jì)，其主交換芯片采用了IP178CH，控制芯片采用了LPC812，并實(shí)現(xiàn)了簡單網(wǎng)絡(luò)管理功能。本光端機(jī)包括2個(gè)以太網(wǎng)光口、2個(gè)以太網(wǎng)電口以及4個(gè)可以配置為以太網(wǎng)電口或RS485接口或CAN接口的復(fù)用接口。用戶可根據(jù)現(xiàn)場需求，靈活配置各接口數(shù)量，方便使用。

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