摘要：設計了一種用于煤礦井下的工業以太網交換機，給出了硬件和軟件設計的基本原理，在煤礦井下首次實現了寬帶數據通信。

關鍵詞：礦井；工業以太網；交換機；監測監控

0 引言

對煤礦生產中的各個生產與保障環節的主要參數進行各種各樣的監測與控制是煤礦安全生產的重要保障。在我國，傳統的監測監控系統主要有KJ4系統、KJ90系統、KJ95系統等，這些監測監控系統基本上都采用集散系統結構，一般由現場測控分站和控制中心主站組成。雖然這些監測監控系統在我國煤炭安全監測監控領域曾經發揮了巨大作用，但隨著煤礦生產的發展和自動化程度的不斷提高，這些系統固有的傳輸速率低、缺乏統一的通信協議標準和網絡結構等缺陷已經不能適應建設高產高效現代化礦井的需要。現代煤礦生產必須改造傳統的功能單一的生產、安全調度指揮系統，建立一個數字化的網絡信息平臺，實現礦井乃至全礦區的信息化和綜合自動化。煤礦急需新的技術，以帶動全礦綜合自動化程度的提高，促進煤礦生產向高產高效方向發展。

1 工業以太網簡述

與包括現場總線在內的其它控制網絡相比，以太網具有應用廣泛、成本低廉、通信速率高、軟硬件資源豐富、可持續發展潛力大等諸多優點，在技術、速度和價格等許多方面都有著其它網絡無可比擬的優勢。隨著以太網性能的提高和解決以太網實時性問題的技術不斷推出，將以太網應用于工業現場將是工業控制領域的必然選擇。

目前，工業以太網在地面上已經有實際應用。國家煤礦安全監察局有關領導和專家在新近舉行的制定《煤礦安全監測監控系統安全條件》研討會上提出，使用工業以太網作為井下的主干傳輸網絡、現場總線作為連接傳感器等現場設備的網絡，應當是近期內礦井傳輸網絡的研究重點和建設方向。可以預見，工業以太網也將是未來礦井寬帶通信網絡建設的必然選擇。

礦用工業以太網交換機是用于建設煤礦井下工業以太網的產品，設計中采用了高性能以太網交換機芯片和網絡處理器芯片，具有工業級的可靠性和實時性，能滿足在井下惡劣環境中長期、穩定工作的需要。

2 硬件設計

礦用工業以太網交換機的設計分硬件設計和軟件設計2個部分。硬件設計符合《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產品通用技術要求》和《爆炸性環境用防爆電氣設備本質安全型電路和電氣設備要求》等技術標準，電路從功能上可分為2個部分：以KS8999芯片為主的交換電路部分和以$3C4510B芯片為主的控制電路部分，系統框圖如圖1所示。

其中KS8999芯片是一款高性能以太網交換機芯片，負責各個端口之間的數據包轉發，芯片背板帶寬高達2Gbps，包含8個10M/100M自適應以太網接口和1個10M／100M的MII接口，另外有8組LED指示燈接口，可以用于指示端口的連接、速率、沖突等狀態，便于監視交換機各端口的運行情況。

$3C4510B芯片為網絡處理器芯片，其內部使用ARM7處理器內核，主頻為50MHz。網絡處理器芯片也包含1個MII接口，交換機芯片與控制芯片之間通過該接口連接，完成2個芯片之間的數據交換。通過控制芯片可以啟動各種服務程序，如串口服務器、WebServer等，以使用戶很方便地通過網絡或其它方式管理和控制交換機。芯片上的JTAG接口用于在開發過程中在線監視程序運行情況，并在設計完成后，將程序寫入FIASH。KS8999和$3C4510B芯片的核心電壓分別為+2V和+3.3V。

因為高速線路板對電源紋波特性有較高要求，一般在芯片的電源輸入端，紋波不能大于電源電壓的5，因此選擇較為常用的+5V電源輸入，使用2個性能可靠的可變輸出電源模塊MIC29302，可輸出紋波很小的+2V和+3.3V穩定電壓。

PulseH1164是以太網物理層隔離變壓器芯片，提供4路以太網接口，主要作用是濾波和隔離。EEPROM是一個128B的存儲器芯片，存儲了交換機的各種配置信息，如VIAN、端口優先級、端口速率等。交換機在上電或復位時，會通過存儲器接口讀取EEPROM中的信息，完成交換機的基本功能設定。另外，EEPROM也通過IIC總線與控制芯片$3C4510B連接，這樣，控制芯片可以通過讀寫EEPROM中的數據實現對交換機功能的管理和控制。

2MB的FLASH是閃速存儲器芯片，用于存儲軟件程序。考慮到FIASH的讀寫速度相對較慢，交換機上電或復位時，FIASH中的程序會自動加載到容量為4MB的SDRAM中執行，以提高運行速度。

3 軟件設計

在硬件設計并調試完成的基礎上，需要編寫軟件以對交換機進行管理和控制，實現VIAN劃分、端口優先級設置等功能。系統軟件通過網絡處理器芯片的JTAG接口寫入FIASH芯片中。在交換機上電啟動后，軟件程序自動加載到SDRAM中運行。軟件主要分為3個部分：IIC總線控制程序、webServer程序、串口服務器程序。

3.1 IIC總線控制程序

IIC總線控制程序是實現各種控制程序的基礎，網絡處理器芯片$3C4510B即是通過該程序讀寫EEPROM，從而對交換機進行各種配置，webServer和VT100都需要調用IIC總線程序，將用戶所填寫的控制信息寫入EEPROM，或者讀取EEP—ROM的內容以了解交換機的工作狀態。

3.2WebServer程序

啟動webServer服務后。用戶可以在服務器上通過IE瀏覽器對交換機進行管理和控制，方便而且直觀地實現各種控制功能，并可以查看交換機的工作情況。為防止未知用戶對交換機隨意改動，程序設定需要登錄才能訪問交換機，修改數據。

3.3串口服務器程序

為方便在設備安裝之前對交換機進行一些基本的設定，設計了串行接口電路，用戶可以使用串行總線連接交換機與工業控制計算機，通過交換機的超級終端程序訪問交換機，并配置其IP地址等參數。

4 防爆設計

由于井下環境極其惡劣，所以除了在硬件設計的時候需要考慮電路板的電氣特性以外，還需要設計交換機的防爆外殼。

外殼的設計參照《煤礦安全規范》、《煤礦設計規范》、《爆炸性環境用防爆電氣通用設備要求》、《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產品通用技術要求》、《爆炸性環境用防爆電氣設備本質安全型電路和電氣設備要求》等技術標準，要求產品能夠通過振動、沖擊、淋水、濕熱、高低溫工作、電壓波動等1O多項安全檢測，確保能夠安全運行在井下有爆炸性氣體的環境中。

5 應用方案

通過井下阻燃光纜或阻燃五類線，礦用工業以太網交換機可以直接和各種支持工業以太網標準的分站、攝像儀、集控系統等設備連接，或者通過接入網關設備，將不支持以太網標準的監測監控系統接入交換機。井下應用方案如圖2所示 。

6 結語

礦用工業以太網交換機是新型的煤礦井下通信產品，支持標準的TCP／IP協議和IEEE802．3u協議。

編輯：陳東