自动化开题报告

时间：2023-03-26 05:27:28 开题报告我要投稿

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自动化开题报告

题目：基于以太网的矿用通信分机的设计

自动化开题报告

　　一、本课题的研究目的和意义

　　随着我国煤矿行业整体的技术进步，机械化、自动化、信息化等方面的发展，特别是井下综采机、数字化自动控制设备越来越多地投入到生产当中，功能完善的井下通信系统变得越来越重要了。如果没有好的通信系统，那么就会产生信息孤岛问题。现代化的设备，其数字化程度非常高，如果没有现代化的通信网络支持，其效能就不会得到最大的发挥。因此，研究现代煤矿井下通信系统的特点及其发展趋势非常重要，这对于指导煤矿信息化工作有着直接的意义。随着我国研究PIC技术的发展，对通信技术的要求也越来越高，本课题针对井下工作通信不畅这一情况，对井下通信系统进行研究。矿井通信系统是煤矿安全生产调度、安全避险和应急救援的必要工具，基于以太网的矿用通信分机的研究可以实现矿井下的通信及数据传输，将顶板压力测试数据及离层分析数据传输到井上，使管理者能更好的安排井下工作。通过此通信分机，可以提高矿井工作效率，增加煤矿的产量，保证工作人员的安全。

　　二、本课题的主要研究内容(提纲)

　　该基于以太网的矿用通信系统可以实现的功能有：将上一级对顶板压力进行检测，离层分析的检测数据通过RS-485总线的通信接口传给带有以太网的PIC18F97J60系列的单片机进行数据处理与传递，数据存储在AT24C512中，PIC18F97J60含有以太网通信模块，通过光纤交换机，把数据传到井上监控中心。此外还接有简单按键和128×64的液晶显示器组成的人机接口，以便于设置井下系统。在用RS-485总线传输时，需要用到MAX485，它是用于RS-485通信的低功耗收发器。MAX485的驱动器摆率不受限制, 可以实现最高2.5Mbps的传输速率。驱动器具有短路电流限制，接收器输入具有失效保护特性;传输过程中，为了增加通信距离有效地抑制系统噪声，需在RS-485基础上加上光电隔离;对数据的存储采用AT24C512,它是512K位(64K×8位) 大容量电可擦的可编程存储器的EEPROM，符合双向数据传送I2C协议，具有硬件写保护和软件数据保护功能;为实现对数据的实时采集以及对监测装置的校时功能，采用PCF8563实时时钟电路，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，地址和数据通过I2C总线接口串行传递到单片机，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量，为单片机再次写入数据做准备;电源采用LM317三端可调节输出正电压稳压器作为通信分机的供电电源，其输出电压为1.2V-37V能够提供超过1.5A的电流，此外还是用内部限流、热关断和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝，在此系统中，要求供电电压为3.3V;单片机采用带有以太网的PIC18F97J60单片机，它继承了PIC18单片机的传统优点(即出色的计算性能、丰富的功能集)，它的所有器件可提供5个不同的振荡器选项，内部振荡器模块还提供了一个稳定的参考源，增加了故障保护时钟监视器、双速启动功能以使器件更安全地工作，它还能够进行SPI 和I2C (主和从)模式操作。

　　三、文献综述(国内外研究情况及其发展)

　　通过通信方式传送数据信息, 其历史可追溯到20世纪20年代;到20世纪代, 低频高压电力线通信技术已广泛用于监控、远程指示、设备保护以及语音传输域;20 世纪 50年代后至 90年代早期的 30 多年, 电力线载波通信开始应用在中压压电网上, 其开发工作主要集中在电力线自动抄表、电网负载控制和供电管理等领0 世纪90年代后期至今, 电力线载波通信开始研发Internet应用产品, 并取得试验。党的十七*报告指出要发展现代产业体系，大力推进信息化与工业化融合。

　　在数据采集系统中，终端数据到中心处理系统的传输在现在的技术可以选用以下几种方式：无线传输、电力线载波、公众电话网传输和Internet传输。通常按照传输方式的不同，将数据采集传输系统分为以下几类：无线数据采集系统、基于电力载波的数据采集系统、基于嵌入式Internet技术的数据采集系统和基于公共电话网的数据采集系统。

　　近年来，煤矿井下机械化数字化设备越来越多，安全生产的要求越来越严格，必然地要求提高井下的信息化程度。各种传感器、控制设备越来越多，那么，是每种要求单独铺设一套通信系统，还是用一个综合的通信系统完成所有的信息传输工作就成为一个重要的问题。从实用性和成本控制的角度去考虑，宽带的、综合的通信能力是未来井下通信系统所必须具备的，其关键点在：

　　1、数据、语音、图像同时传输能力，将来还有控制信息的传输

2、光纤、电缆、无线的综合使用

3、使用TCP/IP协议

　　随着煤炭工业的发展，井下通信设备和井下通信技术也得到了相应的发展，基于以太网的矿用通信分机的设计就显得非常重要。煤矿现代化水平的不断提高，信息化矿井的不断完善，使通讯装备的配置越来越引起人们的关注，原有的通讯设施越来越满足不了工业生产的需求，于是各种各样的通信方式成为人们关注的焦点，更高更新的通讯技术成为人们竞相追逐的目标。国内煤矿通信采用全双工通信技术, 交换机端口间两根光纤可以同时接收和发送报文帧, 这样任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞, 冲突域也就不复存在。通过降低网络负载和提高网络传输速率, 可以使传统共享式工业以太网上的碰撞大大降低。

　　随着电子技术的迅速发展，单片机在工业中的应用日益广泛，使控制由原来的人工记录变为现在的计算机自动记录、自动控制。尤其是单片机的迅猛发展，使单片机能够使用到我们的日常生活中。单片机将中央处理器、程序储存器、定时器/计数器、并行串行输入输出口和中断部件等单元集成在一个芯片上，使系统的体积缩小，价格便宜，性能可靠，并且PIC18系列单片机内部含有以太网控制器，以太网的优点有：应用广泛，它是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如Visual C++、Java、Visual Basic等都支持以太网的应用开发;通信速率高，目前，10、100 Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s(如西门子Profibus-DP)。显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求;资源共享能力强，随着Internet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联人互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的;可持续发展潜力大，以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投入，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足。

　　一方面，通信基本理论告诉我们，宽带综合系统比之窄带系统(或单一功能系统)，在保证同等通信质量的前提下，其所需要的能量更多;可是另一方面，设备本安设计的要求是：“使用的能量要越低越好，要低到某个限制值以下”。这时候矛盾就显现出来了，设备又要设计成本安又要设计成宽带，又要能量高才行又必须低于某个限制值，这个矛盾非常尖锐。解决这个矛盾对于工程技术人员来说是个非常大的挑战，在未来几年中这个挑战都将一直存在，所有开发煤矿井下通信系统的工程师都会碰到这个问题。

　　四、拟解决的关键问题

　　1、RS-485通信问题

　　将检测数据通过RS-485总线的通信接口传输过程中，为了增加通信距离有效地抑制系统噪声，降低误码率，需在RS-485基础上加上光电隔离，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比，可以大大增加计算机工作的可靠性。

　　2、通信协议的建立

　　在计算机数据传输领域内,长期以来使用RS-232 通信标准,但它却是一种低数据速率和点对点的数据传输，并且传输距离较短，无法很好满足矿用设备的要求，因此本系统采用传输距离较长且可以多点通讯的RS-485通讯标准。与通信分机通信稳定程度决定了此监控系统的完整性、可靠性，利用RS-485通信的稳定性问题是需要解决的关键问题。

　　3、TCP/IP协议栈的建立和实现

　　TCP/IP协议栈的建立，即要实现了ARP、IP、TCP及UDP等功能，在单片机

　　内实现TCP/IP协议时，应从四个方面考虑其是否合理：是否提供易用的底层硬件API。即与硬件平台的无关性;占用的系统资源是否在可接受范围内;对于应用系统的支持程度;是否有裁减优化的空间。

　　4、以太网通信的硬件连接

要使以太网通信顺畅，连接方便，单片机PIC18F97J60通过I2C总线连接时钟电路PCF8563(实现对数据的实时采集以及对监测装置的校时功能)、AT24C512(实现数据的存储)、LM317(三端可调节输出正电压稳压器作为通信分机的供电电源)等硬件。

　　5、电源管理

　　电源电路是系统中不可缺少的一个环节，系统采用矿用防爆兼不间断电源供电。它的工作原理为127V交流电源经由变压器降压后经整流、滤波及稳压等环节，输出稳定的5V及3.3V直流电压。由于是在井下作业，整个电路采用本安型电路设计，确保设备的安全工作。

　　6、人机界面的实现

　　为能使用户进行人机操作，方便用户控制，所以装有简单按键和128×64的液晶显示器组成的人机接口，以便于设置井下系统。

　　五、研究思路和方法

　　本次设计使用了以内置以太网控制器的PIC18F97J60系列的单片机为控制核心，对顶板压力监测及离层分析数据进行处理、存储和传送。数据存储在AT24C512中，单片机通过I2C总线接口连接时钟电路PCF8563，通过接口连接网线，再经过交换机，从而把数据传到井上监控中心。此外还连接有简单按键实现对时钟电路及其他器件的控制，128×64的显示器，以供方便控制器件的运行修改，通过单片机进行数据分析，这样周而复始的巡检，从而实时监测压力等数据变化。本系统自动化程度较好，控制精度较高。

　　六、本课题的进度安排

　　第三周：课题分析

　　第四周：开题报告

　　第五、六周：方案论证

　　第七、八周：硬件电路的设计

　　第九、十周：软件系统设计

　　第十一、十二周：电路调试

　　第十三、十五周：毕业设计说明书

　　第十六周：准备毕业答辩

　　七、参考文献

　　[1] 杨卫英,郑国莘,温涛.以太网在矿用传感器通信中的应用煤矿设计[J] .煤矿设计,1996(10)：78-81.

　　[2] 孙继平,李济生,雷淑英.煤矿井下无线通信传输信号最佳频率选择[N]. 辽宁工程技术大学学报，2005-3-26(8).