廣播系統(tǒng)是為井下的語(yǔ)音通信而設(shè)計(jì)的，主要用于煤礦調(diào)度室對(duì)井下工作人員喊話、傳遞通知、播放音樂(lè)、緊急情況通報(bào)以及引導(dǎo)科學(xué)避險(xiǎn)等工作。在通信的過(guò)程中完全采用CAN總線或者是工業(yè)以太網(wǎng)[1-2]都是很困難的。因?yàn)镃AN總線本身的優(yōu)勢(shì)在于控制功能方面，若單獨(dú)采用CAN總線傳輸語(yǔ)音數(shù)據(jù)，則會(huì)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)男史矫娲蟠蛘劭邸６I(yè)以太網(wǎng)具有傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，但單獨(dú)使用又不便于語(yǔ)音數(shù)據(jù)的傳輸控制?；谝陨蠁?wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)較為方便實(shí)用的轉(zhuǎn)換器，可以使得煤礦企業(yè)方便地使用上位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)向井下設(shè)備傳送語(yǔ)音數(shù)據(jù)，發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)各自的優(yōu)勢(shì)，打造一個(gè)高效、安全的煤礦網(wǎng)絡(luò)。
1 煤礦井下廣播系統(tǒng)介紹
    煤礦井下廣播系統(tǒng)由井上、井下兩部分組成。井上部分位于調(diào)度室，由電腦、主站（負(fù)責(zé)語(yǔ)音編碼發(fā)送）、網(wǎng)關(guān)組成；井下部分由網(wǎng)關(guān)、基站（負(fù)責(zé)語(yǔ)音的解碼播放）組成，分布于井下的工作面、掘進(jìn)面、運(yùn)輸巷等。
    工作原理：主站將PC傳來(lái)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后將編碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)CAN總線傳輸?shù)降谝粋€(gè)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)采用實(shí)時(shí)性較高的UDP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議。網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后立刻將CAN數(shù)據(jù)打包成以太網(wǎng)幀傳輸給第二個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，該設(shè)備接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)后根據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成CAN總線數(shù)據(jù)，并傳輸給掛接到CAN總線上的基站，基站再對(duì)CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并通過(guò)喇叭播放出來(lái)，這樣就完成了語(yǔ)音傳輸?shù)娜窟^(guò)程。本文主要針對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件系統(tǒng)框圖
    系統(tǒng)硬件主要由主控器、CAN收發(fā)器、以太網(wǎng)收發(fā)器、RJ45以及電源組成。系統(tǒng)主控器采用NXP的LPC2378[3]，該主控器集成1個(gè)以太網(wǎng)接口和2個(gè)CAN接口，所以只要直接外接CAN收發(fā)器和以太網(wǎng)收發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2 以太網(wǎng)接口模塊
    系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的互連，就必須配備以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)接口包括MAC控制器、物理層接口PHY、網(wǎng)絡(luò)變壓器和網(wǎng)卡插座RJ45四部分[4-5]。
    系統(tǒng)主控器件LPC2378內(nèi)部集成了MAC控制器，所以不需外接MAC控制器。此處選用的PHY為DM9161A芯片。DM9161A是10/100M以太網(wǎng)物理層接口PHY收發(fā)器，符合IEEE802.3協(xié)議，采用3.3 V供電，支持MII和RMII接口。
    網(wǎng)口插座采用RJ45插座HR911105A，它具有信號(hào)耦合、電氣隔離、阻抗匹配、抑制干擾等優(yōu)點(diǎn)。電路連接原理圖如圖2所示。

    DM9161A的RMII接口包括發(fā)送數(shù)據(jù)腳TXD[0]、TXD[1]、發(fā)送數(shù)據(jù)使能腳TXEN、接收數(shù)據(jù)腳RXD[0]、RXD[1]、接收錯(cuò)誤腳RXER、載波偵聽腳CRS、參考時(shí)鐘XT2，這些腳以及MII管理接口的管理數(shù)據(jù)時(shí)鐘腳MDC、管理數(shù)據(jù)I/O腳MDIO等均與LPC2378相連。FDX/COLLED#/OP0、SPEEDLED#/OP1、LINK/ACTLED#/OP2均屬于LED接口，分別與3個(gè)LED相連，表示了DM9161A連接的不同狀態(tài)，F(xiàn)DX/COLLED#/OP0表示正在運(yùn)行的是全雙工模式，SPEEDLED#/OP1表示連接的速率為100 Mb/s，LINK/ACTLED#/OP2表示在100 Mb/s模式時(shí)連接良好。以太網(wǎng)PHY芯片的TX+、TX-、RX+、RX-、VDD_PHY和AGND信號(hào)與RJ45相連，即與其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)變壓器相連。
2.3 CAN接口模塊
    CAN接口模塊由CAN控制器和CAN收發(fā)器兩部分組成。由于主控器LPC2378本身集成了CAN控制器，這里CAN收發(fā)器采用廣州致遠(yuǎn)電子的CTM8251，該器件具有DC 2 500 V隔離功能、熱保護(hù)、對(duì)電磁干擾具有高抗干擾性等特點(diǎn)。采用了一體化的隔離收發(fā)器，簡(jiǎn)化了電路。CAN控制器與CAN收發(fā)器電路連接如圖3所示。

    CAN收發(fā)器CTM8251采用5 V供電，它的RXD、TXD管腳分別接主控制器內(nèi)部CAN控制器的RD、TD管腳，RXD用來(lái)接收CAN總線的數(shù)據(jù)，TXD則用來(lái)發(fā)送CAN數(shù)據(jù)。該模塊預(yù)留有終端電阻的接口，當(dāng)需要接入終端電阻時(shí)使用該接口，可接入120 ?贅的終端電阻，其作用是匹配總線電阻，提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 以太網(wǎng)通信模塊
    以太網(wǎng)主要功能是接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，并將經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換好的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送出去[6-7]。
3.1.1 以太網(wǎng)通信模塊的發(fā)送
    (1)建立發(fā)送描述符
    描述符中的指針設(shè)置為指向即將發(fā)送的一個(gè)數(shù)據(jù)幀或者幀片段。描述符命令區(qū)域中的Size應(yīng)設(shè)置為片段緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)，它使用減1編碼，其他控制信息可以在描述符的控制區(qū)域中指示（interrupt、Last、CRC、Pad位）。在對(duì)描述符執(zhí)行了寫操作之后，通過(guò)將TxProduceIndex寄存器加1來(lái)將描述符移交給硬件。
    (2)TxDMA管理器讀取Tx描述符數(shù)組
    在讀取描述符之后，發(fā)送DMA引擎從存儲(chǔ)器中讀取相關(guān)的幀數(shù)據(jù)并發(fā)送。在傳輸完成之后，TxDMA管理器將狀態(tài)信息寫回狀態(tài)區(qū)域的StatusInfo和StatusHashCRC中。TxConsumeIndex的值只有在狀態(tài)信息提交給存儲(chǔ)器之后才能更新。
    (3)更新ConsumeIndex
    每當(dāng)TxDMA管理器向存儲(chǔ)器提交一個(gè)狀態(tài)字時(shí)，表明它完成了描述符的發(fā)送，并讓TxConsumeIndex加1，將描述符移交給設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件。軟件可在硬件移交完成之后重新使用描述符進(jìn)行新的發(fā)送操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件通過(guò)讀取TxConsumeIndex寄存器的值來(lái)查看發(fā)送過(guò)程進(jìn)行的程度，從而能夠了解DMA管理器的進(jìn)程。
3.1.2 以太網(wǎng)通信模塊的接收
    (1)建立接收描述符
    初始化接收描述符和狀態(tài)數(shù)組之后，必須在MAC1寄存器和控制寄存器中使能接收通道。在初始化過(guò)程中，將描述符中的每個(gè)指針設(shè)置為指向數(shù)據(jù)片段緩沖區(qū)。
    (2)RxDMA管理器讀取Rx描述符數(shù)組
    將命令寄存器中的RxEnable位置位，RxDMA管理器讀取由RxDescriptor和RxProduceIndex確定的存儲(chǔ)器地址中的描述符。被讀取的描述符大小由硬件擁有的描述符總數(shù)RxConsumeIndex-RxProduceIndex-1決定。
    (3)RxDMA管理器接收數(shù)據(jù)
    在接收了一個(gè)片段之后，RxDMA管理器將狀態(tài)信息寫回狀態(tài)數(shù)組的StatusInfo和StatusHashCRC字中。以太網(wǎng)模塊將描述符的片段緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)寫入狀態(tài)字的RxSize中。RxProduceIndex的值只在片段數(shù)據(jù)和片段狀態(tài)已提交給存儲(chǔ)器之后更新。RxDMA管理器繼續(xù)接收幀信息，直到描述符數(shù)組為滿狀態(tài)。如果描述符數(shù)組已滿，則以太網(wǎng)硬件將置位IntStatus寄存器的RxFinishedInt位，此時(shí)接收任何新數(shù)據(jù)都將產(chǎn)生溢出錯(cuò)誤和中斷。
    (4)更新ProduceIndex
    每當(dāng)RxDMA管理器提交一個(gè)數(shù)據(jù)片段和相關(guān)的狀態(tài)字給存儲(chǔ)器時(shí)，表示它已完描述符的接收，并且讓RxProduceIndex加1，將描述符移交給設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件。當(dāng)處理完接收數(shù)據(jù)時(shí)，軟件通過(guò)將描述符移交給硬件使得描述符能夠重新用于新的接收操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件通過(guò)讀取RxProduceIndex寄存器來(lái)監(jiān)視接收處理的進(jìn)度。
3.2 CAN通信模塊
3.2.1 CAN模塊發(fā)送
    發(fā)送程序負(fù)責(zé)將以太網(wǎng)傳輸來(lái)的UDP 數(shù)據(jù)包按照CAN 協(xié)議轉(zhuǎn)換后的CAN報(bào)文傳輸?shù)紺AN 總線上[8]。LPC2378集成2路CAN控制器，每個(gè)CAN控制器都有3個(gè)發(fā)送緩沖器。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)首先要查詢對(duì)應(yīng)狀態(tài)寄存器（CAN1SR或CAN2SR）；其次需要加載4個(gè)寄存器，分別是發(fā)送幀信息寄存器、發(fā)送標(biāo)識(shí)符寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器A、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器B。發(fā)送幀信息寄存器主要用來(lái)表示發(fā)送的CAN幀的長(zhǎng)度；發(fā)送表示符寄存器用來(lái)表示發(fā)送的CAN幀的標(biāo)示符，發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器A和B用來(lái)存放需要發(fā)送的CAN數(shù)據(jù)。每個(gè)寄存器可以存放4 B，所以每次發(fā)送的數(shù)據(jù)最多有8 B。最后在命令寄存器中選擇發(fā)送請(qǐng)求，并選擇相應(yīng)的發(fā)送寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)。
3.2.2 CAN模塊接收
    CAN控制器采用中斷接收數(shù)據(jù)。首先對(duì)接收的CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，若符合設(shè)定的過(guò)濾規(guī)則，則會(huì)觸發(fā)CAN中斷程序。從接收幀狀態(tài)寄存器可以讀取接收數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，在接收標(biāo)識(shí)符寄存器可以查詢到CAN總線數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)符，接收的數(shù)據(jù)則存放在數(shù)據(jù)寄存器A和接收數(shù)據(jù)寄存器B中，這兩個(gè)寄存器每個(gè)能存放4 B，所以每次最多接收8 B的CAN總線數(shù)據(jù)。
3.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)
    網(wǎng)關(guān)的基本功能是實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與CAN總線之間的通信，所以協(xié)議轉(zhuǎn)換部分是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在[9]，具體流程如圖4所示。當(dāng)CAN總線數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，首先將CAN幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、CAN標(biāo)識(shí)符、純數(shù)據(jù)提取出來(lái)組成以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)區(qū)域，并按照UDP幀格式，依次添加UDP報(bào)頭、IP報(bào)頭，隨后將打包好的IP數(shù)據(jù)傳送給以太網(wǎng)PHY器件，對(duì)其添加以太網(wǎng)幀頭并發(fā)送至以太網(wǎng)。當(dāng)有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成CAN數(shù)據(jù)時(shí)，只要將上述打包順序反過(guò)來(lái)就可以了，依次是：去除IP報(bào)頭，去除UDP報(bào)頭，將純數(shù)據(jù)交由CAN控制器發(fā)送至CAN總線上。

    本系統(tǒng)是基于煤礦井下的語(yǔ)音通信而設(shè)計(jì)的，選擇集成了2路CAN控制器和1路以太網(wǎng)控制器的LPC2378為主控制器，采用實(shí)時(shí)性較高的UDP協(xié)議，有效地解決了在語(yǔ)音通信的過(guò)程中單獨(dú)采用CAN總線數(shù)據(jù)傳輸效率低下、而單獨(dú)采用工業(yè)以太網(wǎng)不便于語(yǔ)音傳控制的問(wèn)題。
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