基于IP178CH的矿用多接口光端机设计

姚超修

摘要：针对煤矿现有井下光端机设备接口种类单一、数量不足等问题，设计了一款矿用多接口光端机。该光端机接口种类及数量均可根据需求灵活配置，包括2个以太网电口、2个以太网光口以及4个可配置为RS458接口、CAN接口或以太网电口的复用端口。实际应用结果表明，该光端机运行稳定，使用方便。

关键词：矿用光端机；IP178CH；LPC812；SMI串行管理接口

中图分类号：TD655 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）21-0057-02

煤炭工业安全健康可持续发展离不开煤矿自动化与信息化，自动化与信息化在煤矿安全生产中发挥着重要作用，是煤矿安全生产的重要保障[1]。矿用光端机是煤矿井下信息传输的高速通道，承担了煤矿井下各类监测监控数据、语音数据和视频图像数据的传输任务，是煤矿自动化与信息化的必要设备。一般井下光端机设备均具有以太网光口、电口及其他总线接口等，但随着井下接入系统及设备的增加，存在接口种类单一，数量不足等缺点。为此，设计了一款接口数量多、接口类型丰富的可管理型矿用光端机，满足了煤矿井下不同系统和不同接口设备的接入需求。

1 硬件设计实现

本文设计光端机主要由IP178CH交换机芯片、LPC812管理芯片、RS485联网模块、CAN联网模块以及其他辅助模块构成。IP178CH提供了以太网电口和以太网光口，其中4路以太网电口可通过RS485/CAN联网模块转换成标准的RS485/CAN接口。LPC812为控制管理芯片，是控制主机与交换机芯片之间的桥梁[2]，实现控制主机对光端机的管理。其中LPC812控制芯片通过P0.12、P0.13两个IO口模拟SMI接口连接到IP178CH的MDC、MDIO口。设计光端机硬件结构如图1所示。

1.1 IP178CH交换机芯片

本文设计光端机采用IC Plus公司推出的IP178CH交换芯片，该芯片集成了8个10/100Mbps以太网口加一个MII/RMII口。其主要功能为：

1）芯片采用先进的0.18um设计工艺，使芯片具有很高的抗噪性和鲁棒性。

2）支 持 基 于 端 口 的 VLAN 和tag VLAN，用户可以针对不同的应用对端口进行区域划分，方便对网络进行控制和管理。

3）支持广播风暴保护、端口流量控制、端口锁定等。

4）支持STP（生成树协议），消除网络中的环路，避免由于环路的存在而造成广播风暴问题。

光端机设计中使用了IP178CH芯片中8个10/100Mbps以太网口，其中Port0、Port1口经过网络变压器隔离后直接输出为标准以太网电口。Port2-Port5口经过RS485/CAN联网模块后转换为4路RS485/CAN总线接口，或者直接输出4路以太网电口。通过控制芯片上FXSD6和FXSD7引脚，Port6、Port7信号经过百兆光模块后输出为标准的以太网光口。

IP178CH芯片还支持SMI管理功能，控制芯片通过SMI接口可以访问IP178CH芯片内部MII寄存器，并通过这些寄存器来对IP178CH芯片进行控制和管理。

1.2 LPC812控制芯片

本文选用LPC812型ARM作为交换机的管理芯片。该芯片是恩智浦公司推出的采用ARM?CortexTM M0+内核的32位低功耗微处理器，运行频率高达30MHz。芯片采用TSSOP20低引脚封装，其体检小巧，功能强大，支持16KB片内Flash存储器、1路I2C总线接口、最多3路UART接口等。光端机设计中主要用到该芯片的UART接口及GPIO口等。

LPC812控制芯片与IP178CH交换芯片的通信主要通过SMI接口来实现，SMI将LPC812控制芯片与IP178CH交换芯片相连，从而控制收发器。SMI接口称为串行管理接口，广泛应用于网络设备的控制，由2路信号：MDC和MDIO组成，它允许外部具有SMI主时钟的设备控制来控制PHY层状态和内部寄存器[3]。

GPIO口中P0.12、P0.13用来模拟SMI接口，通过软件模拟SMI接口的读写时序来实现对IP178CH片内控制寄存器的访问。UART接口经过电平转换后转换为RS232接口，该RS232接口作为与控制主机的通信接口，接收控制主机发来的配置命令。LPC812接收到控制命令并解析后，通过模拟SMI接口实现对IP178CH芯片片内寄存器的读取或写入。

1.3 RS485联网模块

RS485连网模块可以完成以太网电信号与RS485信号的相互转换，使得具备RS485接口的设备也可以轻松联网[4]。其工作模式可设置为实串口（Real Com）、TCP Client、TCP Server、和UDP等，满足用户的不同需求。

1.4 CAN连网模块

CAN连网模块内部集成了1路CAN接口和1路以太网电信号接口，并自带TCP/IP 协议栈，利用它可以完成CAN网络和以太网的互联互通。其工作模式可设置为TCP Server、TCP Client、 UDP等。

光端机采用插槽式设计，一个插槽位置即可供CAN联网模块使用，也可供RS485联网模块使用。若插入CAN联网模块，则可把IP178CH输出的以太网电口转换为CAN接口；若插入RS485联网模块，则可把IP178CH输出的以太网电口转换为RS485接口；若CAN联网模块和RS485模块均不插入，则此口还可作为标准以太网电口输出。这样设计既节省了光端机电路板尺寸，又可根据实际需求灵活配置RS485和CAN总线接口的数量，方便使用。

本次设计将IP178CH的Port2-Port5口灵活配置为RS485或CAN或以太网电口，为复用端口。其他Port0、Port1口固定为以太网电口，Port6、Port7口固定为以太网光口。Port2-Port5口复用情况如下图2所示。

2 软件设计实现

光端机软件主要运行于LPC812控制芯片上，完成控制主机与交换芯片之间的命令接收、解析、下发任务。LPC812控制芯片与控制主机的串口通信采用了菜单式设计，直观明了，便于操作。其中主菜单包括配置参数设置、系统复位及恢复出厂设置等。而配置菜单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划分、Tag-VLAN划分等。

LPC812控制芯片接收到控制主机发送来的控制命令后，首先解析是读取帧还是配置帧。若为读取帧，则LPC812控制芯片通过SMI接口读取IP178CH交换芯片寄存器后返回给控制主机。若是配置帧，则首先将帧内配置信息存入片内Flash，然后再通过SMI接口下发给IP178CH交换芯片。同时，每次在光端机上电时，LPC812控制芯片还需要把Flash内保存的配置信息读出，并下发给IP178CH，保证光端机每次重新启动后按照之前配置继续运行。

本设计软件主程序流程图如下图3。

3 结语

介绍了一种矿用多接口光端机的设计，其主交换芯片采用了IP178CH，控制芯片采用了LPC812，并实现了简单网络管理功能。本光端机包括2个以太网光口、2个以太网电口以及4个可以配置为以太网电口或RS485接口或CAN接口的复用接口。用户可根据现场需求，灵活配置各接口数量，方便使用。

参考文献：

[1]孙继平. 煤矿自动化与信息化技术回顾与展望[J]. 工矿自动化，2010（6）：26-30.

[2]徐杰. 可管理型交换机及其配置软件的设计[J]. 工矿自动化，2012（8）：21-25.

[3]杨素萍，张远峰. SMI接口在MSP430x1xx系列单片机系统中的实现[J]. 北京工商大学学报（自然科学版），2009（2）：64-67.

[4]吴建忠. KJJ31型矿用环网接入器在煤矿井下的应用[J]. 工矿自动化，2007（1）：83-84.