基于CAN總線的液壓支架壓力傳感器自動化系統(tǒng)的設(shè)計

劉遠志，潘宏俠，閆 磊，趙潤鵬

（中北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，山西 太原 030051）

隨著采煤技術(shù)的發(fā)展，液壓支架的控制系統(tǒng)得到了長足的發(fā)展,控制系統(tǒng)逐漸由原來的手動操作改進為自動控制。每臺液壓支架在其立柱下腔裝有一個壓力傳感器,實時監(jiān)測立柱下腔內(nèi)液體壓力的變化,以此來了解液壓支架與頂板的相互作用情況，同時判斷支架是否處于良好的工作狀態(tài)。

壓力檢測是液壓支架電液控制的重要基礎(chǔ)之一。在支架立柱下腔安裝壓力傳感器，獲取液體壓力變化的電壓信號，通過單片機對電壓信號進行采集和處理，并與系統(tǒng)總線通訊，進一步將信號送入中央控制室，以利于控制室及時有效的監(jiān)視及控制。

本文從智能傳感器設(shè)計的各個環(huán)節(jié)入手，致力于設(shè)計一款能適應(yīng)煤礦井下環(huán)境的液壓支架壓力傳感器，以適應(yīng)現(xiàn)代煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展需求，提高監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)控功能。

1 智能壓力傳感器的選擇

煤礦用液壓支架的壓力測量范圍在1~100MPa之間，如果考慮到破壞壓力與壓力量程之間的關(guān)系，則要求傳感器要能承受近乎400MPa的壓力。壓阻式壓力傳感器有著輸出阻抗低、可進行動靜態(tài)測量、輸出信號大及精度高等獨有的優(yōu)點。壓阻式傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出?；谝陨弦蛩乜紤]，提出以下技術(shù)指標(biāo)：壓力量程:0～100MPa；過載能力:1.5倍額定壓力；破壞壓力:4倍額定壓力；精度:1.0級；供電電壓:5V.DC。

經(jīng)計算，本設(shè)計中MC傳感器有限公司MPM281系列壓阻敏感元件中的MPM28110。

2 CAN的硬件設(shè)計

通常每個CAN模塊能夠被分成不同的功能塊，SJA1000用最優(yōu)化的CAN收發(fā)器連接到CAN總線，收發(fā)器控制從CAN控制器到總線物理層或相反的邏輯電平信號。上面一層是一個CAN控制器，它執(zhí)行在CAN規(guī)范里規(guī)定的完整的CAN協(xié)議。它通常用于報文緩沖和驗收濾波。而所有這些CAN功能都由一個模塊控制器控制，它負(fù)責(zé)執(zhí)行應(yīng)用的功能。例如，控制執(zhí)行器、讀傳感器和處理人—機接口（MMI）。如圖1所示，SJA1000獨立的CAN控制器通常位于微型控制器和收發(fā)器之間，大多數(shù)情況下這個控制器是一個集成電路。

圖1 SJA1000獨立的CAN模塊裝置

節(jié)點微控制器選用單片機AT89S52,CAN接口由獨立控制器SJA1000和CAN控制器接口芯片82C250組成。SJA1000在軟件上和引腳上都是與它的前款PCA82C200獨立控制器兼容的，并增加了許多新功能:標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和擴展幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且這兩種幀格作為式都具有單/雙接收過濾器;64字節(jié)的接收FIFO;可讀寫訪問的錯誤計數(shù)器和錯誤限制報警以及只聽方式等等。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口。CAN網(wǎng)絡(luò)接口見圖2。

圖2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口圖

從圖2可知，CAN網(wǎng)絡(luò)接口主要由CAN控制器SJA1000、光耦6N137（可?。┖?CAN總線驅(qū)動器PCA82C250組成。其中，SJA1000的ADO～AD7與AT89S52的P0口相連，AT89S52的P2.7口作為SJA1000的片選信號輸入，當(dāng)P2.7為低電平時通過片外存儲器選中SJA1000并對其進行相應(yīng)的讀些操作，SJA1000的RD、WR、ALE分別與AT89S52的相應(yīng)管腳相連，INT接INT0，可實現(xiàn)對SJA1000中斷方式訪問。CAN控制器SJA1000是實現(xiàn)數(shù)字信號在CAN總線上穩(wěn)定可靠地傳輸?shù)闹饕骷?，正是它完成了對報文的發(fā)送、接收、濾波等一系列通訊任務(wù)。

3 CAN的軟件設(shè)計

3.1 CAN通信軟件的程序設(shè)計

通過CAN總線建立通訊的步驟是：

（1）系統(tǒng)上電后。①根據(jù)SJA1000的硬件和軟件連接設(shè)置主控制器。②根據(jù)選擇的模式、驗收濾波、位定時等等設(shè)置CAN控制器的通訊這也是在SJA1000硬件復(fù)位后進行。

（2）在應(yīng)用的主過程中。①準(zhǔn)備要發(fā)送的報文并激活SJA1000發(fā)送它們。②對被CAN控制器接收的報文起作用。③在通訊期間對發(fā)生的錯誤起作用。

CAN總線節(jié)點要有效、實時地完成通信任務(wù)，軟件的設(shè)計是關(guān)鍵，也是難點。它主要包括節(jié)點初始化程序、報文發(fā)送程序、報文接收程序，以及CAN總線出錯處理程序等等。

3.2 CAN通信單元程序流程圖

（1）CAN接收函數(shù)。該函數(shù)讀取SJA1000接收緩沖區(qū)中的有效數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)。接收報文完畢后，釋放接收緩沖區(qū)。程序流程圖如圖3所示。

（2）CAN發(fā)送函數(shù)。該函數(shù)首先檢查控制器是否還在處NL理上一幀報文，如果已經(jīng)完成上一幀報文的發(fā)送，則向SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)寫入待發(fā)送的報文，并向SJA1000發(fā)啟動發(fā)送命令，將報文發(fā)送出去。程序流程圖如圖4所示。

圖3 CAN接收函數(shù)流程圖

圖4 CAN發(fā)送函數(shù)流程圖

4 結(jié)語

本文研制的基于CAN總線的井下智能壓力傳感器系統(tǒng)是根據(jù)煤礦井下液壓支架壓力傳感器使用情況及其發(fā)展趨勢而提出的，并且也結(jié)合了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，很好地解決了礦用液壓支架壓力傳感器在壓力檢測、傳感器防護、抗干擾及通訊的難題。隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展,高性能的煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在我國有著廣闊的前景。

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