基于CAN總線的煤礦安全系統(tǒng)研究

【摘要】論述了一種基于CAN現場總線的分布式煤礦安全系統(tǒng)的設計方法，通過中控分站采用CPLD設計，高速AD進行采樣，將采集到的數據送至MCU進行控制邏輯分析。本文詳細論述了系統(tǒng)的設計方案、硬件搭建，最后通過軟件仿真驗證了該方案的可行性。

【關鍵詞】數據采集;CAN總線;CPLD;MCU

引言

隨著煤礦系統(tǒng)的日益增多和國家對煤礦安全化程度要求的增加，煤礦的分布式控制也愈發(fā)復雜。傳統(tǒng)的煤礦控制系統(tǒng)采用點對點的方式或者一主多從的方式進行，而目前該方式已經滿足不了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)實時控制的需要。同時由于各種監(jiān)測控制系統(tǒng)的不斷增加而導致的設備數量的幾何式的增長，也使得在煤礦巷道的布線難度的復雜性、線纜成本等的急劇上升。對煤礦各個系統(tǒng)的維修也越發(fā)復雜。如何使這些眾多的獨立功能協(xié)調統(tǒng)一工作，亦即如何對大多數系統(tǒng)進行集中控制，已經成為整個煤礦行業(yè)研究領域中非常重要的課題。-而采用現場總線CAN-BUS技術實現煤礦各系統(tǒng)的分布式網絡化控制使得對各設備的實時控制成為可能。本文使用CPLD控制系統(tǒng)，把采集到的數據通過CAN總線傳輸到MCU中進行處理，將大大提高系統(tǒng)的方便性，并且具有較強的抗干擾能力。

1.CAN總線介紹

CAN總線術語現場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，位速率可以達到1Mbps。

CAN總線具有其它現場總線無法比擬的優(yōu)點：a.多主站依據優(yōu)先權進行總線訪問：總線開放時，任何單元均可以發(fā)送報文，具有最高優(yōu)先權的報文單元贏得總線訪問權。利用這個特點可以作為多主設備的自發(fā)控制系統(tǒng)。b.無破壞性的基于優(yōu)先權的總裁。網絡上的多個主機可以同時發(fā)送數據，網絡會根據報文幀的優(yōu)先權大小來動態(tài)控制數據流，沒有發(fā)送的幀可以自動重發(fā)。c.優(yōu)秀的地址濾波功能：收到的標識符與本機的接收碼寄存器與屏蔽寄存器相比較，符合的報文才予以接收，不需要軟件的干預，大大減少了軟件的負荷量。d.另外，還具有遠程數據自動請求，節(jié)點的收發(fā)配置，數據相容性，錯誤檢測和出錯指令等，這些優(yōu)點都是其它常用的現場總線結構所無法比擬的。而且，現場總線CAN-Bus本身是符合本質安全要求的一種總線形式。

2.系統(tǒng)設計

煤礦安全系統(tǒng)的控制對象包括：各種傳感器、人員定位分站、廣播分站、環(huán)網交換機等，結構如圖1所示：

圖1 煤礦安全系統(tǒng)結構

主控單元接收信號之后，先進行分析處理，然后通過CAN總線把控制指令發(fā)送給各受控端，各受控端響應后作出相應的動作。

在煤礦行業(yè)中，系統(tǒng)的外部狀態(tài)獲取是通過各種傳感器件，例如攝像頭、位移傳感器、壓力傳感器等，由CPLD控制ADC對模擬信號進行采樣，并把采樣到的數據自動向FIFO存儲器中存儲，通過CAN節(jié)點最終將數據發(fā)送到中央控制模塊，如圖2所示。

圖2 數據采集結構

3.硬件設計

3.1 AD轉換

MCP3421是Microchip公司△-∑A/D轉換器系列的一款18位分辨率器件，采用SOT23-6封裝結構。MCP3421為一個全差分、18位分辨率且具有自校正功能的△-∑A/D轉換器，內部內部包括△-EA/D轉換器、可編程增益放大器（PGA）、時鐘振蕩器和I2C串行接口，以及2.048 V電壓基準源5部分。MCP3421設計簡單、極易配置，允許設計工程師通過最小配置獲得精確的測量結果。MCP3421與其它AD相比，主要優(yōu)點在于：全差分輸入;18位分辨率;精密的連續(xù)自校準功能;可選擇3.75、15、60或240 sps采樣速率進行轉換;可工作在連續(xù)轉換或單次轉換模式，在單次轉換后的空閑期內自動進入待機模式，極大地減小了電流消耗;內部集成2.048 V±0.05%精度，且溫度漂移僅為5ppm/℃的基準電壓源;可編程增益放大器（PGA）提供1/2/4/8倍增益，允許測量極小的信號并且具有很高的分辨率;內部集成振蕩器電路并提供I2C串行接口等。

3.2 CAN節(jié)點

CAN總線節(jié)點硬件部分由CAN控制器、CAN收發(fā)器和單片機組成，其接口電路圖如圖3所示。CAN節(jié)點的主要作用是把從FIFO存儲器中的數據通過CAN總線傳輸到中央控制模塊中。

CAN控制器選用的Microchip 公司的MCP2510，該芯片支持CAN2.0A/B協(xié)議。具有SPI接口，3個發(fā)送緩沖器和2個接收緩沖器，可對其優(yōu)先權進行編程，具有6個接收濾波器和2個接收濾波器屏蔽，采用低功耗CMOS技術，其電壓工作范圍為3.0-5.5V。有效電流為5mA，維持電流為10uA。CAN收發(fā)器選用的是82C250，該芯片是CAN協(xié)議控制器和物理介質之間的接口。82C250可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接受性能，而且它與IS011898標準完全兼容。

圖3 CAN總線硬件電路

在本系統(tǒng)中，CAN控制器MCP2510的中斷引腳INT與MCU的中斷引腳直接相連，這樣能夠在數據發(fā)送、數據接收以及總線報錯時即使產生中斷，交由單片機進行處理。為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，建議增加高速光耦，這樣就很好的實現了電氣隔離。

4.軟件設計

4.1 AD轉換

本系統(tǒng)采用有限狀態(tài)機完成A/D轉換和FIFO中的數據存儲，如圖4所示。在狀態(tài)S0處，在時鐘上升沿對信號采樣;在狀態(tài)S1處，把采樣輸出的同步信號作為FIFO的寫入信號。

CPLD接受到A/D芯片傳輸的8位二進制數，轉換成電壓數字量。A/D芯片的參考電壓為5V，而且8位A/D芯片的最大輸出為255，這樣A/D轉換的最小輸出單位大約為0.02V，所以可近似地將A/D輸出的8位二進制數乘以2，即得到要得到的3位電壓值，圖5所示為在MAX+PLUS II中的仿真結果。

圖4 采樣控制狀態(tài)機

圖5 AD仿真

4.2 CAN節(jié)點

CAN節(jié)點接口程序設計的實質就是對控制器MCP2510初始化和收發(fā)中斷處理等操作。由于該芯片是SPI通訊方式，故主要編寫SPI程序，即可對其進行配置和使用：

SPI接口程序：

MOV R4，#8; "置循環(huán)次數

WRIT1：CLR SCK;

NOP;

RLC A;

MOV SI，C;

NOP;

SETB SCK;

NOP;

DJNZ R4，WRIT1;

RET;

SPI接口讀子程序：

READ： "CLR ACC;

CLR C;

MOV R4，#8;

READ1： CLR SCK;

NOP;

MOV C，SO;

RLC A;

SETB SCK;

NOP;

DJNZ R4，READ1;

RET

5.結論

本文提出了CAN總線為基礎，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的RS485，對煤礦行業(yè)的一些系統(tǒng)進行了整合，解決了煤礦行業(yè)布線復雜，耗材損耗過重問題，并對這些設備的聯網做出了模擬分析。但是由于煤礦井下的復雜程度，勢必會造成網絡的多變性，該方法在井下的實際應用，還有待進一步的研究。

參考文獻

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[2]李婷.CAN總線綜述[J].數字技術與應用，2010（4）.