煤礦井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中CAN通訊技術(shù)研究

徐洋 韓英 陳立東 劉磊

【摘要】 為了提高煤礦井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的可靠性，結(jié)合C8051F040和CAN總線(xiàn)研究煤礦井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通訊技術(shù)。首先對(duì)全生產(chǎn)形勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)分析，然后詳細(xì)介紹了CAN和C8051F040中集成的CAN控制器，并對(duì)煤礦井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)了C8051F040和CAN總線(xiàn)通訊接口電路。

【關(guān)鍵詞】 C8051F040 CAN 煤礦 通訊接口

目前，我國(guó)正在經(jīng)歷煤炭管理模式從傳統(tǒng)的模式向現(xiàn)代的管理模式轉(zhuǎn)變，在控制煤礦生產(chǎn)事故總量和百萬(wàn)噸死亡率方面取得明顯進(jìn)步，煤礦安全生產(chǎn)整體情況逐年好轉(zhuǎn)。但是煤礦行業(yè)仍然是高危行業(yè)，安全生產(chǎn)事故總量及事故影響仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他行業(yè)，減少安全生產(chǎn)事故、保障工作人員生命財(cái)產(chǎn)安全仍然是當(dāng)今工作的重點(diǎn)。

煤礦井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是現(xiàn)代煤礦管理模式的基石，它可以為管理和指揮人員提供井下工作環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)、人員位置等基本信息，保證在事故發(fā)生前及時(shí)采取防范措施，避免事故的發(fā)生和擴(kuò)大；同時(shí)也可以在事故發(fā)生時(shí)，為指揮人員確定最佳救援路線(xiàn)和避險(xiǎn)路線(xiàn)提供決策信息，保證井下一線(xiàn)工作人員能夠安全撤離和疏散。

一、CAN總線(xiàn)技術(shù)

1.1 CAN

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)最初是德國(guó)的Bosch公司為汽車(chē)監(jiān)測(cè)和控制而開(kāi)發(fā)出的，以其高可靠性、優(yōu)異的性能及獨(dú)特的設(shè)計(jì)已經(jīng)在數(shù)控機(jī)床、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人控制和設(shè)備監(jiān)測(cè)其他行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。CAN總線(xiàn)采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)給總線(xiàn)發(fā)送信息，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)給優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)讓步，高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)將不受限制繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間，尤其是網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重的情況下也不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。CAN 網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需要設(shè)置不同優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)信息，節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá) 110 個(gè)。CAN2.0A具有2032種報(bào)文標(biāo)識(shí)符，CAN2.0B具有幾乎不受任何限制的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文標(biāo)識(shí)符。CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊選擇的介質(zhì)比較靈活，可以用雙絞線(xiàn)、光纖也可以用同軸電纜，通訊速率在5kbps時(shí)，最遠(yuǎn)通信距離可以達(dá)到10km，通訊速率在1Mbps通訊時(shí)，最遠(yuǎn)通信距離可以達(dá)到40m。

1.2 C8051F040中CAN控制器

傳統(tǒng)的單片機(jī)與CAN總線(xiàn)是通過(guò)CAN控制器和CAN隔離收發(fā)器相連接，CPU外圍電路復(fù)雜，系統(tǒng)抗干擾能力差。C8051F040單片機(jī)內(nèi)部集成了CAN控制器和獨(dú)立CAN信息緩沖區(qū)，簡(jiǎn)化了單片機(jī)與CAN總線(xiàn)連接電路，提高了信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

C8051F040的CAN總線(xiàn)控制器由CAN總線(xiàn)內(nèi)核、報(bào)文RAM（與C8051F040的RAM相互獨(dú)立）、CAN總線(xiàn)控制寄存器和報(bào)文處理狀態(tài)機(jī)制組成，控制器里有三個(gè)寄存器可以通過(guò)CIP-51特殊功能寄存器直接訪(fǎng)問(wèn)，其它的寄存器只能通過(guò)CAN0ADR、CAN0DATL和CAN0DATH寄存器通過(guò)地址索引的方式間接訪(fǎng)問(wèn)。

二、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是井下負(fù)責(zé)采集井下生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要有C8051F040單片機(jī)最小系統(tǒng)、傳感器、信號(hào)隔離電路、信號(hào)處理電路、聲光報(bào)警電路、顯示屏和通訊電路組成，其中C8051F040單片機(jī)最小系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)信號(hào)的采集、處理和通訊，同時(shí)在井下故障時(shí)給聲光報(bào)警電路發(fā)送控制指令；傳感器分為模擬信號(hào)輸出傳感器和開(kāi)關(guān)量輸出傳感器兩種，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供最原始的數(shù)據(jù)；顯示屏用于循環(huán)顯示各個(gè)通道模擬量和開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，煤礦井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

三、通訊電路設(shè)計(jì)

C8051F040內(nèi)部集成的CAN控制器屬于協(xié)議控制器，不能為通訊提供物理層驅(qū)動(dòng)，所以通訊電路設(shè)計(jì)時(shí)需要外加CAN收發(fā)器。目前應(yīng)用較多的CAN收發(fā)器有SN65HVD230收發(fā)器、PCA82C250 收發(fā)器和TJA1050 收發(fā)器等，SN65HVD230具有差分收發(fā)能力、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗及外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有三種不同的工作模式可以選擇，方便與C8051F040單片機(jī)配合使用，所以選擇SN65HVD230作為CAN收發(fā)器。通訊接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示，其中SN65HVD230的D引腳和R引腳分別和C8051F040的CANTX引腳和CANRX引腳相連接。Rs引腳為SN65HVD230的斜率電阻輸入引腳，120 ?的電阻兩端分別與Rs和地相連接，使收發(fā)器工作在斜率控制模式。為了提高通訊電路的抗干擾能力，在CANTX 和CANRX之間串聯(lián)一個(gè)阻值為120?的匹配電阻。

四、結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出基于C8051F040單片機(jī)和CAN總線(xiàn)技術(shù)的通訊接口電路，電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、通訊速率高等優(yōu)點(diǎn)。通訊電路能夠?qū)⒕鹿ぷ鳝h(huán)境和設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給井上的監(jiān)測(cè)中心，為井上監(jiān)測(cè)人員發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)于促進(jìn)安全生產(chǎn)工作的順利開(kāi)展，保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有十分重要的意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李光范，高克利等.智能電網(wǎng)控制技術(shù)及其發(fā)展.科技導(dǎo)報(bào)，2010，28（23）：113-117.

[2] 張秋琳. 基于CAN總線(xiàn)技術(shù)的礦用隔爆型電磁起動(dòng)器通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)信通信，2014.

[3] 孟永鵬，賈申利，榮命哲.真空斷路器機(jī)械特性的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法.高壓電器，2006，42（1）：31-34.：