基于CAN總線的礦用絞車信號組合裝置設(shè)計

張 進(jìn)

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與交通學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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基于CAN總線的礦用絞車信號組合裝置設(shè)計

張 進(jìn)

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與交通學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

針對煤礦絞車信號裝置存在的裝置之間語音干擾、信號點位不清、絞車臺設(shè)備過多等問題，研制了一種集成CAN總線接口的絞車信號組合裝置.該裝置利用LM3S8962處理器自帶CAN總線的特點，將絞車啟停、安全燈轉(zhuǎn)換、信號打點等裝置進(jìn)行合并.試驗結(jié)果表明，該裝置能實現(xiàn)語音傳輸、信號打點、安全燈自動轉(zhuǎn)換及絞車啟停控制等功能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)備功能單一，操作煩瑣，占用空間較大的不足，提高了煤礦現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)的效率.

CAN總線；LM3S8962處理器；礦用絞車信號

0 引言

礦用聲光打點信號器是煤礦生產(chǎn)企業(yè)的必備設(shè)備，現(xiàn)有礦用絞車信號裝置大多采用調(diào)頻動力載波來實現(xiàn)實際生產(chǎn)過程中點對點的信號打點、信號急停以及語音通話等功能.該裝置在實際絞車信號聯(lián)絡(luò)過程中存在著以下問題：1)近距離音頻干擾較大，語音音質(zhì)較差，相鄰裝置之間干擾非常嚴(yán)重；2)絞車信號裝置不能實現(xiàn)安全燈的自動控制，無法分辨信號打點的點位；3)礦用絞車控制臺上絞車啟?？刂蒲b置、安全燈轉(zhuǎn)換裝置、信號打點裝置相互分立，控制操作繁瑣，占用面積大.

針對以上問題，筆者提出一種基于CAN總線的集礦用絞車啟停、安全燈轉(zhuǎn)換、聲光信號打點LED數(shù)字顯示、語音通話一體化組合的裝置，該裝置能實現(xiàn)語音傳輸、信號點位、安全燈自動轉(zhuǎn)換及絞車啟?？刂频裙δ埽喕瞬僮鞑襟E，減少了設(shè)備占用面積，節(jié)省了建設(shè)成本，提高了工作效率.

1 系統(tǒng)設(shè)計

該裝置硬件結(jié)構(gòu)分為隔爆腔和本安腔兩部分，采用雙CPU運(yùn)行方式，如圖1所示.本安腔由電源模塊、CAN總線集成單元、信號打點及顯示模塊、語音放大模塊等部分組成，主要負(fù)責(zé)打點信號和語音信號的傳送.隔爆腔由電源轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、絞車啟停模塊、安全燈轉(zhuǎn)換模塊等部分組成，主要負(fù)責(zé)礦用絞車的啟停及礦用安全燈的自動轉(zhuǎn)換工作.隔爆腔與本安腔之間采用短距離的RS232通信協(xié)議[1]130-132.

圖1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)設(shè)計上具有以下兩個特點：1)采用雙CPU運(yùn)行方式，分任務(wù)式處理，可以同時響應(yīng)兩個任務(wù)線程，大大提高工作效率；2)本安腔采用基于TI群星系列Cotex-M3的LM3S8962處理器，該芯片自身集成CAN總線[2]242-268,[3]20-21,[4]120-143，CAN總線處理模式可以實現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，利用雙絞線為傳輸介質(zhì)，采用一點對多點及全局廣播的數(shù)據(jù)收發(fā)方式，傳輸速率高，節(jié)點多，簡單容易實現(xiàn)，同時還具有實時性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點[5]15-16,[6]66-69,[7]97-98.

2 硬件設(shè)計

該裝置將CAN總線技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)距離煤礦通信系統(tǒng)中，隔爆腔采用宏晶公司的STC12LE5A60S2處理器，本安腔硬件電路采用Stellaris系列的LM3S8962芯片，二者之間通過RS232通信接口實現(xiàn)短距離對接.

2.1 隔爆腔電路設(shè)計

隔爆腔的電源板部分采用STC12LE5A60S2芯片，繼電器RS4H-S-DC12V實現(xiàn)安全燈的自動轉(zhuǎn)換，繼電器HK4100F-DC24V-SHG實現(xiàn)絞車啟動停.隔爆腔電路原理圖如圖2所示.基本工作過程如下：先將127V交流電壓送至本質(zhì)安全型電源，通過轉(zhuǎn)換，輸出12V直流電壓信號；接下來送入電源轉(zhuǎn)換模塊，將12V本質(zhì)安全型電源轉(zhuǎn)換為3.3V直流電壓；3.3V直流電壓送入隔爆腔為隔爆腔CPU供電，隔爆腔中CPU一方面通過繼電器HK4100F控制，實現(xiàn)絞車啟動?？刂?另一方面驅(qū)動繼電器RS4H，控制安全燈自動轉(zhuǎn)換.

圖2 隔爆腔電路設(shè)計原理圖

2.2 本安腔電路設(shè)計

本安腔主控板部分采用基于ARM CORTEX-M3內(nèi)核的微控制器LM3S8962，該芯片內(nèi)部具有256KB FLASH和64KB SRAM，提供36中斷，8個優(yōu)先等級內(nèi)部存儲器，4個通用定時器，通用I/O口，2個通道的UART和同步串行接口(SSI)、10/100M以太網(wǎng)控制器等功能，適用于工業(yè)控制與網(wǎng)絡(luò)化儀器儀表領(lǐng)域系統(tǒng).語音數(shù)據(jù)傳輸采用AMBE-1000與SCP1027數(shù)字化壓縮編解碼，能夠提供良好的語音音質(zhì)；按鍵打點與LED數(shù)碼顯示采用CH452芯片；CAN口隔離模塊采用符合礦用耐壓等級的CTM8251T.本安腔電路原理圖如圖3所示.基本工作過程如下：另一路3.3V直流電壓信號送入本安腔為CPU供電， CPU一方面驅(qū)動功放TDA7377，將受話器送來的人工語音信號進(jìn)行放音；另一方面驅(qū)動按鍵打點與LED數(shù)碼顯示芯片及語音數(shù)字化壓縮編解碼芯片，將打點信號及人工話音信號數(shù)字化，通過CAN總線模塊實時傳輸打點信號及人工話音信號，使得整條工作線上的設(shè)備都能同步接收.

圖3 本安腔電路設(shè)計原理圖

2.3 主控板與隔爆腔電源電路設(shè)計

主控板與隔爆腔電源板之間采用短距離RS232協(xié)議通訊，本安腔主控板的12V電源由隔爆腔電源板提供.在圖3中，隔爆腔中的12V礦用本質(zhì)安全型電源會提供本質(zhì)安全12V的電壓，12V電壓經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換，可得3.3V直流電壓，給CPU芯片供電，分別接3.3V正極與3.3V負(fù)極， 同時12V礦用本質(zhì)安全型電源會提供12V電壓給本安腔；隔爆腔的CPU芯片通過RS232正、RS232負(fù)與本安腔的CPU芯片相連；本安腔中的12V電壓經(jīng)電源轉(zhuǎn)換模塊，可得3.3V正極、3.3V負(fù)極給CPU芯片供電，可得5V正極、5V負(fù)極給CAN總線模塊供電；本安腔中的12V電壓還直接給功放TDA7377供電.

3 軟件設(shè)計

主程序流程如圖4所示：系統(tǒng)加電初始化，開始完成絞車啟?？刂啤⑿盘柎螯c，語音通話等功能，同時進(jìn)行系統(tǒng)檢測，檢測正確返回.否則報錯后，啟動中斷服務(wù)程序，進(jìn)行中斷條件判斷，同時檢測絞車控制、信號打點、語音通話狀態(tài)，保護(hù)現(xiàn)有狀態(tài)，系統(tǒng)返回.

圖4 主程序及中斷服務(wù)程序流程圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

現(xiàn)場試驗中，作者采用一根四芯雙絞線電纜，將沿路的信號組合裝置逐個級聯(lián)在一起，同時將絞車控制臺上絞車啟停控制、安全燈轉(zhuǎn)換、信號打點、絞車啟停裝置等設(shè)備組合在一起，結(jié)果證明：1)實現(xiàn)語音信號的數(shù)字化傳輸，保證了語音音質(zhì)清晰可靠；2)完成打點信號的LED數(shù)字顯示，能清晰地顯示打點所在點位；3)實現(xiàn)安全燈的自動轉(zhuǎn)換，將原有的絞車啟停裝置進(jìn)行合并.該裝置實現(xiàn)單根電纜串接全部設(shè)備，節(jié)省安裝維護(hù)開銷；提高實時性，信息可共享；提高多控制器系統(tǒng)的檢測、診斷和控制性能.

5 結(jié)語

該裝置結(jié)合CAN技術(shù)和通信技術(shù)，通過對現(xiàn)有信號裝置進(jìn)行硬件改進(jìn)和軟件開發(fā)，實現(xiàn)多臺信號裝置的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實現(xiàn)礦用語音通話、聲光信號打點LED數(shù)字顯示、安全燈轉(zhuǎn)換及絞車啟停等功能的一體化結(jié)構(gòu)裝置.利用CAN總線技術(shù)突出的可靠性、實時性和靈活性，無須另外架線，就實現(xiàn)語音信號的數(shù)字化傳輸，同時解決了原有絞車信號裝置存在的語音干擾、信號點位不清晰的問題.節(jié)省安全燈自動轉(zhuǎn)換時所耗費(fèi)的電纜，節(jié)減電纜成本，減少了設(shè)備占用面積，完全可以替代目前市場上所使用的礦用隔爆兼本安型打點信號器，應(yīng)用前景十分可觀.

[1] 馬洪連，丁 男，李屹璐.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] 饒云濤，鄒繼軍，王進(jìn)宏，等.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3] 徐 祥，戴本祁.CAN總線在煤礦監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2005，18(08).

[4] 杜尚豐，曹曉鐘，徐 津.CAN總線測控技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007 .

[5] 向 陽.基于CAN總線的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計[J].煤炭工程，2008(08).

[6] 劉師良，李長青.基于CAN總線的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)工作站的研究[J].工礦自動化，2009(01).

[7] 廖忠明，徐秀紅，彭小軍.一種基于CAN總線的煤礦遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].煤炭技術(shù)，2012，31(01).

[責(zé)任編輯 梧桐雨]

2016-04-29

江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院2014年度校級科研課題“一種基于CAN總線的礦用絞車信號組合裝置的設(shè)計”(項目編號：JYA14-23)

張 進(jìn)(1971- )，女，河南新野人，江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要從事通信技術(shù)及電子信息技術(shù)教學(xué)與研究。

1671-8127(2016)05-0060-03

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