基于can總線的煤礦多主通訊分站的研究與設(shè)計(jì)

陳冠軍+宋超+馬繼輝

【摘要】 煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控是保證礦井安全生產(chǎn)的重要手段，是煤礦現(xiàn)代化管理的重要技術(shù)措施，因此監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)能否進(jìn)行。本文設(shè)計(jì)的是煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的井下監(jiān)控分站部分，主要介紹了基于can總線的煤礦多主通訊分站的設(shè)計(jì)思路，研究了安全監(jiān)控分站的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了CAN 總線通訊技術(shù)。在現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控分站的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)以微控制器C8051F040為核心，采用數(shù)字式傳感器采集信息 ，用can總線來(lái)傳遞信息的新型煤礦多主通訊分站。

【關(guān)鍵詞】 煤礦監(jiān)控分站 can總線 多主通信分站 數(shù)字式傳感器

引言：

我國(guó)作為煤炭資源儲(chǔ)存和消耗的大國(guó)，擁有著大量的井下開(kāi)采煤礦，開(kāi)采難度和危險(xiǎn)性較大，對(duì)于瓦斯?jié)舛?、通風(fēng)量、排水狀況都有一定的要求，因此建立煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于煤礦的安全生產(chǎn)具有著重要的意義。為此本文提出一種多主并發(fā)式的監(jiān)控分站的研究。

監(jiān)控分站通過(guò)CAN 總線與中心站計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，克服了傳統(tǒng)煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)總線實(shí)時(shí)性不能滿(mǎn)足煤礦現(xiàn)場(chǎng)的需求的缺陷，實(shí)現(xiàn)了具有多主并發(fā)、對(duì)等通信功能的監(jiān)控分站。

一、分站的整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的要求[1]，該分站應(yīng)具有如下功能：

①檢測(cè)各類(lèi)環(huán)境參數(shù)， 如CH4濃度、CO濃度、通風(fēng)量、溫度和水位等；

②檢測(cè)各類(lèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，如通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況、輸送機(jī)狀態(tài)；

③顯示傳感器數(shù)據(jù)、控制信號(hào)、通信信號(hào)和供電信號(hào)；

④與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)控制。

二、監(jiān)控系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 MCU的選型

本系統(tǒng)分站的MCU應(yīng)支持多通道輸入，可以實(shí)現(xiàn)CAN總線控制，同時(shí)具有較高的運(yùn)算速率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。在此，選擇C8051F040單片機(jī)作為分站的核心處理器。

該單片機(jī)具有高速8051系列單片機(jī)內(nèi)核，20個(gè)向量中斷源，大幅度提高了執(zhí)行指令的效率，處理速度高，集成度高；具有單獨(dú)的CAN 總線控制器和CAN緩沖區(qū)，解決了串并轉(zhuǎn)換、誤差校正、競(jìng)爭(zhēng)沖突等問(wèn)題，為CAN總線通訊奠定了基礎(chǔ)。

2.2通信與數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

分站主要采用CAN 總線分別與上位機(jī)和數(shù)字傳感器進(jìn)行通信[2]，CAN控制器選擇C8051F040單片機(jī)內(nèi)置一個(gè)CAN總線控制器，再外擴(kuò)一個(gè)CAN控制器，將其與兩個(gè)can總線收發(fā)器相連，同時(shí)將C8051F040單片機(jī)的兩個(gè)通用數(shù)字I/O口通過(guò)一個(gè)電阻R分別與兩個(gè)CAN信號(hào)收發(fā)器的Rs引腳相連。

2.3控制與顯示模塊設(shè)計(jì)

控制模塊采用CAN接口直接驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)而控制受控設(shè)備開(kāi)關(guān)從而實(shí)現(xiàn)控制功能。報(bào)警裝置選用蜂鳴器和發(fā)光二極管，蜂鳴器通過(guò)晶體管驅(qū)動(dòng)，發(fā)光二極管直接接在輸出端由輸出電流激發(fā)，并串聯(lián)限流電阻來(lái)保護(hù)二極管。

2.4電源模塊設(shè)計(jì)

首先系統(tǒng)電源有井下本安直流21V電源提供，需要利用電源轉(zhuǎn)換電路將21V電壓轉(zhuǎn)化為5V和3.3V兩種，供給系統(tǒng)的通訊、信號(hào)采集顯示及主控芯片使用。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控分站的實(shí)時(shí)性、可靠性、傳輸速率等指標(biāo)是否滿(mǎn)足井下煤礦系統(tǒng)的需求，對(duì)分站進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，采用多主并發(fā)式的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)分站具有分站之間具備互聯(lián)通信功能且分站之間通信響應(yīng)時(shí)間小于2s、以及獲取數(shù)字傳感器工作狀態(tài)與故障信息等基本功能。

四、結(jié)論

本文給出了基于can總線的煤礦多主通訊分站的設(shè)計(jì)思路，研究并設(shè)計(jì)了以微控制器C8051F040為核心，采用數(shù)字式傳感器采集信息，用can總線來(lái)傳遞信息的新型煤礦多主通訊分站。

克服了傳統(tǒng)煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)分站采用輪詢(xún)式的數(shù)據(jù)采集方式，數(shù)據(jù)采集周期長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差的缺陷，實(shí)現(xiàn)了具有新型多主并發(fā)、對(duì)等通信功能，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、互操作性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)的新型煤礦系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控分站。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]胡波，朱宗玖，田紅光.基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)[J]煤礦機(jī)械，2012，33（2）：230-232.

[2]汝彥冬，楊昆松，王國(guó)軍.基ARM的煤礦井下監(jiān)控分站的設(shè)[J]煤礦機(jī)械，2009，30（4）：187-189.