基于CAN總線多級(jí)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的井下分站研究

霍躍華

摘 要：礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)為煤礦的安全生產(chǎn)提供了重要保證，井下分站是礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。針對(duì)目前井下分站常用RS-485總線作為傳輸協(xié)議，存在兼容性差、通訊效率低等缺點(diǎn)，提出了一種基于CAN總線技術(shù)的井下分站的設(shè)計(jì)。介紹了CAN總線的特點(diǎn)，對(duì)井下分站功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析了CAN總線應(yīng)用于井下應(yīng)解決的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和井下防爆問題，設(shè)計(jì)了一種采用微控制器P87C591為主控芯片，通過設(shè)計(jì)雙CAN口通信接口，實(shí)現(xiàn)了井下分站的多級(jí)CAN總線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展功能，并給出了實(shí)現(xiàn)井下分站所有功能的硬件結(jié)構(gòu)和程序結(jié)構(gòu)方案。

關(guān)鍵詞：井下分站；CAN總線；雙CAN口通信；多級(jí)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展

中圖分類號(hào)：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.073

礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中具有重要作用，井下分站是其重要的組成部分，主要用于接收井下各種感器送來的數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理（超限判斷、聲光報(bào)警等）之后傳送給主站，同時(shí)接收來自地面中心站的控制命令，控制該分站相連的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在目前多數(shù)的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)中，井下分站與主站之間一般采用RS-485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，RS-485總線是單主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，因此井下分站與主站之間只能通過主從工作方式通信，由于主站的單點(diǎn)故障問題，整個(gè)系統(tǒng)可靠性較差；同時(shí)RS-485總線的抗干擾能力及糾錯(cuò)能力差、總線效率低、系統(tǒng)的時(shí)實(shí)性差，可掛接的節(jié)點(diǎn)少（不大于32個(gè)）。為解決這些問題，結(jié)合礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際情況及對(duì)分站相關(guān)的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行研究，引入了CAN總線技術(shù)，依據(jù)煤礦井下巷道特點(diǎn)和分站的功能要求，設(shè)計(jì)了一種CAN總線多級(jí)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的井下分站。分站設(shè)計(jì)中引入了雙CAN口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了CAN總線的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，并對(duì)其進(jìn)行了軟、硬件實(shí)現(xiàn)。該分站既能滿足煤礦井下特殊的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，又具有抗干擾能力、糾錯(cuò)能力高，總線效率高，系統(tǒng)時(shí)實(shí)性強(qiáng)，可掛接的節(jié)點(diǎn)多等特點(diǎn)。

1 CAN介紹

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）由BOSCH公司為解決汽車內(nèi)部的測量數(shù)據(jù)與控制中心通信而提出的，隨后發(fā)展成為應(yīng)用最廣的現(xiàn)場總線技術(shù)之一。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：①CAN通信方式靈活，不分主從，可以構(gòu)成多主機(jī)系統(tǒng)或無主機(jī)系統(tǒng)。②CAN上的節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)不同的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。③CAN發(fā)送或接收數(shù)據(jù)形式多樣。④CAN在速率5K時(shí)的直接通訊距離最遠(yuǎn)為10 km。這個(gè)特點(diǎn)非常適合于煤礦井下對(duì)傳輸距離的要求。⑤CAN的通訊速率最高可達(dá)1M。⑥CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)最多達(dá)127個(gè)，井下最多可達(dá)110個(gè)。⑦CAN通過每幀信息的CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，實(shí)現(xiàn)了很高的傳輸正確率。⑧CAN對(duì)傳輸介質(zhì)無特殊要求，便于根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇傳輸介質(zhì)。

礦井井下具有噪聲干擾影響大、測量種類多、防爆要求高等特點(diǎn)，而CAN總線具有很多突出優(yōu)點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用到煤礦井下環(huán)境。

2 CAN井下分站功能設(shè)計(jì)

井下分站位于煤礦生產(chǎn)中井下位置，主要用于接收來自傳感器的信號(hào)，并按照接收到的中心站的控制命令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

由于CAN總線設(shè)計(jì)之初并沒有考慮應(yīng)用到煤礦井下，將 CAN總線應(yīng)用于井下分站的設(shè)計(jì)時(shí)，還要解決CAN總線的電器防爆和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的問題。

CAN總線不可使用同一電纜向現(xiàn)場設(shè)備本質(zhì)安全供電。對(duì)于電器防爆的處理是，通過將井下分站設(shè)備的工作電源和傳輸電源分開（隔離供電法）的方式，即傳輸電源由總線提供，井下分站的電源就地供給。CAN礦用井下分站在電源模塊的設(shè)計(jì)中，增加光電隔離電路，更好地起到抗干擾的作用。

由于礦井監(jiān)控系統(tǒng)適宜采用的是樹型結(jié)構(gòu)，CAN總線的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)是總線型，并不適用于煤礦井下的結(jié)構(gòu)，在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)采用CAN總線作為通信技術(shù)，必須要對(duì)CAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行優(yōu)化改造。CAN礦用井下分站在設(shè)計(jì)中，為了適用于煤礦井下的巷道特點(diǎn)，采用了雙CAN口設(shè)計(jì)，將CAN總線結(jié)構(gòu)擴(kuò)展為適用于井下多級(jí)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

基于CAN的礦用井下分站除了考慮在電氣防爆和網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)方面的功能設(shè)計(jì)之外，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)的主要功能是：開機(jī)自檢和分站初始化功能，分站之間的相互通訊和控制，實(shí)現(xiàn)不少于8路輸入量檢測和不少于8路輸出控制，分站宕機(jī)后具有自復(fù)位功能并且能將目前的狀態(tài)通知地面中心站；分站可以接收主站對(duì)分站的各種傳感器、報(bào)警限值等參數(shù)初始化設(shè)置，分站本身具備超限聲光報(bào)警功能，分站能夠?qū)?zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)定時(shí)地傳送給地面中心站，支持中心站對(duì)分站的波特率進(jìn)行修改，分站可以顯示通訊故障。

3 CAN礦用井下分站硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)分站各個(gè)功能劃分，可以將分站的硬件電路總體分為5個(gè)電路模塊，分別是控制單元、CAN通信接口模塊、輸入采集模塊、輸出執(zhí)行模塊、外圍電路模塊。其硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，控制單元用于完成對(duì)來自傳感器或者是下一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)作相應(yīng)的處理，同時(shí)處理來自于傳輸接口的各種命令和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能。控制單元由單片機(jī)和CAN控制器構(gòu)成。

CAN通信接口模塊用于完成控制單元與兩級(jí)CAN總線進(jìn)行物理連接的模塊，是由專用的CAN總線驅(qū)動(dòng)器和光電耦合器接口芯片組成的。礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)宜采用樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，井下分站需要采用2個(gè)CAN總線接口，將CAN的總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改造成樹形結(jié)構(gòu)，也有利于解決礦用分站和傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用星形結(jié)構(gòu)連接時(shí)帶來的問題。

輸入采集模塊主要用于模擬量傳感器、開關(guān)量傳感器的數(shù)據(jù)采集功能。

輸出執(zhí)行模塊主要用于完成地面主站對(duì)分站輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制命令，完成與分站相連的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出動(dòng)作。

外圍電路模塊主要用于實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、電源指示、通信狀態(tài)指示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電源輸入等功能。

3.2 控制單元設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)控制單元時(shí)，除了考慮核心微控制器的性能外，還要其具有雙CAN控制器，以滿足分站具有雙CAN口通信的要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，采用了本身包含一個(gè)CAN控制器的微控制器P87C591外加獨(dú)立CAN控制器芯片MCP2510，微控制器P87C591通過SPI總線與MCP2510相連，從而實(shí)現(xiàn)雙CAN口通信功能。

微控制器P87C591是由Philips半導(dǎo)體公司的推出的8位高性能微控制器，它具有以下3個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：①采用精簡指令；②具有很強(qiáng)的抗干擾能力；③本身集成的CAN控制器接口能很好地兼容CAN總線協(xié)議舊版本和新版本。該芯片具有良好的產(chǎn)品成熟度，能夠很好地控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開發(fā)成本，提高開發(fā)成功率。

3.3 CAN通信接口模塊硬件設(shè)計(jì)

井下分站CAN通信接口模塊包含2個(gè)獨(dú)立的CAN通信接口模塊，其主要作用是將控制單元中的CAN控制器接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)與CAN總線相連，從而實(shí)現(xiàn)上下兩級(jí)數(shù)據(jù)通信功能。在設(shè)計(jì)中，每一個(gè)CAN通信接口模塊是由光電耦合器和CAN總線驅(qū)動(dòng)器組成的，其硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

光電耦合器選用了專用光電耦合芯片6N137。將6N137置于P87C591的CAN控制器和CAN收發(fā)器PCA82C250之間，能夠有效地防止井下的各種電磁干擾、噪聲干擾等干擾信號(hào)從輸入/輸出通道竄入控制單元而造成程序出錯(cuò)，其能夠有起到有效隔離信號(hào)，抗干擾的作用。

PCA82C250芯片是專用的CAN總線驅(qū)動(dòng)器芯片，控制單元的CAN控制器發(fā)出的信號(hào)是通過它與物理CAN總線連接的。在設(shè)計(jì)中，PCA82C250采用斜率控制方式，將控制單元中CAN 控制器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成為適合CAN總線差分輸出的傳輸信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)控制單元輸出信號(hào)的CAN總線傳輸。通過2個(gè)CAN通信接口模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)井下分站的上、下兩級(jí)CAN總線數(shù)據(jù)傳輸功能，多臺(tái)井下分站的多級(jí)CAN總線傳輸功能。

3.4 外圍電路硬件功能設(shè)計(jì)

外圍電路模塊主要由礦用聲光報(bào)警器電路、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示電路、電源指示燈、通信狀態(tài)指示燈和電源模塊組成，用于完成聲光報(bào)警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、電源指示、通信狀態(tài)指示、電源輸入等功能。其中，聲光報(bào)警電路的功用是當(dāng)采集數(shù)據(jù)超限之后，通過聲音和光線提醒工作人員采取必要的安全措施，采用蜂鳴器和LED來共同完成聲光報(bào)警；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示電路主要用于顯示采集數(shù)據(jù)相關(guān)的信息，選用LCD顯示芯片LCM128647（D）來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示功能；電源指示燈用于指示分站電源的開閉，主要采用二極管實(shí)現(xiàn)；通信狀態(tài)指示燈主要用于指示分站與傳輸接口之間的通信狀態(tài)及通信中產(chǎn)生的錯(cuò)誤等；礦用電源為分站提供本安電源，其備用電源在斷電之后為分站提供2 h的工作電源。

4 CAN礦用井下分站軟件設(shè)計(jì)

分站要實(shí)現(xiàn)的功能可以概括為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出處理、與CAN通訊這3個(gè)主要方面。其中，數(shù)據(jù)采集主要完成對(duì)井下各種監(jiān)測傳感器采集信號(hào)的收集和處理；數(shù)據(jù)輸出處理包括輸出控制、數(shù)據(jù)顯示、超限報(bào)警；CAN通訊實(shí)現(xiàn)的功能是完成對(duì)上一級(jí)和下一級(jí)的CAN總線數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和網(wǎng)路管理。根據(jù)對(duì)分站功能的分析，可以看出分站程序是一個(gè)多任務(wù)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，按照其特點(diǎn)，對(duì)其程序的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

分站管理程序主要完成任務(wù)的啟動(dòng)、權(quán)限分配、結(jié)束處理等任務(wù)，它根據(jù)優(yōu)先級(jí)調(diào)用各類型的任務(wù)，這樣可以很好地保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也利于程序的簡化和擴(kuò)展。

根據(jù)分站功能的劃分可以確定為6個(gè)優(yōu)先級(jí)，其中，最高優(yōu)先級(jí)為第1級(jí)，優(yōu)先級(jí)最低的是第6級(jí)。通過優(yōu)先級(jí)的劃分，可以更好地實(shí)現(xiàn)分站功能。優(yōu)先級(jí)是按照分站所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的后果對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的強(qiáng)弱進(jìn)行劃分的，其中，第1優(yōu)先級(jí)是超限報(bào)警功能，第2優(yōu)先級(jí)是數(shù)據(jù)采集功能，第3優(yōu)先級(jí)是數(shù)據(jù)顯示功能，第4優(yōu)先級(jí)是CAN總線的網(wǎng)絡(luò)管理功能，第5優(yōu)先級(jí)是接收CAN總線的數(shù)據(jù)，第6優(yōu)先級(jí)是向CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)。

分站為了要實(shí)現(xiàn)這些功能，設(shè)置了5個(gè)中斷，其中，定時(shí)中斷2個(gè)，總線中斷3個(gè)。2個(gè)定時(shí)中斷分別用于數(shù)據(jù)的采集和顯示，3個(gè)總線中斷分別用于總線網(wǎng)絡(luò)管理、接收總線數(shù)據(jù)和向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。3個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)是：總線網(wǎng)絡(luò)管理中斷優(yōu)先級(jí)最高，接收總線數(shù)據(jù)中斷優(yōu)先級(jí)次之，向總線發(fā)送數(shù)據(jù)的中斷優(yōu)先級(jí)最低。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文介紹了基于CAN總線技術(shù)的井下分站設(shè)計(jì)，結(jié)合煤礦井下的特殊環(huán)境，提出了CAN總線井下分站的雙CAN口結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了分站的CAN總線多級(jí)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展功能，很好地適應(yīng)于煤礦井下的樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，給出了井下分站的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方案。通過設(shè)計(jì)，該井下分站既能滿足煤礦井下特殊的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，又具有通信協(xié)議兼容好、抗干擾能力強(qiáng)及糾錯(cuò)能力強(qiáng)、擴(kuò)展性好、通訊故障自診斷等功能，克服了現(xiàn)有礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的井下分站所采用的RS-485總線存在的缺點(diǎn)，極大地提升了井下分站的可靠性。

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〔編輯：劉曉芳〕