礦用跑偏傳感器CAN現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)

郭珮文

1 引言

在煤礦生產(chǎn)中，礦用跑偏傳感器（拉線開關(guān)）已廣泛應(yīng)用于皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)及架空人車運(yùn)輸系統(tǒng)保護(hù)中。但是現(xiàn)階段某礦所使用的拉線開關(guān)只有動(dòng)作應(yīng)急保護(hù)功能，沒有動(dòng)作故障點(diǎn)監(jiān)視功能。拉線開關(guān)應(yīng)用地點(diǎn)普遍沿線距離較長(zhǎng)，要恢復(fù)故障需要沿線逐一查看，這給檢修人員恢復(fù)系統(tǒng)造成了很大的不便。

本文針對(duì)某礦在使用礦用跑偏傳感器過程中遇到的問題，利用CAN 總線通訊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套所有數(shù)據(jù)均在總線上運(yùn)行，支持超過30 個(gè)節(jié)點(diǎn)，傳輸距離可達(dá)5km的礦用跑偏傳感器地址編碼及信號(hào)傳輸裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)了礦用跑偏傳感器已動(dòng)作點(diǎn)的液晶顯示及報(bào)警功能，方便了工作人員排查系統(tǒng)故障。

圖1 礦用跑偏傳感器

2 研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 研究?jī)?nèi)容

2.1.1 總體方案

CAN 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持[1]。

礦用跑偏傳感器CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)是利用24V 本質(zhì)安全型電源為系統(tǒng)電源，通過STM32 微處理器實(shí)現(xiàn)礦用跑偏傳感器的地址編碼，所有跑偏傳感器節(jié)點(diǎn)均通過2芯CAN總線實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)識(shí)別及通信。原系統(tǒng)框圖見圖2，改進(jìn)系統(tǒng)框圖見圖3：

圖2 原礦用跑偏傳感器系統(tǒng)框圖

圖3 改進(jìn)后的礦用跑偏傳感器系統(tǒng)框圖

如上兩圖比較可得出，新增加的系統(tǒng)在不改變?cè)邢到y(tǒng)功能的情況下，通過增加一套新的訊通裝置，完成原系統(tǒng)沒有的地址編碼及數(shù)字實(shí)時(shí)液晶顯示監(jiān)控功能。新增系統(tǒng)僅通過一顆4芯信號(hào)電纜即可完成所有線纜敷設(shè)，STM32 地址編碼單元也可以通過高集成電路的開發(fā)，將地址編碼電路模塊安放于礦用跑偏傳感器的內(nèi)部，從而大大減小了系統(tǒng)改造的難度及成本。

2.1.2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

本次項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的礦用跑偏傳感器CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分主要由礦用本安24V電源電路、狀態(tài)顯示電路、STM32最小系統(tǒng)、測(cè)試電路、蜂鳴器報(bào)警電路、OLED 液晶顯示及編碼調(diào)試電路組成。硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖見圖4：

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖5 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

礦用跑偏傳感器CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)分為地址編碼發(fā)送和數(shù)據(jù)接收處理兩大單元，硬件上這兩大單元用同一種設(shè)計(jì)來完成兩種不同的使用環(huán)境，利用STM32 優(yōu)秀的低功耗特點(diǎn)作為這次項(xiàng)目的主控制器，通過給STM32 最小處理單元輸入不同的程序，可實(shí)現(xiàn)同一種硬件的兩種不同應(yīng)用，提高了整套系統(tǒng)的適用性及兼容性。在硬件上STM32 還擁有眾多強(qiáng)大的硬件外設(shè)，支持豐富的硬件接口資源，為硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了極大的便利。

2.1.3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

（1）礦用跑偏傳感器地址編碼單元：

首先用鍵盤通過SPI輸入需要寫入MCU的礦用跑偏傳感器地址編號(hào)，然后由STM32檢測(cè)礦用跑偏傳感器的工作狀態(tài)（是否動(dòng)作），最后通過CAN總線打包并發(fā)送地址以及狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）井口數(shù)據(jù)處理單元：

數(shù)據(jù)處理單元首先通過CAN 總線模塊接收CAN總線上的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后送入STM32 處理器，通過相應(yīng)算法識(shí)別接收到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)包內(nèi)容，并將接受到的數(shù)據(jù)顯示到LCD液晶屏上，并由STM32處理器決定是否發(fā)送相關(guān)的聲光報(bào)警指令。

圖6 C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件上采用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言聯(lián)合編程設(shè)計(jì)，將各硬件模塊在程序編寫中直接編寫為函數(shù)接口，在主程序中可直接調(diào)用各模塊函數(shù)，運(yùn)用此方法大大節(jié)約了整套軟件系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間。在此次的軟件設(shè)計(jì)中還充分運(yùn)用意法半導(dǎo)體對(duì)STM32固件庫(kù)的支持，直接利用官方提供的庫(kù)函數(shù)對(duì)主控芯片的各外設(shè)及寄存器進(jìn)行操作，大大節(jié)約了本系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，并且在編程中運(yùn)用C語(yǔ)言在嵌入式中的優(yōu)勢(shì)。加大了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2.2 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）本設(shè)計(jì)采用CAN總線通訊技術(shù)，較485通訊有更長(zhǎng)的通訊距離，更強(qiáng)的抗干擾能力。由于采用全數(shù)字設(shè)計(jì)，所有的數(shù)據(jù)均運(yùn)行在總線上，支持超過30 個(gè)節(jié)點(diǎn)，傳輸距離可達(dá)5000m。

（2）采用高清OLED顯示調(diào)試設(shè)備，可以更方便直接的顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

（3）設(shè)置了獨(dú)立的聲光報(bào)警電路，可方便檢修人員迅速、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)礦用跑偏傳感器動(dòng)作地點(diǎn)，極大的提高了人員的工作效率。

3 小結(jié)

本文給出了礦用跑偏傳感器CAN 總線數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖，對(duì)系統(tǒng)中的CAN數(shù)字監(jiān)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的討論和設(shè)計(jì)，給出了CAN數(shù)字監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的硬件電路、PCB版圖的詳細(xì)設(shè)計(jì)并給出了CAN數(shù)字監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)思路。

自主開發(fā)的基于ARM STM32 微控制器的數(shù)字監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，不僅為礦井節(jié)約了大量的資金，而且該數(shù)字監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以與原礦用跑偏傳感器系統(tǒng)無縫兼容，對(duì)于煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)化、數(shù)字化監(jiān)控有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。