采掘設(shè)備CAN 總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

唐會(huì)成

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以為智能化數(shù)字礦山建設(shè)理念的提出， 煤礦采掘設(shè)備的控制技術(shù)對設(shè)備自動(dòng)化、智能化要求與日俱增。傳統(tǒng)的煤礦采掘設(shè)備電氣控制系統(tǒng)主要以電機(jī)回路的傳感器為主， 電機(jī)的過載、缺相保護(hù)采用電流傳感器檢測實(shí)現(xiàn)；電機(jī)過熱保護(hù)通過電機(jī)繞組預(yù)置的PTC 熱敏電阻實(shí)現(xiàn)。 煤礦采掘設(shè)備智能化控制發(fā)展， 迫切需求對采掘設(shè)備主要部件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、實(shí)時(shí)傳輸，因此需要對傳感器進(jìn)行集中的科學(xué)管理， 傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是設(shè)備的感知系統(tǒng)，是設(shè)備自動(dòng)化、智能化控制的基本環(huán)節(jié)[1]。

傳統(tǒng)傳感器信號(hào)采集以模擬量傳輸為主， 多路傳感器信息需要多路傳輸，且容易受到干擾，難以構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化傳輸， 本文提出了多種傳感器信號(hào)多路混合采集的設(shè)計(jì)方法，以STM32 微處理器為核心，通訊接口采用CAN2.0協(xié)議，通過采集器實(shí)現(xiàn)傳感器信息的集中采集與處理，實(shí)現(xiàn)傳感器信息數(shù)字化管理和網(wǎng)絡(luò)化傳輸； 本文根據(jù)自動(dòng)化程序較高的短壁開采設(shè)備連采機(jī)和掘錨機(jī)的設(shè)計(jì)需求，對其應(yīng)用的傳感器種類及信號(hào)，確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接口種類和數(shù)量，設(shè)備配備水壓傳感器、液壓系統(tǒng)壓力傳感器、傾角傳感器、位移傳感器、溫度傳感器，根據(jù)功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備5 路模擬量4～20mA 接口；8 路開關(guān)量信號(hào)采集用于電機(jī)過熱保護(hù)信號(hào)檢測。

1 系統(tǒng)總體方案

主控芯片STM32F103ZET6 是意法半導(dǎo)體公司基于“Cortex-M3”內(nèi)核的高性能、低功耗控20 制器，不僅具有豐富的外設(shè)擴(kuò)展能力，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2]。 該芯片最高72MHz 工作頻率，具有2 個(gè)基本定時(shí)器、4 個(gè)通用定時(shí)器、2 個(gè)高級(jí)定時(shí)器。

系統(tǒng)組成包括主控芯片MCU、各功能模塊供電電源、開關(guān)量采樣隔離、模塊量信號(hào)采樣隔離、CAN 總線通訊及各信息濾波電路等組成，8 路DI 信號(hào)采集可用于電機(jī)過熱保護(hù)或其它開開關(guān)量信號(hào)，5 路AI 信號(hào)用于采集4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)傳感器信號(hào)， 采集器將采集信息通過CAN 總線將信息傳遞給PLC 控制器。 系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示。

圖1 總體方案框圖Fig.1 Overall scheme block diagram

2 信號(hào)采集硬件設(shè)計(jì)

2.1 開關(guān)量采集

STM32F103ZET6 的GPIO 配置為開關(guān)量輸入， 開關(guān)量采集電路適用于對開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行采集， 如設(shè)備行程開關(guān)及電機(jī)PTC 溫度保護(hù)開關(guān)等狀態(tài)信號(hào)。 為了抑制采掘設(shè)備惡劣工作環(huán)境帶來的干擾， 電路采用硬件抗干擾措施，通過PC817 光電耦合器對信號(hào)進(jìn)行光電隔離，從而實(shí)現(xiàn)了外部輸入的采集信號(hào)與STM32 的IO 點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電氣隔離， 保護(hù)STM32 芯片不會(huì)因?yàn)橥獠扛蓴_信號(hào)而損壞；為保護(hù)開關(guān)量信號(hào)的可靠性，避免干擾引起的誤動(dòng)作，電路設(shè)計(jì)高電平門檻值為18V， 只有輸入節(jié)點(diǎn)信號(hào)大于18V，光耦PC817 導(dǎo)通，GPIO 輸入為高電平；當(dāng)節(jié)點(diǎn)輸入信號(hào)電壓低于18V 時(shí)PC817 處于截至狀態(tài)，GPIO 輸入為低電平；同時(shí)為便于對開關(guān)量信號(hào)的直觀檢測，電路通過LED 發(fā)光二極管對電路進(jìn)行指示，光耦導(dǎo)通時(shí)LED 發(fā)光；為增加對光耦的保護(hù)， 防止干擾信號(hào)帶來的電壓突變及尖峰電壓， 在限流電阻R2 的兩端并聯(lián)二極管1N4007[3]。其中一路的開關(guān)量采集電路如圖2 所示。

圖2 開關(guān)量采集電路Fig.2 Switching value acquisition circuit

開關(guān)量采集電路器件參數(shù)匹配， 光耦導(dǎo)通時(shí)電流為4～10mA，輸入點(diǎn)為24V 最高電壓時(shí)，光耦導(dǎo)通，R1 和R3構(gòu)成回路，所以：

當(dāng)輸入電壓信號(hào)小于18V，確保光耦截止，即電流小于4mA，電阻R1，R3 和R2 構(gòu)成輸入回路，所以：

在設(shè)計(jì)中，選擇R1=R3=2kΩ，R2=1kΩ。

2.2 模擬量采集

模擬量轉(zhuǎn)換通過ADC 控制器完成，ADC 即是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器， 它可以將不同的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制器可識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，STM32F103ZET6 帶3 個(gè)ADC 控制器， 每個(gè)ADC 控制器具有16 個(gè)外部通道和2 個(gè)內(nèi)部信號(hào)源共18 個(gè)通道；ADC 轉(zhuǎn)換通道根據(jù)實(shí)際使用可設(shè)置為規(guī)則通道組和注入通道組兩種模式[4]。規(guī)則通道組是依據(jù)程序設(shè)置對各個(gè)通道的數(shù)據(jù)依次進(jìn)行采集，循環(huán)執(zhí)行，適用于多通道ADC 數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸；注入通道組相當(dāng)于中斷采集，優(yōu)先級(jí)比規(guī)則組高，注入組通道可以打斷規(guī)則組通道的采集，適用于關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集，注入組最多可以同時(shí)設(shè)置4 個(gè)通道，是程序有需求是才執(zhí)行ADC 通道的數(shù)據(jù)采集。 本文的設(shè)計(jì)采用規(guī)則組通道， 按順序依次對10路模擬量信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。 采集的數(shù)據(jù)結(jié)果通過DMA（內(nèi)存直接存?。┓绞街苯觽鬏?，ADC 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸前CPU對DMA 控制器進(jìn)行初始化，GPIO 模擬量口提出DMA 請求，當(dāng)CUP 當(dāng)前任務(wù)完成后，告訴DMA 控制器獲得總線控制權(quán)， 在DMA 控制器指揮下，ADC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)字量信號(hào)直接復(fù)制到程序配置好的變量中，無需CPU 執(zhí)行程序，節(jié)省CPU 資源。

傳感器接口的模擬信號(hào)為4～20mA 的電流信號(hào)，所以必須經(jīng)過信號(hào)調(diào)理將其轉(zhuǎn)化為ADC 可檢測的3.3V 以下的電壓信號(hào)，ADC 轉(zhuǎn)換器才可以進(jìn)行模擬/數(shù)量轉(zhuǎn)換，輸入到STM32 模擬量電壓信號(hào)范圍必須是0～3.3V，超過3.3V 可能會(huì)燒毀控制器的GPIO 口[5]。

STM32F103 的ADC 分辨率12 位，基準(zhǔn)電壓3.3V，即是3.3V 電壓對應(yīng)控制器數(shù)字量為4095，假定采樣電壓為x，ADC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換數(shù)字量的值為y，則y=4095x/3.3。

2.3 CAN 總線通訊

CAN 是控制網(wǎng)絡(luò)（Control Area Network）的簡稱，由德國BOSCH 公司提出，CAN 總線是當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域使用最廣泛的現(xiàn)場總線技術(shù)之一， 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。信號(hào)傳輸采用雙絞線，最高速率可達(dá)1Mbps；支持多種通訊方式，CAN 數(shù)據(jù)采用短幀傳輸，每一幀數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)為8 個(gè)字節(jié)，降低了受干擾率[6]。

CAN 總線收發(fā)器采用TJA1050， 是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN 收發(fā)器，適用于物理總線和CAN 總線協(xié)議控制器之間的接口芯片，通信速率最高可達(dá)1Mbps，具有CAN 協(xié)議控制器與總線上傳輸差分信號(hào)的功能， 主要實(shí)現(xiàn)邏輯電平與CAN 總線信號(hào)“顯性”，“隱性”的轉(zhuǎn)換，為濾除總線上高頻干擾在CANH 和CANL 腳與地之間并聯(lián)2 個(gè)30P 的電容，D7、D8 兩個(gè)二極管可以起到發(fā)生瞬變干擾時(shí)的保護(hù)作用[7]。 CAN 總線接口電路如圖3 所示。

圖3 CAN 總線接口電路Fig.3 CAN bus interface circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

程序主要包括主程序、初始化程序、CAN 總線通訊程序、數(shù)據(jù)采集及處理程序。主程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各功能循環(huán)調(diào)用， 初始化程序?qū)ο到y(tǒng)時(shí)鐘及GPIO 口進(jìn)行配置，CAN 總線通訊程序采用定時(shí)中斷執(zhí)行，數(shù)據(jù)發(fā)送周期100ms，數(shù)據(jù)采集及處理，負(fù)責(zé)對GPIO 口輸入信號(hào)采集，并設(shè)置軟件濾波函數(shù)，提高數(shù)據(jù)的可靠性[8]。 軟件控制流程如圖4 所示。

圖4 軟件控制流程Fig.4 Software control process

4 采集器應(yīng)用測試

采集器外殼采用不銹鋼，標(biāo)準(zhǔn)AO 引入裝置，通過調(diào)試及檢測， 模數(shù)轉(zhuǎn)換線性度良好， 數(shù)據(jù)采集器CAN 總線數(shù)據(jù)偵格式如表1。

采集器發(fā)送數(shù)據(jù)偵0x185 的第1 個(gè)字節(jié)為心跳字節(jié)，每100ms 發(fā)送一次該值增加1，PLC 通過該字節(jié)心跳數(shù)據(jù)的變化， 判斷采集器CAN 總線通訊是否正常，第3 個(gè)字節(jié)對應(yīng)數(shù)據(jù)采集器8 路開關(guān)量輸入信號(hào)， 最后2 個(gè)字節(jié)第1 路AI 信號(hào)；0x285 數(shù)據(jù)偵對應(yīng)4 路模擬量信號(hào)，每1 路占用2 個(gè)字節(jié)，模擬量信號(hào)測試用0～20mA 信號(hào)發(fā)生器， 分別在0mA、4mA、10mA、16mA、20mA 測試每路AD 轉(zhuǎn)換值[9]，用USBCAN 記錄總線數(shù)據(jù)如表2 所示。

表1 CAN 總線數(shù)據(jù)格式Tab.1 Can bus data format

表2 模擬量數(shù)據(jù)Tab.2 Analog data

測試結(jié)果表明，CAN 總線數(shù)據(jù)采集器具有良好的采集轉(zhuǎn)換性能，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文結(jié)合連采機(jī)、 掘錨機(jī)等自動(dòng)化水平較高的煤礦采掘設(shè)備應(yīng)用傳感器較多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于STM32 的CAN 總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)多種傳感器信號(hào)的混合采集，就近完成，減少系統(tǒng)布線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，便于系統(tǒng)檢測與維護(hù)[10]；主控制器不需要信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換模塊，節(jié)約硬件成本；CAN 數(shù)據(jù)采集器的已成功應(yīng)用于連采機(jī)、掘錨機(jī)等設(shè)備， 同時(shí)可為煤礦其它采掘設(shè)備自動(dòng)化升級(jí)改造提供了技術(shù)支持，方便設(shè)備新增傳感器接入控制系統(tǒng)。