煤礦井下安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中CAN總線技術(shù)的應(yīng)用

郭超　郭美娟

摘 要：礦井工作環(huán)境惡劣，礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要作用就是持續(xù)監(jiān)測(cè)到誘發(fā)礦井災(zāi)害的安全隱患問(wèn)題，并及時(shí)采取安全處理措施?；贑AN總結(jié)技術(shù)的礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，保證安全問(wèn)題監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性及安全性，從而有效降低礦井事故發(fā)生率。文章就針對(duì)CAN總線技術(shù)在煤礦井下安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：礦井；安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；CAN總線技術(shù)

煤礦作業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、涉及到大型的機(jī)電設(shè)備多，且工作環(huán)境高溫高濕，十分惡劣，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用可在最大程度上保障井下作業(yè)人員的人身安全，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

1 煤礦通信的特點(diǎn)

與其它行業(yè)的通信系統(tǒng)相比，煤礦通信具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：首先，環(huán)境惡劣。系統(tǒng)觀測(cè)點(diǎn)多數(shù)均位于井下及高壓設(shè)備環(huán)境中，日常工作均處于較強(qiáng)的電磁輻射及潮濕腐蝕的狀態(tài)，惡劣的工作環(huán)境不僅會(huì)影響到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，而且會(huì)干擾數(shù)據(jù)傳輸。其次，檢測(cè)對(duì)象種類多。由于礦井下的危險(xiǎn)因素比較多，很多環(huán)境參數(shù)可能會(huì)與事故的發(fā)生與發(fā)展有直接相關(guān)性，比如通風(fēng)不足會(huì)導(dǎo)致瓦斯?jié)舛壬?，達(dá)到一定程度可能發(fā)生爆炸；再比如一氧化碳可能會(huì)導(dǎo)致工作人員中毒等，因此煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須準(zhǔn)確測(cè)量每一項(xiàng)安全參數(shù)，并準(zhǔn)確的傳輸至控制中心，以保證煤礦生產(chǎn)的安全性。最后，測(cè)量點(diǎn)分布廣泛。煤礦生產(chǎn)范圍大，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須廣泛分布于各個(gè)測(cè)量點(diǎn)，才可以保證監(jiān)測(cè)范圍更加全面，這也就無(wú)形中增加了傳感器信號(hào)及其它檢測(cè)信號(hào)傳送的復(fù)雜性，對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)陌踩?、可靠性要求也更高?/p>

2 CAN總線技術(shù)概述

CAN總線技術(shù)是德國(guó)Bosch公司推出的一種現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)，屬于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是一種串行通信總線，其可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，與其它總線技術(shù)相比，CAN具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性與要靠性，且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，并獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本相對(duì)更低，因此在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在礦井生產(chǎn)中，CAN總線采用的是雙絞線介質(zhì)，采用差分電壓進(jìn)行信號(hào)采集，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)良好的抗干擾性能，因此是礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中理想的總線技術(shù)。在礦井安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中，溫濕度、可燃?xì)怏w的含量是重要參數(shù)，井下保持正常的溫濕度，可降低礦井火災(zāi)發(fā)生的機(jī)率，而且工作人員處于正常的工作環(huán)境中，其工作效率也更高；監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w的主要目的是防止瓦斯爆炸，如果空氣中的可燃的氣體濃度過(guò)高，則系統(tǒng)傳統(tǒng)器就會(huì)監(jiān)測(cè)到，并根據(jù)設(shè)定值發(fā)送警報(bào)，便于管理人員采取有效的應(yīng)對(duì)措施。

3 煤礦井下安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中CAN技術(shù)的應(yīng)用

本研究以某礦井為例，對(duì)其安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

基于CAN技術(shù)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括微處理器模塊、CAN總線模塊及濾波器。根據(jù)煤礦井下環(huán)境要求，本系統(tǒng)的通信管理機(jī)CPU選擇ATMEL公司的8位高性能嵌入式微處理器ATmega64，其采用單循環(huán)周期指令，可獲得較快的執(zhí)行速度，而且穩(wěn)定性強(qiáng)，可以滿足通信管理機(jī)的要求。CAN總線上數(shù)據(jù)收發(fā)采用中斷的方式，以保證通信管理機(jī)的實(shí)時(shí)性；ATmega64共提供2個(gè)串口，其中一個(gè)通過(guò)Max232提供RS-232串行通訊口，另一個(gè)串口則留作備用，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)備份功能。CAN控制器SJA 1000及CAN收發(fā)器MCP2551實(shí)現(xiàn)CAN總線模塊的CPU與CAN總線的連接，單片機(jī)I/O口與SJA 1000的各個(gè)引腳相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及總結(jié)控制。SJA 1000在擴(kuò)展模式下可以選擇單濾波器模式或雙濾波器模式，該系統(tǒng)選擇單濾波器模式。CAN總線上協(xié)議規(guī)定把廣播節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀過(guò)濾器中的一個(gè)數(shù)據(jù)幀設(shè)定為接受任何標(biāo)識(shí)符節(jié)點(diǎn)，當(dāng)廣播節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送至總線時(shí)，總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)均可接受到其所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的編程方法，根據(jù)不同的功能將不同的模塊劃分開(kāi)來(lái)，并按層次結(jié)構(gòu)組織起來(lái)，以提高編程效率及系統(tǒng)運(yùn)行效率，且后續(xù)的升級(jí)、擴(kuò)展也更加便利。

（1）主節(jié)點(diǎn)程序：地面監(jiān)控中心要求間隔1s即獲取一次井下數(shù)據(jù)，因此各個(gè)子節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)的周期也是1s，相應(yīng)的，CAN總線的總線周期即為1s。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)廣播幀、控制參數(shù)通訊幀等信息會(huì)由主節(jié)點(diǎn)在每個(gè)總線周期內(nèi)發(fā)送至各個(gè)子節(jié)點(diǎn)，按照發(fā)送幀的順序，子節(jié)點(diǎn)再將對(duì)應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)傳遞出來(lái)。由此可見(jiàn)，子節(jié)點(diǎn)是按照不同的節(jié)點(diǎn)編號(hào)來(lái)決定傳遞的優(yōu)先級(jí)別，面子節(jié)點(diǎn)的發(fā)送周期則由節(jié)點(diǎn)數(shù)量來(lái)決定。當(dāng)然，實(shí)際工作中，需要根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，如果CAN總線的節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少，相應(yīng)的系統(tǒng)波特率也會(huì)發(fā)生變化。

（2）子節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)：確認(rèn)幀由主節(jié)點(diǎn)發(fā)送完畢后，通用子節(jié)點(diǎn)的AD采樣模塊啟動(dòng)進(jìn)行持續(xù)的數(shù)據(jù)采集，在接收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令后，通用子節(jié)點(diǎn)的控制定時(shí)器即刻起動(dòng)，向主節(jié)點(diǎn)逐幀發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，整個(gè)過(guò)程均處于發(fā)送周期內(nèi)。數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成后檢測(cè)CPU復(fù)位情況。

（3）軟件抗干擾措施：由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于一個(gè)十分復(fù)雜的工作環(huán)境，雖然硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用了抗干擾措施，但是抗干擾不能完全依靠硬件來(lái)解決，軟件抗干擾措施十分必要。首先開(kāi)發(fā)自檢程序，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的硬件、軟件狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；其次采用軟件濾波功能，使用軟件檢測(cè)算法可以解決原來(lái)硬件電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理問(wèn)題，各個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)硬件本身存在的缺陷或弱點(diǎn)均可以通過(guò)軟件檢測(cè)算法克服或彌補(bǔ)，以提高系統(tǒng)的綜合性能。本系統(tǒng)采用的是算術(shù)平均值濾波法，該方法是將輸入的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，再將所得數(shù)據(jù)除以采樣次數(shù)，最終得出本次采樣的有效數(shù)據(jù)。

總之，CAN總線是一種面向一般工業(yè)設(shè)備的高速通信總線，其具有實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)的特點(diǎn)，在特殊的煤礦井下工作環(huán)境中，在煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用CAN總結(jié)技術(shù)是切實(shí)可行的，且應(yīng)用前景十分廣闊。

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