基于CAN总线的矿井安全监测系统

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摘要现有的RS-485总线已无法满足矿井安监系统对数据通信的要求，为保证监测系统的通信质量，提出了基于CAN总线的矿井安全监测系统，详细地描述了系统的构成、软硬件设计以及抗干扰措施，给出了CAN通信节点的硬件接口电路。实践证明该系统能够在矿井下面长期可靠运行。

关键词监测系统； CAN总线； CAN通信节点

中图分类号TN492文献标识码A

A coal-mine safety monitoring system based on CAN bus

LuBin1LiQuan2Gao Wen-ping3

1(School OF Information And Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, XuZhou 221008)

2(School OF Information And Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, XuZhou 221008)

3(School OF Information And Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, XuZhou 221008)

【Abstract 】 At present the RS-485 field bus cannot meet the requests of the coal-mine safety monitoring system"s correspondence. To ensure the communication quality of the monitoring system, a coal-mine safety monitoring system based on CAN bus is proposed. This paper has described the composition of the system、the software and hardware design and anti-interference measures in detail. The hardware interface circuit of the CAN communication node is also given in this paper. Practice has proved that the system can run reliably for a long time under the colliery.

【Key words】monitoring system; CAN bus; CAN communication node

0 引 言

近几年来，基于对矿井安全生产监测的需要，国内外先后研制出多种类型的安全监测系统，其中CAN通信节点是矿井监测系统的重要组成部分，是井下各安全监控模块与井上安全监控中心之间数据传输的枢纽，并且负责安全监控中心与安全监控模块之间的数据采集与通信。这些节点能否有效地工作决定了矿井安全监测的质量，因此CAN通信节点在矿井安监中发挥着重要作用。而传统的矿井安全监测系统信息传输广泛采用的是RS485通信方式，这种传输总线技术在信息传输方面仍有许多无法克服的缺点，主要表现在：各种类型的监测系统均为主从式结构，网络上只能有1个主节点，无法构成多主冗余系统，当主节点出现故障后，系统将无法运行；各种形式的分站虽然功能相似，但缺乏统一的规范和通信协议，所以系统是封闭的；波特率较低，传输距离短，可靠性和实时性满足不了实时监测的要求。

相比较RS485串行通信系统，现场总线技术[1]的出现使得建设基于网络的开放性矿井监测系统成为可能，而基于CAN总线的监测系统具有可靠性高、实时性高、抗干扰能力强、传输距离远、自身具有差错控制能力、协议规范等优点[2]。为此，本文设计了基于CAN总线的矿井开全监测系统。

1系统方案的确定

系统方案的选择是在满足系统功能要求的基础上必须保证系统的稳定工作，有利于系统后期的维护和功能的升级，同时在这个基础上考虑系统的产品化。产品化要求系统具有较低的硬件成本，从而降低整个系统的生产成本，使产品具有较高的性价比。本文研究的井下安全监测系统工作于地面以下600米到1000米的深度，需要采集井下多个位置、不同种类的传感器等测量元件的各种类型的数据。因此采用了分布式采集方式，即在不同位置配置多个数据采集设备。每个单独的采集设备称为一个CAN通信节点，每个节点配置有微处理器芯片及数据接口等元件。在全部数据采集节点中选择一个设置为主节点，与其他各个节点相连组成网络，接收这些数据采集节点传来的数据，对数据进行打包处理后上传给地面的监控中心；网络中的其他节点称为子节点。系统的整体结构如图1所示。

图1系统的整体结构图

Fig.1 The system"s overall structure

由图可见，系统主要是由数据处理节点和节点间的通信网络两部分组成。系统通信网络选用一主多从的形式[3]，在实际使用中，子节点的个数可以按照实际情况需要自由增减。主节点和子节点在系统中具体功能如下：主节点不但要从外接传感器等测量元件采集数据，还要收集来自各子节点的数据，将其整理后发送给地面监控中心，以便地面的工作人员对数据进行分析、处理并根据结果掌握井下情况。此外，主节点还要接收由地面计算机发来的命令，并将地面的命令下发给各子节点。各子节点一方面要完成对来自传感器测量得到的数据的采集和处理；另一方面，要及时把系统的实时数据传输给主节点，在收到主节点的命令数据后，还要根据发来的命令数据对节点参数进行修正。可见，各子节点仅负责将采集数据传送给主节点，数据的传输只在主节点与子节点之间进行，而子节点彼此之间没有数据的交换。

2系统硬件设计

2.1CAN通信节点的设计与实现

CAN通信节点采用微控制器+CAN控制器+CAN收发器的方法实现。微控制器采用Microchip公司的PIC16F873A高性能8位单片机，自带SPI通信接口和10位6通道模数转换器。

CAN控制器采用Microchip公司的MCP2515 ，一般的并口CAN控制器如SJA1000和82C200，虽然读写速度快，但至少要占用13个IO口，硬件比较复杂。而MCP2515与微控制器的连接是通过SPI接口实现的，连线仅使用4个IO口，且符合CAN2.0B技术规范，能发送和接收标准和扩展数据帧以及远程帧，自带的两个验收屏蔽寄存器和6个验收滤波寄存器可以过滤掉不想要的报文。MCP2515的多种工作模式，能够灵活应用于相应的应用系统，通过它的监听模式，能够在CAN网络中实现自动波特率检测。

CAN收发器采用Microchip公司的MCP2551高速可容错CAN收发器，其差分发射和接收能力可将许多节点与同一网络相连接，MCP2551符合ISOl1898标准并具有外部控制输出斜 率的功能，可减少RFI干扰信号的发射，通过MCP2551的斜率控制输人脚还可控制 (减缓)差分输出信号 (CANH和CANL)的变化，从而降低了非屏蔽线部分网络的设计成本，同时也提高了在CAN总线传输数 据的可靠性。

在CAN控制器和收发器之间还需要加上光耦器件6N137，实现电气隔离，增加抗干扰能力[4]。CAN通信节点的电路图如图2所示。

图2 CAN通信节点的电路图

Fig.2 The circuit of the CAN communication node

2.2数据采集模块

数据采集功能是节点的核心功能之一，它决定着整个系统性能的优劣。信号传输系统大部分是4－20mA的模拟电流信号，所以需将电流信号转换为电压信号送给AD转化器的输入端，此处选用LM324运放芯片实现，Vout=1.25Vin+0.25Vref，如图3所示。

图3模拟信号采集电路

Fig.3 The circuit of the analog signal acquisition

2.3声光报警

在图4中，报警喇叭由9013晶体管来驱动，当RB1输出高电平时，晶体管9013饱和，使报警喇叭发声；当RB2输出高电平时，发光二极管亮，需要串联1K的限流电阻。

图4声光报警电路

Fig.4 The circuit of sound and light alarm

2.4电源切换电路

矿井监测系统是煤矿进行安全生产的现代化装备，井下监测系统必须装备高性能的电源才能保证监测系统安全、可靠地工作。井下监测系统共有两路电源，一路为交流127V本安电源，另一路为12V后备电池。正常情况下使用127V交流电源，当127V交流电源断电时，能够在不影响设备正常运行的情况下，自动切换到 12V后备电池。电源电路结构图如图5所示。

图5电源电路

Fig.5 The circuit of power

3系统软件设计

监测系统的软件设计采用了模块化的编程方法，对不同的模块按功能类别进行划分并按层次结构组织起来，这样的结构具有较高的编程效率和运行效率，而且易于改进和升级。对不满意的模块可单独进行修改，而不会对其他模块产生影响，从而使系统的软件系统逐步的完善起来。

3.1主节点程序设计

CAN总线的技术规范主要包括总线周期、波特率等工作参数。由于地面监控中心要求每1S获取一次井下数据，主节点从各子节点收集数据的周期也为1S，将其作为CAN总线的总线周期。每个总线周期内，主节点可以向各子节点发送系统广播帧及控制参数的通讯帧，各子节点按顺序传递该节点的采样数据，子节点的传递优先级由节点编号决定，子节点的发送周期由节点数决定。工作中的数据处理节点的节点数不是固定不变的，可能根据需要进行增减，当实际接入CAN总线的节点数较少时，可以改变CAN总线的波特率。主节点工作流程如图6所示。

图6主节点工作流程图

Fig.6 The work flowchart of the master node

3.2子节点程序设计

向主节点发送完确认帧后，通用子节点即启动AD采样模块，开始持续的数据采集，等待主节点发来的数据请求命令。收到命令请求帧后，通用子节点启动自己的控制定时器，在发送周期内向主节点逐帧发出本次测量数据。数据帧发送结束之后，检测CPU的复位标志是否为1，若不是则继续进行数据采集工作，否则复位CPU。工作流程图如图7所示。

图7子节点工作流程图

Fig.7 The work flowchart of the child’s node

3.3软件抗干扰措施

监测监控系统的使用环境、干扰情况是十分复杂的，虽然在进行硬件电路设计时采用了许多抗干扰措施[5]，但仍会存在干扰的侵入，造成数据采集误差过大、控制状态失灵、程序运行失常，甚至使系统进入“死循环”而无法正常运行的后果。可见，抗干扰不可能完全依据硬件来解决，因此软件抗干扰措施也是必不可少的。为提高系统运行的可靠性，在软件设计时，也采取了一些抗干扰措施，主要包括以下三个方面：1、自检程序：对单片机系统的硬件及软件状态进行检测，一旦发现不正常，就进行相应的处理；2、PIC16F873A单片机内部集成了看门狗电路，当程序跑飞时可实现自动复位，提高了系统的可靠性和抗干扰能力；3、软件滤波：使用软件检测算法，使许多原来靠硬件电路难以实现的信号处理方法得以解决，从而克服或弥补了包括传感器在内的各测量环节硬件本身的缺陷或弱点，提高了系统的综合性能。本文中的软件滤波采用的是算术平均值滤波法，算术平均值滤波法是把输入的N个采样数据进行求和，然后将所得的数除以采样次数N，所得的值就为本次采样的有效数据

4结 论

基于CAN总线的矿井安全监测系统在井下恶劣复杂的环境中可以充分发挥其优越性，结构简单、成本低廉、可靠性高、实时性强，自动实现监测和报警功能，系统的维护和升级也比较方便。本系统能够在井下长期稳定运行，能从最大程度上减少煤矿事故的发生。

参考文献

[1]李正军. 现场总线及其应用技术[M].北京:机械工业出版社，2006.

[2]饶运涛，邹继军，郑勇芸. 现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003．

[3]张丽，丁恩杰，何玉伟，彭瑞勇. 矿用CAN/485总线网关的设计与实现[J].工矿自动化，2007(9):96-98.

[4]王跃东，杨卫波. CAN总线技术在煤矿监测系统中的应用研究[J].煤炭工程，2006(5):107-108.

[5]史久根，张培 ，陈真勇. CAN总线系统设计技术[M].北京：国防工业出版社，2004.

作者简介：陆 斌（1988-），男，研究生，主要研究方向为电路与系统。

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