基于CAN總線煤礦瓦斯智能節點的研究與設計

摘 要:煤礦瓦斯氣體監測的系統是保證煤礦生產安全的必備設備，分析國內外煤礦瓦斯氣體監測系統特點，提出基于CAN總線煤礦瓦斯氣體監測的網絡系統。著重介紹以P80C592單片機作為CAN總線煤礦瓦斯智能節點，研究設計CAN總線通信接口電路、MAX306數據采集電路以及相應的軟件設計等。通過研究設計表明智能節點具有簡單明了、體積小、性能高、成本低廉、抗干擾能力強等特點，能夠滿足煤礦瓦斯氣體監測的網絡系統要求。

關鍵詞:CAN總線;瓦斯;傳感器;遠程監控

中圖分類號:TD672;TP336文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)02-099-03

Research and Design of Intelligent Nodes for Coal Mine Gas Based on CAN Bus

SHI Qingjun，JIANG Chongran，CHEN Wenping，XU Binshan

(School of Information and Electronic Technology，Jiamusi University，Jiamusi，154007，China)

Abstract:Coal mine gas monitoring system is a necessary device ensuring production in colliery.The characteristics of coal mine gas monitoring systems at home and abroad are analysed and coal mine gas monitoring network system based on CAN Bus is introduced.Focusing on coal mine gas intelligent node using P80C592 single chip on CAN Bus，CAN Bus communication interface circuits and MAX306 data acquisition circuits together with its application software are researched and designed.Intelligent nodes have been proved with characteristics of simpleness，small volume，high performance，low cost and strong anti_jamming.They can fulfill the demands of coal mine gas monitoring network system.

Keywords:CAN Bus;gas;sensor;remote monitoring

0 引 言

我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，也是世界上少數幾個以煤為主要能源的國家之一。煤炭中含有大量的甲烷(CH4)等易燃易爆氣體，它是瓦斯形成的主要成分，發生瓦斯事故后會造成巨大的經濟損失，危及礦工的生命。隨著煤礦開采技術手段的不斷改進和開采規模的擴大及開采深度的不斷延伸，安全隱患越來越多，特別是重大、特大瓦斯事故在煤礦事故中所占的比例也越來越高。如果不控制住瓦斯事故，就不能實現煤礦安全生產狀況的穩定，也就無法保障煤炭工業的持續健康發展。所以，對煤礦井下瓦斯氣體進行快速準確的監測顯得尤其重要，對易燃易爆混合氣體監測系統的開發也成為重中之重 [1]。

世界各國也均有煤礦瓦斯氣體監測的系統，如波蘭的DAN640O、法國的TF200、德國的MINOS和英國的Senturion-200等，其中全礦井綜合監測控制系統有代表性的產品有美國MSA公司生產的系統，德國BEBRO公司的PROMOS系統。但是這兩種系統只是基于井下監測，并無數據上傳，不能實現智能化監控。我國監測監控技術應用較晚，20世紀80年代初，從波蘭、法國、德國、英國和美國等引進了一批安全監測系統，裝備了部分煤礦;在引進的同時，通過消化、吸收并結合我國煤礦的實際情況，先后由重慶煤科院、遼寧撫順煤科院等國內知名煤礦科學研究所研制出KJ 2，KJ 4，KJ 5，KJ 10，KJ 13，KJ 19，KJ 38，KJ 66，KJ 75，KJ 80，KJ 92，KJ 95，KJ 101等煤礦有害氣體監測系統，在我國煤礦已有大量使用，但其中很大一部分儀表的傳輸數據是模擬方式，將氣體濃度轉化為脈沖量，易受礦井下強電磁設備干擾，造成監測結果不準確，易出現誤報警等現象[2]。

鑒于此提出基于CAN總線研究設計方案，系統結構見圖1，工作原理如下，每個智能節點可以監測64點瓦斯，每個智能節點把監測的數據通過CAN總線傳輸到上位機，上位機根據傳輸的數據做出決定。上位機系統采用PCI總線工業控制機和CAN總線接口通信卡，軟件采用VB或組態軟件編寫應用程序，下位機(也稱遠程智能節點)采用單片機設計，下面著重研究設計智能節點[3]。

CAN總線直接通信距離最遠可達到10 km(速率在5 KB/s以下)，在通信距離為40 m以內時，通信速率最高可達到1 Mb/s。CAN總線節點數主要取決于總線驅動電路，目前可達到110個，如果需要更多節點，可以利用中繼器，實現網絡節點的增加和傳輸距離的延長[4，5]。

圖1 分布式控制系統結構框圖

1 智能測控節點的硬件組成

CAN總線智能測控節點的總體設計的結構框圖如圖2所示。硬件組成主要由P80C592單片機、多路轉換器、可燃氣傳感器、CAN總線電路組成。

圖2 智能測控節點硬件總體設計的結構框圖

1.1 智能節點的CAN總線通信接口電路設計

CAN總線系統智能節點如圖3所示，為 CAN 總線通信硬件電路原理圖。圖3可以看出，電路主要由三部分所構成:P80C592芯片、高速CAN 總線收發器 TJA1050[6]和高速光電耦合器 6N137。

圖3 智能節點的CAN總線通信接口電路

P80C592是Philips公司采用先進的COMS工藝制造的高性能8位單片機[7]。該單片機的指令集與80C51完全兼容，但在80C51標準特性的基礎上又增加了一些對于應用具有重要作用的硬件功能。該器件具有下列特性:帶有80C51中央處理單元(CPU);帶2×256 KB的片內RAM，外部可擴展至64 KB;具有兩個標準的16位定時器/計數器;新增一個包括四個捕獲和三個比較寄存器的16位定時器/計數器;具有8路模擬量輸入的10位ADC變換器;帶有兩路分辨率為8位的脈沖寬度調制輸出;具有兩級優先權的15個中斷源(可以有2～6個外部中斷源);具有五組8位I/O端口和一組與ADC模擬量輸入共用的8位輸入口;帶有與內部RAM進行DMA數據傳送的CAN控制器;內含具有總線故障管理功能的1 Mb/s CAN控制器;VDD/2基準電壓;具有與標準80C51兼容的全雙工UART模式;帶有在片監視跟蹤定時器(WDT);時鐘頻率為1.2～16 MHz。

1.2 MAX306數據采集電路的設計

MAX306是由Maxim Integrated Products公司生產的16通道CMOS模擬多路轉換器，是一款16選1模擬開關。使用時注意不用引腳一定要處理，一般通過電阻接地。導通速率0.2 μs，雙電源，漏電流2 nA。由于P80C592單片機具有8路模擬量輸入的10位ADC變換器，用4個MAX306和P80C592單片機4路模擬量輸入的10位ADC306變換器連接，可以組成64點瓦斯監測，MAX306和P80C592單片機連接如圖4所示。

圖4 MAX306和P80C592單片機連接電路

1.3 氣體傳感器KGS-20

該設計用KGS-20型可燃氣傳感器以二氧化錫為基本敏感材料[8]，其結構如圖5所示，專門用于可燃氣濃度檢測的一種半導體型氣體傳感器。它的基本特征是:極高靈敏度和極快的響應速度，且功耗低。KGS-20型可燃氣傳感器適用于對瓦斯等可燃氣濃度的檢測，用于瓦斯報警器，可燃氣報警器，瓦斯檢測儀等。KGS-20型可燃氣傳感器經過信號調理連接到16選1模擬開關MAX306。

圖5 KGS-20型可燃氣體傳感器

2 智能測控節點的軟件組成

CAN總線智能節點的軟件設計主要包括三大部分:CAN節點的初始化、報文發送和報文接收。熟悉這三部分的設計，就能編寫出利用CAN總線進行通信的一般應用程序。

當然，如果要將CAN統中，還需詳細了解有關CAN總線的錯誤處理、總線關閉處理、驗收濾波處理、波特率參數設置和自動檢測以及CAN總線通信距離和節點數的計算等方面的內容[9，10]。CAN智能測控節點流程如圖6所示，按照流程圖利用匯編語言或C51編寫相應的程序[11]。

3 結 語

基于CAN總線64路煤炭瓦斯氣體傳感器可燃氣體監測技術是信息采集與CAN網絡通信相結合的產物，用以實現現場數據的采集、分析和通信等多種功能，但是由于CAN總線沒有防爆功能，所以設計一定要考慮加防爆隔離柵。

利用P80C592單片機本身具有模擬量輸入的10位ADC變換器和帶有與內部RAM進行DMA數據傳送的CAN控制器，減小了體積。該設計具有簡單明了、性能高、成本低廉、抗干擾能力強等特點。

圖6 CAN智能測控節點流程圖

參考文獻

[1]郭勇義，何學秋，林柏泉.煤礦重大災害防治戰略研究與進展[M].徐州:中國礦業大學出版社，2003.

[2]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國礦業大學出版社，1992.

[3]李海臣.采用納微傳感器和單片機對煤礦井下瓦斯濃度實現遠程閉環監控[J].工礦自動化，2005(5):27-28.

[4]夏德海.現場總線的現狀及其發展趨勢[J].電氣時代，2006(8):16-19.

[5]饒運濤，鄒繼軍，王進宏.現場總線CAN原理與應用技術[M].2版.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

[6]Philips Semiconductors.TJA1050 High Speed CAN Tran_sceiver Datasheet[Z].2000.

[7]Philips Semiconductors.P8xC59l Single Chip 8 B Controller with CAN Controller Datasheet[Z].1999.

[8]童敏明.新型瓦斯傳感器關鍵技術的研究[J].中國礦業大學學報，2003，33(1):56-58.

[9]姜重然，陳文平，單琳娜.基于單片機以太網節點及精簡TCP/IP協議棧的設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2008(8):73-75.

[10]姜重然，陳文平，單琳娜.基于現場總線一種報文優先級產生與檢測方法[J].測控技術，2008(9):54-56.

[11]蘇小紅，陳慧鵬，孫志剛.C語言大學實用教程[M].北京:電子工業出版社，2007.

作者簡介

史慶軍 男，黑龍江穆棱人，1966年出生，碩士研究生，副教授。主要從事電子信息研究與教學工作。