基于CAN總線的煤礦現場監測站系統設計與研究

魏立明，靖 輝，陳偉利

（吉林建筑工程學院 電氣與電子信息工程學院，長春 130118）

0 引言

目前，我國的煤礦安全管理正在從傳統管理模式向現代管理模式邁進，在控制傷亡事故，保證煤礦安全生產方面取得了長足的進步：但同時安全管理的現狀仍然不盡人意。強化安全管理，整合煤礦資源，采取現代化采煤技術、加大安全生產投入和提高工人操作水平成為我國煤礦安全生產發展趨勢[1,2]。現代化煤炭企業管理離不開現代化安全監測系統，通過對監控站系統所測參數的比較和分析，為預防災害事故提供技術數據，便于提前采取防范措施，同時在發生事故的情況下，能及時指示最佳救災和避災路線，為搶救和疏散人員提供決策信息[3]。煤礦現場監測站系統是煤礦井下各安全監控模塊與井上安全監控中心之間數據傳輸的樞紐，負責安全監控中心與安全監控模塊之間的數據采集與通信,它的有效工作決定了煤礦安全監控能否順利進行，因此煤礦現場監測站系統在煤礦安全監控系統中發揮著重要作用。

1 煤礦現場監測站系統總體方案

整個煤礦監測系統是由地面中心站、網關節點站、分支中繼器、井下現場監測站、各種傳感器以及通信介質六部分組成。整個監控系統分三級結構，即地面中心站—現場監測站—傳感器。其中地面中心站負責接收、存儲和顯示從井下現場監測站傳來的各種井下生產環境安全監控數據，并通過各個井下監測站發送各種配置命令和對現場設備的控制命令；分支中繼器在需要的地方完成通信線路的分支、中繼和介質信號的轉換；網關節點站實現現場總線協議和地面中心站計算機標準接口協議的相互轉換；傳感器負責收集各種現場環境安全監控數據和設備運行狀態數據；通信介質負責安全監控系統各設備的連接和信息的傳遞。整個煤礦監測系統結構框圖如圖1所示。

圖1 整個煤礦監測系統結構框圖

從圖1中可以看出，現場監測站在整個煤礦監測系統中占有非常重要的地位，它的總體方案的確定，直接影響其功能和指標能否實現，也關系整個監測監控系統能否正常運行。本文所設計的煤礦現場監測站綜合考慮了安全防爆、采樣速度、通訊速率、維護方便性以及使用可靠性等多方面因素，使其能夠達到以下功能：連接各類傳感器監測礦井低濃度甲烷、一氧化碳、風速、高濃度甲烷、溫度、壓力、水位等環境參數；監測風門、設備開停、皮帶運輸機等各種開關狀態參數：可循環顯示所接傳感器的數據、控制信號、通訊、供電狀態；帶有RS485通訊接口，可接入智能傳感器及其它開停設備與子系統；能與地面中心站有線通訊，接受中心站控制，執行中心站的控制命令；能夠獨立工作，實現報警、斷電控制等功能。為達到上述功能，確定如圖2所示的現場監測站與地面中心站上位機之間系統框圖。在圖2中，上位機作為監控主機，接收來自不同的現場監控站的采集數據，進行處理、顯示，并實時地對各個現場監控站進行控制；監控主機與現場監控站及現場監控站之間的通訊均采用CAN總線通訊方式；為了防止非本電路的危險能量串入本電路中，設置了安全柵。

圖2 現場監測站與地面中心站通訊的系統框圖

2 煤礦現場監測站系統硬件電路設計

現場監測站主要完成模擬量和開關量采集、初步數據處理、顯示、通訊、報警和斷電輸出等功能，為達到上述功能，其設計原則應為低成本、低功耗、容易安裝調試和維護方便。監測站系統所實現的功能應為以下幾方面：8路模擬量采集中4路用作瓦斯模擬量輸入，4路用作通用模擬量輸入，分辨率為12位；8路開關量輸入，8路開關量輸出；實現CAN總線通信；繼電器斷電輸出控制。因此，現場監測站系統硬件結構框圖如圖3所示。

從圖3中可以看出，現場監測站硬件電路模塊主要有：單片機輔助電路、液晶顯示電路、CAN通訊電路、聲光報警電路、繼電器斷電輸出電路、鍵盤輸入電路、開關量輸入電路、通用模擬量輸入電路和電源電路。其中單片機輔助電路為監測站工作提供時鐘、完成復位等功能。液晶顯示電路可以循環顯示各個通道的模擬量和開關量數據、通訊及設備運轉狀態。CAN通訊電路實現現場監測站與監控主機以及現場監測站之間的通訊。聲光報警電路的作用是當瓦斯濃度超限時實現自動報警。繼電器斷電輸出電路用于控制皮帶運輸機等大型設備的開停。鍵盤輸入電路用于各種數據的輸入與控制，設定監測站地址、輸入通道等。開關量輸入電路用于監測井下電氣設備的運轉狀態。通用模擬量輸入電路可以采集瓦斯或其他類型的模擬量。

圖3 現場監測站系統硬件結構框圖

在上述硬件電路中，選用的運算放大器為LM324。LM324是四運放集成電路，它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立，并具有相位補償電路，耗電低，電源電壓范圍寬。CAN通信收發器選用SN65HVD230芯片，該收發器具有差分收發能力，最高速率可達lMb/s。本文的設計中選擇JZC-32F型單相固態繼電器，選擇HEl205B的電磁式蜂鳴器，它的工作電流＜10mA，具有低功耗的特點，選用TLP521-4光電耦合器。現場監測站的單片機采用C805lF040作為控制核心，C805lF040具有高速8051微控制器內核，20個向量中斷源，從而大大提升了指令執行效率，對于外設的連接采用的是交叉開關設置，從而使得系統的集成度得到很大的提高，C8051F040具有完善的CAN總線控制器和獨立的CAN信息緩沖區，可以解決MCU與CAN總線之間串并轉換、不同節點間波特率誤差的校正、以及利用CAN的緩存區來解決MCU與CAN總線通訊的沖突競爭和同步等問題。現場監測站硬件選型表如表1所示。

表1 現場監測站硬件選型表

3 煤礦現場監測站系統軟件設計

現場監測站的軟件在程序設計時采用了模塊化設計方法，這種設計方法有利于程序代碼的優化，而且便于設計、調試和維護。整個監測站的軟件系統由系統主程序和任務子程序兩部分組成。系統主程序負責任務調度，任務子程序實現系統各個子功能。主程序在完成系統初始化后，順序執行各子模塊程序，直至完成任務。系統軟件組成框圖如圖4所示。從圖4中可以看出，子程序模塊主要包括：CAN串行通訊模塊、A/D轉換模塊、定時器模塊、存儲器模塊、看門狗模塊、液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊。

圖4 系統軟件組成框圖

CAN串行通訊模塊實現單片機和CAN總線之間的連接，實現現場監測站與上位機之間的數據通訊，如發送數據和接收數據等，通過CAN通訊協議來實現上下位機之間的聯系。A/D轉換模塊用來實現數據的采樣及轉換。定時器模塊用來定時數據采集、鍵盤掃描、計時等。存儲器模塊用來設定報警極限值。看門狗模塊是為了防止程序跑飛而設計的，如果它超過定時時間，則會使系統發生復位。液晶顯示模塊根據控制功能鍵的不同來顯示相應的內容。鍵盤輸入模塊用來控制顯示各模擬量和開關量的狀態，設置分站地址。現場監測站主程序流程圖如圖5所示。

圖5 現場監測站主程序流程圖

4 結論

本文將CAN總線應用于煤礦現場監測站系統中，提出了基于CAN總線的煤礦現場監測站系統的設計方案，其中針對其硬件電路進行了設計和選型，給出現場監測站的軟件設計思想與流程圖。該系統的設計為煤礦安全生產監測提供一定的理論支撐與借鑒。

[1] 劉曉文. 基于CAN總線可在線更新程序的分布式I/O監控系統[J]. 煤炭技術. 2010, 29(3):34-37.

[2] 李文峰, 趙敏. 總線式煤礦安全監控系統聯網技術[J]. 煤炭技術. 2010, 29(3): 108-110.

[3] 王志秦. 基于DSP+ARM的煤礦井下環境監控系統的設計[J]. 煤炭技術. 2011, 30(3):150-152.

[4] 饒運濤, 鄒繼軍. 現場總線CAN原理與應用技術[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2003.

[5] Thomas Nolte, Hans Hansson, Christer Norstrom.Minimizing CAN response-time jitter by message manipulation. Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium.Proceedings.The 9th IEEE, 2003,5: 27-30.