基于CAN總線的液壓支架壓力傳感器自動化系統的設計

劉遠志，潘宏俠，閆 磊，趙潤鵬

（中北大學 機械工程與自動化學院，山西 太原 030051）

隨著采煤技術的發展，液壓支架的控制系統得到了長足的發展,控制系統逐漸由原來的手動操作改進為自動控制。每臺液壓支架在其立柱下腔裝有一個壓力傳感器,實時監測立柱下腔內液體壓力的變化,以此來了解液壓支架與頂板的相互作用情況，同時判斷支架是否處于良好的工作狀態。

壓力檢測是液壓支架電液控制的重要基礎之一。在支架立柱下腔安裝壓力傳感器，獲取液體壓力變化的電壓信號，通過單片機對電壓信號進行采集和處理，并與系統總線通訊，進一步將信號送入中央控制室，以利于控制室及時有效的監視及控制。

本文從智能傳感器設計的各個環節入手，致力于設計一款能適應煤礦井下環境的液壓支架壓力傳感器，以適應現代煤礦監控系統的發展需求，提高監控系統的實時監控功能。

1 智能壓力傳感器的選擇

煤礦用液壓支架的壓力測量范圍在1~100MPa之間，如果考慮到破壞壓力與壓力量程之間的關系，則要求傳感器要能承受近乎400MPa的壓力。壓阻式壓力傳感器有著輸出阻抗低、可進行動靜態測量、輸出信號大及精度高等獨有的優點。壓阻式傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。基于以上因素考慮，提出以下技術指標：壓力量程:0～100MPa；過載能力:1.5倍額定壓力；破壞壓力:4倍額定壓力；精度:1.0級；供電電壓:5V.DC。

經計算，本設計中MC傳感器有限公司MPM281系列壓阻敏感元件中的MPM28110。

2 CAN的硬件設計

通常每個CAN模塊能夠被分成不同的功能塊，SJA1000用最優化的CAN收發器連接到CAN總線，收發器控制從CAN控制器到總線物理層或相反的邏輯電平信號。上面一層是一個CAN控制器，它執行在CAN規范里規定的完整的CAN協議。它通常用于報文緩沖和驗收濾波。而所有這些CAN功能都由一個模塊控制器控制，它負責執行應用的功能。例如，控制執行器、讀傳感器和處理人—機接口（MMI）。如圖1所示，SJA1000獨立的CAN控制器通常位于微型控制器和收發器之間，大多數情況下這個控制器是一個集成電路。

圖1 SJA1000獨立的CAN模塊裝置

節點微控制器選用單片機AT89S52,CAN接口由獨立控制器SJA1000和CAN控制器接口芯片82C250組成。SJA1000在軟件上和引腳上都是與它的前款PCA82C200獨立控制器兼容的，并增加了許多新功能:標準幀數據結構和擴展幀數據結構，并且這兩種幀格作為式都具有單/雙接收過濾器;64字節的接收FIFO;可讀寫訪問的錯誤計數器和錯誤限制報警以及只聽方式等等。

CAN總線網絡接口。CAN網絡接口見圖2。

圖2 CAN總線網絡接口圖

從圖2可知，CAN網絡接口主要由CAN控制器SJA1000、光耦6N137（可省）和 CAN總線驅動器PCA82C250組成。其中，SJA1000的ADO～AD7與AT89S52的P0口相連，AT89S52的P2.7口作為SJA1000的片選信號輸入，當P2.7為低電平時通過片外存儲器選中SJA1000并對其進行相應的讀些操作，SJA1000的RD、WR、ALE分別與AT89S52的相應管腳相連，INT接INT0，可實現對SJA1000中斷方式訪問。CAN控制器SJA1000是實現數字信號在CAN總線上穩定可靠地傳輸的主要器件，正是它完成了對報文的發送、接收、濾波等一系列通訊任務。

3 CAN的軟件設計

3.1 CAN通信軟件的程序設計

通過CAN總線建立通訊的步驟是：

（1）系統上電后。①根據SJA1000的硬件和軟件連接設置主控制器。②根據選擇的模式、驗收濾波、位定時等等設置CAN控制器的通訊這也是在SJA1000硬件復位后進行。

（2）在應用的主過程中。①準備要發送的報文并激活SJA1000發送它們。②對被CAN控制器接收的報文起作用。③在通訊期間對發生的錯誤起作用。

CAN總線節點要有效、實時地完成通信任務，軟件的設計是關鍵，也是難點。它主要包括節點初始化程序、報文發送程序、報文接收程序，以及CAN總線出錯處理程序等等。

3.2 CAN通信單元程序流程圖

（1）CAN接收函數。該函數讀取SJA1000接收緩沖區中的有效數據，并將接收到的數據存入相應的數據區。接收報文完畢后，釋放接收緩沖區。程序流程圖如圖3所示。

（2）CAN發送函數。該函數首先檢查控制器是否還在處NL理上一幀報文，如果已經完成上一幀報文的發送，則向SJA1000發送緩沖區寫入待發送的報文，并向SJA1000發啟動發送命令，將報文發送出去。程序流程圖如圖4所示。

圖3 CAN接收函數流程圖

圖4 CAN發送函數流程圖

4 結語

本文研制的基于CAN總線的井下智能壓力傳感器系統是根據煤礦井下液壓支架壓力傳感器使用情況及其發展趨勢而提出的，并且也結合了國內外同類產品的發展現狀及趨勢，很好地解決了礦用液壓支架壓力傳感器在壓力檢測、傳感器防護、抗干擾及通訊的難題。隨著現代通訊技術和計算機技術的發展,高性能的煤礦監測監控系統在我國有著廣闊的前景。

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