煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)中CAN通訊技術(shù)研究

徐洋 韓英 陳立東 劉磊

【摘要】 為了提高煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的可靠性，結(jié)合C8051F040和CAN總線研究煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)通訊技術(shù)。首先對全生產(chǎn)形勢進行詳細分析，然后詳細介紹了CAN和C8051F040中集成的CAN控制器，并對煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)進行總體設(shè)計，最后設(shè)計了C8051F040和CAN總線通訊接口電路。

【關(guān)鍵詞】 C8051F040 CAN 煤礦 通訊接口

目前，我國正在經(jīng)歷煤炭管理模式從傳統(tǒng)的模式向現(xiàn)代的管理模式轉(zhuǎn)變，在控制煤礦生產(chǎn)事故總量和百萬噸死亡率方面取得明顯進步，煤礦安全生產(chǎn)整體情況逐年好轉(zhuǎn)。但是煤礦行業(yè)仍然是高危行業(yè)，安全生產(chǎn)事故總量及事故影響仍然遠遠高于其他行業(yè)，減少安全生產(chǎn)事故、保障工作人員生命財產(chǎn)安全仍然是當今工作的重點。

煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)是現(xiàn)代煤礦管理模式的基石，它可以為管理和指揮人員提供井下工作環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)、人員位置等基本信息，保證在事故發(fā)生前及時采取防范措施，避免事故的發(fā)生和擴大；同時也可以在事故發(fā)生時，為指揮人員確定最佳救援路線和避險路線提供決策信息，保證井下一線工作人員能夠安全撤離和疏散。

一、CAN總線技術(shù)

1.1 CAN

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)最初是德國的Bosch公司為汽車監(jiān)測和控制而開發(fā)出的，以其高可靠性、優(yōu)異的性能及獨特的設(shè)計已經(jīng)在數(shù)控機床、農(nóng)用機械、機器人控制和設(shè)備監(jiān)測其他行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當多個節(jié)點同時給總線發(fā)送信息，優(yōu)先級低的節(jié)點主動給優(yōu)先級高的節(jié)點讓步，高優(yōu)先級的節(jié)點將不受限制繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了總線沖突仲裁時間，尤其是網(wǎng)絡(luò)負載較重的情況下也不會造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。CAN 網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需要設(shè)置不同優(yōu)先級的節(jié)點信息，節(jié)點數(shù)可達 110 個。CAN2.0A具有2032種報文標識符，CAN2.0B具有幾乎不受任何限制的擴展標準報文標識符。CAN 網(wǎng)絡(luò)通訊選擇的介質(zhì)比較靈活，可以用雙絞線、光纖也可以用同軸電纜，通訊速率在5kbps時，最遠通信距離可以達到10km，通訊速率在1Mbps通訊時，最遠通信距離可以達到40m。

1.2 C8051F040中CAN控制器

傳統(tǒng)的單片機與CAN總線是通過CAN控制器和CAN隔離收發(fā)器相連接，CPU外圍電路復雜，系統(tǒng)抗干擾能力差。C8051F040單片機內(nèi)部集成了CAN控制器和獨立CAN信息緩沖區(qū)，簡化了單片機與CAN總線連接電路，提高了信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

C8051F040的CAN總線控制器由CAN總線內(nèi)核、報文RAM（與C8051F040的RAM相互獨立）、CAN總線控制寄存器和報文處理狀態(tài)機制組成，控制器里有三個寄存器可以通過CIP-51特殊功能寄存器直接訪問，其它的寄存器只能通過CAN0ADR、CAN0DATL和CAN0DATH寄存器通過地址索引的方式間接訪問。

二、監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)是井下負責采集井下生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要有C8051F040單片機最小系統(tǒng)、傳感器、信號隔離電路、信號處理電路、聲光報警電路、顯示屏和通訊電路組成，其中C8051F040單片機最小系統(tǒng)是監(jiān)測系統(tǒng)核心，負責信號的采集、處理和通訊，同時在井下故障時給聲光報警電路發(fā)送控制指令；傳感器分為模擬信號輸出傳感器和開關(guān)量輸出傳感器兩種，為監(jiān)測系統(tǒng)提供最原始的數(shù)據(jù)；顯示屏用于循環(huán)顯示各個通道模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)及設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)，煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

三、通訊電路設(shè)計

C8051F040內(nèi)部集成的CAN控制器屬于協(xié)議控制器，不能為通訊提供物理層驅(qū)動，所以通訊電路設(shè)計時需要外加CAN收發(fā)器。目前應(yīng)用較多的CAN收發(fā)器有SN65HVD230收發(fā)器、PCA82C250 收發(fā)器和TJA1050 收發(fā)器等，SN65HVD230具有差分收發(fā)能力、抗干擾能力強、低功耗及外圍電路簡單等優(yōu)點，同時具有三種不同的工作模式可以選擇，方便與C8051F040單片機配合使用，所以選擇SN65HVD230作為CAN收發(fā)器。通訊接口電路設(shè)計如圖2所示，其中SN65HVD230的D引腳和R引腳分別和C8051F040的CANTX引腳和CANRX引腳相連接。Rs引腳為SN65HVD230的斜率電阻輸入引腳，120 ?的電阻兩端分別與Rs和地相連接，使收發(fā)器工作在斜率控制模式。為了提高通訊電路的抗干擾能力，在CANTX 和CANRX之間串聯(lián)一個阻值為120?的匹配電阻。

四、結(jié)束語

結(jié)合煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)的特點，提出基于C8051F040單片機和CAN總線技術(shù)的通訊接口電路，電路具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、通訊速率高等優(yōu)點。通訊電路能夠?qū)⒕鹿ぷ鳝h(huán)境和設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給井上的監(jiān)測中心，為井上監(jiān)測人員發(fā)送實時數(shù)據(jù)，對于促進安全生產(chǎn)工作的順利開展，保證人民生命財產(chǎn)安全具有十分重要的意義。

參 考 文 獻

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