基于CAN總線多級網絡擴展的井下分站研究

霍躍華

摘 要：礦井安全監控系統為煤礦的安全生產提供了重要保證，井下分站是礦井安全監控系統的重要組成部分。針對目前井下分站常用RS-485總線作為傳輸協議，存在兼容性差、通訊效率低等缺點，提出了一種基于CAN總線技術的井下分站的設計。介紹了CAN總線的特點，對井下分站功能進行了設計，分析了CAN總線應用于井下應解決的組網結構和井下防爆問題，設計了一種采用微控制器P87C591為主控芯片，通過設計雙CAN口通信接口，實現了井下分站的多級CAN總線網絡擴展功能，并給出了實現井下分站所有功能的硬件結構和程序結構方案。

關鍵詞：井下分站；CAN總線；雙CAN口通信；多級網絡擴展

中圖分類號：TD76 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.073

礦井安全監控系統在煤礦生產中具有重要作用，井下分站是其重要的組成部分，主要用于接收井下各種感器送來的數據，對這些數據作相應處理（超限判斷、聲光報警等）之后傳送給主站，同時接收來自地面中心站的控制命令，控制該分站相連的執行機構。在目前多數的礦井安全監控系統中，井下分站與主站之間一般采用RS-485總線進行數據傳遞，RS-485總線是單主節點結構，因此井下分站與主站之間只能通過主從工作方式通信，由于主站的單點故障問題，整個系統可靠性較差；同時RS-485總線的抗干擾能力及糾錯能力差、總線效率低、系統的時實性差，可掛接的節點少（不大于32個）。為解決這些問題，結合礦井安全監控系統的實際情況及對分站相關的技術規范進行研究，引入了CAN總線技術，依據煤礦井下巷道特點和分站的功能要求，設計了一種CAN總線多級網絡擴展的井下分站。分站設計中引入了雙CAN口設計，實現了CAN總線的多級網絡擴展，并對其進行了軟、硬件實現。該分站既能滿足煤礦井下特殊的組網結構特點，又具有抗干擾能力、糾錯能力高，總線效率高，系統時實性強，可掛接的節點多等特點。

1 CAN介紹

CAN（Controller Area Network，控制器局域網）由BOSCH公司為解決汽車內部的測量數據與控制中心通信而提出的，隨后發展成為應用最廣的現場總線技術之一。其具有以下優點：①CAN通信方式靈活，不分主從，可以構成多主機系統或無主機系統。②CAN上的節點可以根據不同的優先級進行數據的傳送。③CAN發送或接收數據形式多樣。④CAN在速率5K時的直接通訊距離最遠為10 km。這個特點非常適合于煤礦井下對傳輸距離的要求。⑤CAN的通訊速率最高可達1M。⑥CAN上的節點數最多達127個，井下最多可達110個。⑦CAN通過每幀信息的CRC校驗及其他檢錯措施，實現了很高的傳輸正確率。⑧CAN對傳輸介質無特殊要求，便于根據實際情況靈活選擇傳輸介質。

礦井井下具有噪聲干擾影響大、測量種類多、防爆要求高等特點，而CAN總線具有很多突出優點，使其非常適合應用到煤礦井下環境。

2 CAN井下分站功能設計

井下分站位于煤礦生產中井下位置，主要用于接收來自傳感器的信號，并按照接收到的中心站的控制命令控制執行機構。

由于CAN總線設計之初并沒有考慮應用到煤礦井下，將 CAN總線應用于井下分站的設計時，還要解決CAN總線的電器防爆和網絡結構的問題。

CAN總線不可使用同一電纜向現場設備本質安全供電。對于電器防爆的處理是，通過將井下分站設備的工作電源和傳輸電源分開（隔離供電法）的方式，即傳輸電源由總線提供，井下分站的電源就地供給。CAN礦用井下分站在電源模塊的設計中，增加光電隔離電路，更好地起到抗干擾的作用。

由于礦井監控系統適宜采用的是樹型結構，CAN總線的組網結構是總線型，并不適用于煤礦井下的結構，在煤礦安全監控系統采用CAN總線作為通信技術，必須要對CAN的網絡結構組成進行優化改造。CAN礦用井下分站在設計中，為了適用于煤礦井下的巷道特點，采用了雙CAN口設計，將CAN總線結構擴展為適用于井下多級網絡擴展的樹型網絡結構。

基于CAN的礦用井下分站除了考慮在電氣防爆和網絡總線結構方面的功能設計之外，還應實現的主要功能是：開機自檢和分站初始化功能，分站之間的相互通訊和控制，實現不少于8路輸入量檢測和不少于8路輸出控制，分站宕機后具有自復位功能并且能將目前的狀態通知地面中心站；分站可以接收主站對分站的各種傳感器、報警限值等參數初始化設置，分站本身具備超限聲光報警功能，分站能夠將執行機構的狀態定時地傳送給地面中心站，支持中心站對分站的波特率進行修改，分站可以顯示通訊故障。

3 CAN礦用井下分站硬件設計

3.1 硬件結構設計

根據對分站各個功能劃分，可以將分站的硬件電路總體分為5個電路模塊，分別是控制單元、CAN通信接口模塊、輸入采集模塊、輸出執行模塊、外圍電路模塊。其硬件電路結構如圖1所示。

其中，控制單元用于完成對來自傳感器或者是下一級網絡的信號作相應的處理，同時處理來自于傳輸接口的各種命令和數據，實現數據處理功能?？刂茊卧蓡纹瑱C和CAN控制器構成。

CAN通信接口模塊用于完成控制單元與兩級CAN總線進行物理連接的模塊，是由專用的CAN總線驅動器和光電耦合器接口芯片組成的。礦井安全監控系統宜采用樹形網絡結構，井下分站需要采用2個CAN總線接口，將CAN的總線型網絡結構改造成樹形結構，也有利于解決礦用分站和傳感器或執行機構采用星形結構連接時帶來的問題。

輸入采集模塊主要用于模擬量傳感器、開關量傳感器的數據采集功能。

輸出執行模塊主要用于完成地面主站對分站輸出執行機構的控制命令，完成與分站相連的執行機構的輸出動作。

外圍電路模塊主要用于實現聲光報警、實時數據顯示、電源指示、通信狀態指示、數據存儲、電源輸入等功能。

3.2 控制單元設計

在設計控制單元時，除了考慮核心微控制器的性能外，還要其具有雙CAN控制器，以滿足分站具有雙CAN口通信的要求。在設計時，采用了本身包含一個CAN控制器的微控制器P87C591外加獨立CAN控制器芯片MCP2510，微控制器P87C591通過SPI總線與MCP2510相連，從而實現雙CAN口通信功能。

微控制器P87C591是由Philips半導體公司的推出的8位高性能微控制器，它具有以下3個突出優點：①采用精簡指令；②具有很強的抗干擾能力；③本身集成的CAN控制器接口能很好地兼容CAN總線協議舊版本和新版本。該芯片具有良好的產品成熟度，能夠很好地控制產品設計的開發成本，提高開發成功率。

3.3 CAN通信接口模塊硬件設計

井下分站CAN通信接口模塊包含2個獨立的CAN通信接口模塊，其主要作用是將控制單元中的CAN控制器接收和發送的數據與CAN總線相連，從而實現上下兩級數據通信功能。在設計中，每一個CAN通信接口模塊是由光電耦合器和CAN總線驅動器組成的，其硬件電路設計如圖2所示。

光電耦合器選用了專用光電耦合芯片6N137。將6N137置于P87C591的CAN控制器和CAN收發器PCA82C250之間，能夠有效地防止井下的各種電磁干擾、噪聲干擾等干擾信號從輸入/輸出通道竄入控制單元而造成程序出錯，其能夠有起到有效隔離信號，抗干擾的作用。

PCA82C250芯片是專用的CAN總線驅動器芯片，控制單元的CAN控制器發出的信號是通過它與物理CAN總線連接的。在設計中，PCA82C250采用斜率控制方式，將控制單元中CAN 控制器產生的數字信號轉化成為適合CAN總線差分輸出的傳輸信號，最終實現控制單元輸出信號的CAN總線傳輸。通過2個CAN通信接口模塊的設計，實現了單臺井下分站的上、下兩級CAN總線數據傳輸功能，多臺井下分站的多級CAN總線傳輸功能。

3.4 外圍電路硬件功能設計

外圍電路模塊主要由礦用聲光報警器電路、實時數據顯示電路、電源指示燈、通信狀態指示燈和電源模塊組成，用于完成聲光報警、實時數據顯示、電源指示、通信狀態指示、電源輸入等功能。其中，聲光報警電路的功用是當采集數據超限之后，通過聲音和光線提醒工作人員采取必要的安全措施，采用蜂鳴器和LED來共同完成聲光報警；實時數據顯示電路主要用于顯示采集數據相關的信息，選用LCD顯示芯片LCM128647（D）來實現數據的實時顯示功能；電源指示燈用于指示分站電源的開閉，主要采用二極管實現；通信狀態指示燈主要用于指示分站與傳輸接口之間的通信狀態及通信中產生的錯誤等；礦用電源為分站提供本安電源，其備用電源在斷電之后為分站提供2 h的工作電源。

4 CAN礦用井下分站軟件設計

分站要實現的功能可以概括為數據采集、數據輸出處理、與CAN通訊這3個主要方面。其中，數據采集主要完成對井下各種監測傳感器采集信號的收集和處理；數據輸出處理包括輸出控制、數據顯示、超限報警；CAN通訊實現的功能是完成對上一級和下一級的CAN總線數據的接收、發送和網路管理。根據對分站功能的分析，可以看出分站程序是一個多任務的實時系統，按照其特點，對其程序的結構進行了優化設計，其程序結構如圖3所示。

分站管理程序主要完成任務的啟動、權限分配、結束處理等任務，它根據優先級調用各類型的任務，這樣可以很好地保證系統的實時性，同時也利于程序的簡化和擴展。

根據分站功能的劃分可以確定為6個優先級，其中，最高優先級為第1級，優先級最低的是第6級。通過優先級的劃分，可以更好地實現分站功能。優先級是按照分站所產生數據的后果對整個系統產生影響的強弱進行劃分的，其中，第1優先級是超限報警功能，第2優先級是數據采集功能，第3優先級是數據顯示功能，第4優先級是CAN總線的網絡管理功能，第5優先級是接收CAN總線的數據，第6優先級是向CAN總線發送數據。

分站為了要實現這些功能，設置了5個中斷，其中，定時中斷2個，總線中斷3個。2個定時中斷分別用于數據的采集和顯示，3個總線中斷分別用于總線網絡管理、接收總線數據和向總線發送數據。3個中斷的優先級是：總線網絡管理中斷優先級最高，接收總線數據中斷優先級次之，向總線發送數據的中斷優先級最低。

5 結束語

綜上所述，本文介紹了基于CAN總線技術的井下分站設計，結合煤礦井下的特殊環境，提出了CAN總線井下分站的雙CAN口結構，實現了分站的CAN總線多級網絡擴展功能，很好地適應于煤礦井下的樹型網絡結構，給出了井下分站的硬件電路和軟件設計方案。通過設計，該井下分站既能滿足煤礦井下特殊的組網結構特點，又具有通信協議兼容好、抗干擾能力強及糾錯能力強、擴展性好、通訊故障自診斷等功能，克服了現有礦井安全監控系統的井下分站所采用的RS-485總線存在的缺點，極大地提升了井下分站的可靠性。

參考文獻

[1]張濤.煤礦井下安全監控分站的設計及其仿真實現[J].計算機測量與控制，2015（01）：86-89.

[2]袁中書.礦井人員定位系統關鍵設備研究與開發[D].合肥：合肥工業大學，2014.

[3]李奎.CAN-Modbus通信適配器的設計與研究[D].天津：河北工業大學，2013.

[4]史久根，徐楊，張超，等.基于冗余容錯技術的軌道運輸監控終端的設計[C]//全國第20屆計算機技術與應用（CACIS）學術會議，2009.

〔編輯：劉曉芳〕