礦用跑偏傳感器CAN現場總線數字監控系統

郭珮文

1 引言

在煤礦生產中，礦用跑偏傳感器（拉線開關）已廣泛應用于皮帶運輸系統及架空人車運輸系統保護中。但是現階段某礦所使用的拉線開關只有動作應急保護功能，沒有動作故障點監視功能。拉線開關應用地點普遍沿線距離較長，要恢復故障需要沿線逐一查看，這給檢修人員恢復系統造成了很大的不便。

本文針對某礦在使用礦用跑偏傳感器過程中遇到的問題，利用CAN 總線通訊技術的優點，設計了一套所有數據均在總線上運行，支持超過30 個節點，傳輸距離可達5km的礦用跑偏傳感器地址編碼及信號傳輸裝置，該裝置實現了礦用跑偏傳感器已動作點的液晶顯示及報警功能，方便了工作人員排查系統故障。

圖1 礦用跑偏傳感器

2 研究內容與創新點

2.1 研究內容

2.1.1 總體方案

CAN 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標準化的串行通信協議。CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持[1]。

礦用跑偏傳感器CAN 現場總線數字監控系統是利用24V 本質安全型電源為系統電源，通過STM32 微處理器實現礦用跑偏傳感器的地址編碼，所有跑偏傳感器節點均通過2芯CAN總線實現節點間的信號識別及通信。原系統框圖見圖2，改進系統框圖見圖3：

圖2 原礦用跑偏傳感器系統框圖

圖3 改進后的礦用跑偏傳感器系統框圖

如上兩圖比較可得出，新增加的系統在不改變原有系統功能的情況下，通過增加一套新的訊通裝置，完成原系統沒有的地址編碼及數字實時液晶顯示監控功能。新增系統僅通過一顆4芯信號電纜即可完成所有線纜敷設，STM32 地址編碼單元也可以通過高集成電路的開發，將地址編碼電路模塊安放于礦用跑偏傳感器的內部，從而大大減小了系統改造的難度及成本。

2.1.2 系統硬件方案設計

本次項目所設計的礦用跑偏傳感器CAN 現場總線數字監控系統硬件部分主要由礦用本安24V電源電路、狀態顯示電路、STM32最小系統、測試電路、蜂鳴器報警電路、OLED 液晶顯示及編碼調試電路組成。硬件結構設計框圖見圖4：

圖4 系統硬件結構框圖

圖5 系統硬件電路設計

礦用跑偏傳感器CAN 現場總線數字監控系統分為地址編碼發送和數據接收處理兩大單元，硬件上這兩大單元用同一種設計來完成兩種不同的使用環境，利用STM32 優秀的低功耗特點作為這次項目的主控制器，通過給STM32 最小處理單元輸入不同的程序，可實現同一種硬件的兩種不同應用，提高了整套系統的適用性及兼容性。在硬件上STM32 還擁有眾多強大的硬件外設，支持豐富的硬件接口資源，為硬件系統設計提供了極大的便利。

2.1.3 系統軟件方案設計

（1）礦用跑偏傳感器地址編碼單元：

首先用鍵盤通過SPI輸入需要寫入MCU的礦用跑偏傳感器地址編號，然后由STM32檢測礦用跑偏傳感器的工作狀態（是否動作），最后通過CAN總線打包并發送地址以及狀態數據。

（2）井口數據處理單元：

數據處理單元首先通過CAN 總線模塊接收CAN總線上的數據，接收到數據后送入STM32 處理器，通過相應算法識別接收到的數字數據包內容，并將接受到的數據顯示到LCD液晶屏上，并由STM32處理器決定是否發送相關的聲光報警指令。

圖6 C語言程序設計

本系統軟件上采用C語言與匯編語言聯合編程設計，將各硬件模塊在程序編寫中直接編寫為函數接口，在主程序中可直接調用各模塊函數，運用此方法大大節約了整套軟件系統的調試時間。在此次的軟件設計中還充分運用意法半導體對STM32固件庫的支持，直接利用官方提供的庫函數對主控芯片的各外設及寄存器進行操作，大大節約了本系統的開發時間，并且在編程中運用C語言在嵌入式中的優勢。加大了系統的運行效率。

2.2 創新點

（1）本設計采用CAN總線通訊技術，較485通訊有更長的通訊距離，更強的抗干擾能力。由于采用全數字設計，所有的數據均運行在總線上，支持超過30 個節點，傳輸距離可達5000m。

（2）采用高清OLED顯示調試設備，可以更方便直接的顯示系統運行狀態。

（3）設置了獨立的聲光報警電路，可方便檢修人員迅速、準確的發現礦用跑偏傳感器動作地點，極大的提高了人員的工作效率。

3 小結

本文給出了礦用跑偏傳感器CAN 總線數字監控系統的整體設計框圖，對系統中的CAN數字監控節點進行了詳細的討論和設計，給出了CAN數字監控節點的硬件電路、PCB版圖的詳細設計并給出了CAN數字監控節點的軟件設計思路。

自主開發的基于ARM STM32 微控制器的數字監控節點的應用，不僅為礦井節約了大量的資金，而且該數字監控節點可以與原礦用跑偏傳感器系統無縫兼容，對于煤礦運輸系統的自動化、數字化監控有一定的實際應用價值。