基于CAN总线的煤矿现场监测站系统设计与研究

魏立明，靖 辉，陈伟利

（吉林建筑工程学院 电气与电子信息工程学院，长春 130118）

0 引言

目前，我国的煤矿安全管理正在从传统管理模式向现代管理模式迈进，在控制伤亡事故，保证煤矿安全生产方面取得了长足的进步：但同时安全管理的现状仍然不尽人意。强化安全管理，整合煤矿资源，采取现代化采煤技术、加大安全生产投入和提高工人操作水平成为我国煤矿安全生产发展趋势[1,2]。现代化煤炭企业管理离不开现代化安全监测系统，通过对监控站系统所测参数的比较和分析，为预防灾害事故提供技术数据，便于提前采取防范措施，同时在发生事故的情况下，能及时指示最佳救灾和避灾路线，为抢救和疏散人员提供决策信息[3]。煤矿现场监测站系统是煤矿井下各安全监控模块与井上安全监控中心之间数据传输的枢纽，负责安全监控中心与安全监控模块之间的数据采集与通信,它的有效工作决定了煤矿安全监控能否顺利进行，因此煤矿现场监测站系统在煤矿安全监控系统中发挥着重要作用。

1 煤矿现场监测站系统总体方案

整个煤矿监测系统是由地面中心站、网关节点站、分支中继器、井下现场监测站、各种传感器以及通信介质六部分组成。整个监控系统分三级结构，即地面中心站—现场监测站—传感器。其中地面中心站负责接收、存储和显示从井下现场监测站传来的各种井下生产环境安全监控数据，并通过各个井下监测站发送各种配置命令和对现场设备的控制命令；分支中继器在需要的地方完成通信线路的分支、中继和介质信号的转换；网关节点站实现现场总线协议和地面中心站计算机标准接口协议的相互转换；传感器负责收集各种现场环境安全监控数据和设备运行状态数据；通信介质负责安全监控系统各设备的连接和信息的传递。整个煤矿监测系统结构框图如图1所示。

图1 整个煤矿监测系统结构框图

从图1中可以看出，现场监测站在整个煤矿监测系统中占有非常重要的地位，它的总体方案的确定，直接影响其功能和指标能否实现，也关系整个监测监控系统能否正常运行。本文所设计的煤矿现场监测站综合考虑了安全防爆、采样速度、通讯速率、维护方便性以及使用可靠性等多方面因素，使其能够达到以下功能：连接各类传感器监测矿井低浓度甲烷、一氧化碳、风速、高浓度甲烷、温度、压力、水位等环境参数；监测风门、设备开停、皮带运输机等各种开关状态参数：可循环显示所接传感器的数据、控制信号、通讯、供电状态；带有RS485通讯接口，可接入智能传感器及其它开停设备与子系统；能与地面中心站有线通讯，接受中心站控制，执行中心站的控制命令；能够独立工作，实现报警、断电控制等功能。为达到上述功能，确定如图2所示的现场监测站与地面中心站上位机之间系统框图。在图2中，上位机作为监控主机，接收来自不同的现场监控站的采集数据，进行处理、显示，并实时地对各个现场监控站进行控制；监控主机与现场监控站及现场监控站之间的通讯均采用CAN总线通讯方式；为了防止非本电路的危险能量串入本电路中，设置了安全栅。

图2 现场监测站与地面中心站通讯的系统框图

2 煤矿现场监测站系统硬件电路设计

现场监测站主要完成模拟量和开关量采集、初步数据处理、显示、通讯、报警和断电输出等功能，为达到上述功能，其设计原则应为低成本、低功耗、容易安装调试和维护方便。监测站系统所实现的功能应为以下几方面：8路模拟量采集中4路用作瓦斯模拟量输入，4路用作通用模拟量输入，分辨率为12位；8路开关量输入，8路开关量输出；实现CAN总线通信；继电器断电输出控制。因此，现场监测站系统硬件结构框图如图3所示。

从图3中可以看出，现场监测站硬件电路模块主要有：单片机辅助电路、液晶显示电路、CAN通讯电路、声光报警电路、继电器断电输出电路、键盘输入电路、开关量输入电路、通用模拟量输入电路和电源电路。其中单片机辅助电路为监测站工作提供时钟、完成复位等功能。液晶显示电路可以循环显示各个通道的模拟量和开关量数据、通讯及设备运转状态。CAN通讯电路实现现场监测站与监控主机以及现场监测站之间的通讯。声光报警电路的作用是当瓦斯浓度超限时实现自动报警。继电器断电输出电路用于控制皮带运输机等大型设备的开停。键盘输入电路用于各种数据的输入与控制，设定监测站地址、输入通道等。开关量输入电路用于监测井下电气设备的运转状态。通用模拟量输入电路可以采集瓦斯或其他类型的模拟量。

图3 现场监测站系统硬件结构框图

在上述硬件电路中，选用的运算放大器为LM324。LM324是四运放集成电路，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，并具有相位补偿电路，耗电低，电源电压范围宽。CAN通信收发器选用SN65HVD230芯片，该收发器具有差分收发能力，最高速率可达lMb/s。本文的设计中选择JZC-32F型单相固态继电器，选择HEl205B的电磁式蜂鸣器，它的工作电流＜10mA，具有低功耗的特点，选用TLP521-4光电耦合器。现场监测站的单片机采用C805lF040作为控制核心，C805lF040具有高速8051微控制器内核，20个向量中断源，从而大大提升了指令执行效率，对于外设的连接采用的是交叉开关设置，从而使得系统的集成度得到很大的提高，C8051F040具有完善的CAN总线控制器和独立的CAN信息缓冲区，可以解决MCU与CAN总线之间串并转换、不同节点间波特率误差的校正、以及利用CAN的缓存区来解决MCU与CAN总线通讯的冲突竞争和同步等问题。现场监测站硬件选型表如表1所示。

表1 现场监测站硬件选型表

3 煤矿现场监测站系统软件设计

现场监测站的软件在程序设计时采用了模块化设计方法，这种设计方法有利于程序代码的优化，而且便于设计、调试和维护。整个监测站的软件系统由系统主程序和任务子程序两部分组成。系统主程序负责任务调度，任务子程序实现系统各个子功能。主程序在完成系统初始化后，顺序执行各子模块程序，直至完成任务。系统软件组成框图如图4所示。从图4中可以看出，子程序模块主要包括：CAN串行通讯模块、A/D转换模块、定时器模块、存储器模块、看门狗模块、液晶显示模块和键盘输入模块。

图4 系统软件组成框图

CAN串行通讯模块实现单片机和CAN总线之间的连接，实现现场监测站与上位机之间的数据通讯，如发送数据和接收数据等，通过CAN通讯协议来实现上下位机之间的联系。A/D转换模块用来实现数据的采样及转换。定时器模块用来定时数据采集、键盘扫描、计时等。存储器模块用来设定报警极限值。看门狗模块是为了防止程序跑飞而设计的，如果它超过定时时间，则会使系统发生复位。液晶显示模块根据控制功能键的不同来显示相应的内容。键盘输入模块用来控制显示各模拟量和开关量的状态，设置分站地址。现场监测站主程序流程图如图5所示。

图5 现场监测站主程序流程图

4 结论

本文将CAN总线应用于煤矿现场监测站系统中，提出了基于CAN总线的煤矿现场监测站系统的设计方案，其中针对其硬件电路进行了设计和选型，给出现场监测站的软件设计思想与流程图。该系统的设计为煤矿安全生产监测提供一定的理论支撑与借鉴。

[1] 刘晓文. 基于CAN总线可在线更新程序的分布式I/O监控系统[J]. 煤炭技术. 2010, 29(3):34-37.

[2] 李文峰, 赵敏. 总线式煤矿安全监控系统联网技术[J]. 煤炭技术. 2010, 29(3): 108-110.

[3] 王志秦. 基于DSP+ARM的煤矿井下环境监控系统的设计[J]. 煤炭技术. 2011, 30(3):150-152.

[4] 饶运涛, 邹继军. 现场总线CAN原理与应用技术[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 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.