基于CAN总线的液压支架压力传感器自动化系统的设计

刘远志，潘宏侠，闫 磊，赵润鹏

（中北大学 机械工程与自动化学院，山西 太原 030051）

随着采煤技术的发展，液压支架的控制系统得到了长足的发展,控制系统逐渐由原来的手动操作改进为自动控制。每台液压支架在其立柱下腔装有一个压力传感器,实时监测立柱下腔内液体压力的变化,以此来了解液压支架与顶板的相互作用情况，同时判断支架是否处于良好的工作状态。

压力检测是液压支架电液控制的重要基础之一。在支架立柱下腔安装压力传感器，获取液体压力变化的电压信号，通过单片机对电压信号进行采集和处理，并与系统总线通讯，进一步将信号送入中央控制室，以利于控制室及时有效的监视及控制。

本文从智能传感器设计的各个环节入手，致力于设计一款能适应煤矿井下环境的液压支架压力传感器，以适应现代煤矿监控系统的发展需求，提高监控系统的实时监控功能。

1 智能压力传感器的选择

煤矿用液压支架的压力测量范围在1~100MPa之间，如果考虑到破坏压力与压力量程之间的关系，则要求传感器要能承受近乎400MPa的压力。压阻式压力传感器有着输出阻抗低、可进行动静态测量、输出信号大及精度高等独有的优点。压阻式传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。基于以上因素考虑，提出以下技术指标：压力量程:0～100MPa；过载能力:1.5倍额定压力；破坏压力:4倍额定压力；精度:1.0级；供电电压:5V.DC。

经计算，本设计中MC传感器有限公司MPM281系列压阻敏感元件中的MPM28110。

2 CAN的硬件设计

通常每个CAN模块能够被分成不同的功能块，SJA1000用最优化的CAN收发器连接到CAN总线，收发器控制从CAN控制器到总线物理层或相反的逻辑电平信号。上面一层是一个CAN控制器，它执行在CAN规范里规定的完整的CAN协议。它通常用于报文缓冲和验收滤波。而所有这些CAN功能都由一个模块控制器控制，它负责执行应用的功能。例如，控制执行器、读传感器和处理人—机接口（MMI）。如图1所示，SJA1000独立的CAN控制器通常位于微型控制器和收发器之间，大多数情况下这个控制器是一个集成电路。

图1 SJA1000独立的CAN模块装置

节点微控制器选用单片机AT89S52,CAN接口由独立控制器SJA1000和CAN控制器接口芯片82C250组成。SJA1000在软件上和引脚上都是与它的前款PCA82C200独立控制器兼容的，并增加了许多新功能:标准帧数据结构和扩展帧数据结构，并且这两种帧格作为式都具有单/双接收过滤器;64字节的接收FIFO;可读写访问的错误计数器和错误限制报警以及只听方式等等。

CAN总线网络接口。CAN网络接口见图2。

图2 CAN总线网络接口图

从图2可知，CAN网络接口主要由CAN控制器SJA1000、光耦6N137（可省）和 CAN总线驱动器PCA82C250组成。其中，SJA1000的ADO～AD7与AT89S52的P0口相连，AT89S52的P2.7口作为SJA1000的片选信号输入，当P2.7为低电平时通过片外存储器选中SJA1000并对其进行相应的读些操作，SJA1000的RD、WR、ALE分别与AT89S52的相应管脚相连，INT接INT0，可实现对SJA1000中断方式访问。CAN控制器SJA1000是实现数字信号在CAN总线上稳定可靠地传输的主要器件，正是它完成了对报文的发送、接收、滤波等一系列通讯任务。

3 CAN的软件设计

3.1 CAN通信软件的程序设计

通过CAN总线建立通讯的步骤是：

（1）系统上电后。①根据SJA1000的硬件和软件连接设置主控制器。②根据选择的模式、验收滤波、位定时等等设置CAN控制器的通讯这也是在SJA1000硬件复位后进行。

（2）在应用的主过程中。①准备要发送的报文并激活SJA1000发送它们。②对被CAN控制器接收的报文起作用。③在通讯期间对发生的错误起作用。

CAN总线节点要有效、实时地完成通信任务，软件的设计是关键，也是难点。它主要包括节点初始化程序、报文发送程序、报文接收程序，以及CAN总线出错处理程序等等。

3.2 CAN通信单元程序流程图

（1）CAN接收函数。该函数读取SJA1000接收缓冲区中的有效数据，并将接收到的数据存入相应的数据区。接收报文完毕后，释放接收缓冲区。程序流程图如图3所示。

（2）CAN发送函数。该函数首先检查控制器是否还在处NL理上一帧报文，如果已经完成上一帧报文的发送，则向SJA1000发送缓冲区写入待发送的报文，并向SJA1000发启动发送命令，将报文发送出去。程序流程图如图4所示。

图3 CAN接收函数流程图

图4 CAN发送函数流程图

4 结语

本文研制的基于CAN总线的井下智能压力传感器系统是根据煤矿井下液压支架压力传感器使用情况及其发展趋势而提出的，并且也结合了国内外同类产品的发展现状及趋势，很好地解决了矿用液压支架压力传感器在压力检测、传感器防护、抗干扰及通讯的难题。随着现代通讯技术和计算机技术的发展,高性能的煤矿监测监控系统在我国有着广阔的前景。

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