煤矿井下监测系统中CAN通讯技术研究

徐洋 韩英 陈立东 刘磊

【摘要】 为了提高煤矿井下监测系统数据通讯的可靠性，结合C8051F040和CAN总线研究煤矿井下监测系统通讯技术。首先对全生产形势进行详细分析，然后详细介绍了CAN和C8051F040中集成的CAN控制器，并对煤矿井下监测系统进行总体设计，最后设计了C8051F040和CAN总线通讯接口电路。

【关键词】 C8051F040 CAN 煤矿 通讯接口

目前，我国正在经历煤炭管理模式从传统的模式向现代的管理模式转变，在控制煤矿生产事故总量和百万吨死亡率方面取得明显进步，煤矿安全生产整体情况逐年好转。但是煤矿行业仍然是高危行业，安全生产事故总量及事故影响仍然远远高于其他行业，减少安全生产事故、保障工作人员生命财产安全仍然是当今工作的重点。

煤矿井下监测系统是现代煤矿管理模式的基石，它可以为管理和指挥人员提供井下工作环境、设备状态、人员位置等基本信息，保证在事故发生前及时采取防范措施，避免事故的发生和扩大；同时也可以在事故发生时，为指挥人员确定最佳救援路线和避险路线提供决策信息，保证井下一线工作人员能够安全撤离和疏散。

一、CAN总线技术

1.1 CAN

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网最初是德国的Bosch公司为汽车监测和控制而开发出的，以其高可靠性、优异的性能及独特的设计已经在数控机床、农用机械、机器人控制和设备监测其他行业获得广泛应用。CAN总线采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时给总线发送信息，优先级低的节点主动给优先级高的节点让步，高优先级的节点将不受限制继续发送数据，从而节省了总线冲突仲裁时间，尤其是网络负载较重的情况下也不会造成网络瘫痪。CAN 网络可以根据需要设置不同优先级的节点信息，节点数可达 110 个。CAN2.0A具有2032种报文标识符，CAN2.0B具有几乎不受任何限制的扩展标准报文标识符。CAN 网络通讯选择的介质比较灵活，可以用双绞线、光纤也可以用同轴电缆，通讯速率在5kbps时，最远通信距离可以达到10km，通讯速率在1Mbps通讯时，最远通信距离可以达到40m。

1.2 C8051F040中CAN控制器

传统的单片机与CAN总线是通过CAN控制器和CAN隔离收发器相连接，CPU外围电路复杂，系统抗干扰能力差。C8051F040单片机内部集成了CAN控制器和独立CAN信息缓冲区，简化了单片机与CAN总线连接电路，提高了信息传输的可靠性和安全性。

C8051F040的CAN总线控制器由CAN总线内核、报文RAM（与C8051F040的RAM相互独立）、CAN总线控制寄存器和报文处理状态机制组成，控制器里有三个寄存器可以通过CIP-51特殊功能寄存器直接访问，其它的寄存器只能通过CAN0ADR、CAN0DATL和CAN0DATH寄存器通过地址索引的方式间接访问。

二、监测系统设计

煤矿井下监测系统是井下负责采集井下生产环境和设备运行状态数据，主要有C8051F040单片机最小系统、传感器、信号隔离电路、信号处理电路、声光报警电路、显示屏和通讯电路组成，其中C8051F040单片机最小系统是监测系统核心，负责信号的采集、处理和通讯，同时在井下故障时给声光报警电路发送控制指令；传感器分为模拟信号输出传感器和开关量输出传感器两种，为监测系统提供最原始的数据；显示屏用于循环显示各个通道模拟量和开关量数据及设备运转状态，煤矿井下监测系统结构简图如图1所示。

三、通讯电路设计

C8051F040内部集成的CAN控制器属于协议控制器，不能为通讯提供物理层驱动，所以通讯电路设计时需要外加CAN收发器。目前应用较多的CAN收发器有SN65HVD230收发器、PCA82C250 收发器和TJA1050 收发器等，SN65HVD230具有差分收发能力、抗干扰能力强、低功耗及外围电路简单等优点，同时具有三种不同的工作模式可以选择，方便与C8051F040单片机配合使用，所以选择SN65HVD230作为CAN收发器。通讯接口电路设计如图2所示，其中SN65HVD230的D引脚和R引脚分别和C8051F040的CANTX引脚和CANRX引脚相连接。Rs引脚为SN65HVD230的斜率电阻输入引脚，120 ?的电阻两端分别与Rs和地相连接，使收发器工作在斜率控制模式。为了提高通讯电路的抗干扰能力，在CANTX 和CANRX之间串联一个阻值为120?的匹配电阻。

四、结束语

结合煤矿井下监控系统的特点，提出基于C8051F040单片机和CAN总线技术的通讯接口电路，电路具有结构简单、稳定性好、通讯速率高等优点。通讯电路能够将井下工作环境和设备状态信息发送给井上的监测中心，为井上监测人员发送实时数据，对于促进安全生产工作的顺利开展，保证人民生命财产安全具有十分重要的意义。

参 考 文 献

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