基于CAN总线的矿用绞车信号组合装置设计

张 进

(江苏建筑职业技术学院 能源与交通学院，江苏 徐州 221116)



基于CAN总线的矿用绞车信号组合装置设计

张 进

(江苏建筑职业技术学院 能源与交通学院，江苏 徐州 221116)

针对煤矿绞车信号装置存在的装置之间语音干扰、信号点位不清、绞车台设备过多等问题，研制了一种集成CAN总线接口的绞车信号组合装置.该装置利用LM3S8962处理器自带CAN总线的特点，将绞车启停、安全灯转换、信号打点等装置进行合并.试验结果表明，该装置能实现语音传输、信号打点、安全灯自动转换及绞车启停控制等功能，弥补了传统设备功能单一，操作烦琐，占用空间较大的不足，提高了煤矿现场生产作业的效率.

CAN总线；LM3S8962处理器；矿用绞车信号

0 引言

矿用声光打点信号器是煤矿生产企业的必备设备，现有矿用绞车信号装置大多采用调频动力载波来实现实际生产过程中点对点的信号打点、信号急停以及语音通话等功能.该装置在实际绞车信号联络过程中存在着以下问题：1)近距离音频干扰较大，语音音质较差，相邻装置之间干扰非常严重；2)绞车信号装置不能实现安全灯的自动控制，无法分辨信号打点的点位；3)矿用绞车控制台上绞车启停控制装置、安全灯转换装置、信号打点装置相互分立，控制操作繁琐，占用面积大.

针对以上问题，笔者提出一种基于CAN总线的集矿用绞车启停、安全灯转换、声光信号打点LED数字显示、语音通话一体化组合的装置，该装置能实现语音传输、信号点位、安全灯自动转换及绞车启停控制等功能，简化了操作步骤，减少了设备占用面积，节省了建设成本，提高了工作效率.

1 系统设计

该装置硬件结构分为隔爆腔和本安腔两部分，采用双CPU运行方式，如图1所示.本安腔由电源模块、CAN总线集成单元、信号打点及显示模块、语音放大模块等部分组成，主要负责打点信号和语音信号的传送.隔爆腔由电源转换模块、控制模块、绞车启停模块、安全灯转换模块等部分组成，主要负责矿用绞车的启停及矿用安全灯的自动转换工作.隔爆腔与本安腔之间采用短距离的RS232通信协议[1]130-132.

图1 系统原理框图

系统设计上具有以下两个特点：1)采用双CPU运行方式，分任务式处理，可以同时响应两个任务线程，大大提高工作效率；2)本安腔采用基于TI群星系列Cotex-M3的LM3S8962处理器，该芯片自身集成CAN总线[2]242-268,[3]20-21,[4]120-143，CAN总线处理模式可以实现全分布式多机系统，利用双绞线为传输介质，采用一点对多点及全局广播的数据收发方式，传输速率高，节点多，简单容易实现，同时还具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强等优点[5]15-16,[6]66-69,[7]97-98.

2 硬件设计

该装置将CAN总线技术应用于远距离煤矿通信系统中，隔爆腔采用宏晶公司的STC12LE5A60S2处理器，本安腔硬件电路采用Stellaris系列的LM3S8962芯片，二者之间通过RS232通信接口实现短距离对接.

2.1 隔爆腔电路设计

隔爆腔的电源板部分采用STC12LE5A60S2芯片，继电器RS4H-S-DC12V实现安全灯的自动转换，继电器HK4100F-DC24V-SHG实现绞车启动停.隔爆腔电路原理图如图2所示.基本工作过程如下：先将127V交流电压送至本质安全型电源，通过转换，输出12V直流电压信号；接下来送入电源转换模块，将12V本质安全型电源转换为3.3V直流电压；3.3V直流电压送入隔爆腔为隔爆腔CPU供电，隔爆腔中CPU一方面通过继电器HK4100F控制，实现绞车启动停控制.另一方面驱动继电器RS4H，控制安全灯自动转换.

图2 隔爆腔电路设计原理图

2.2 本安腔电路设计

本安腔主控板部分采用基于ARM CORTEX-M3内核的微控制器LM3S8962，该芯片内部具有256KB FLASH和64KB SRAM，提供36中断，8个优先等级内部存储器，4个通用定时器，通用I/O口，2个通道的UART和同步串行接口(SSI)、10/100M以太网控制器等功能，适用于工业控制与网络化仪器仪表领域系统.语音数据传输采用AMBE-1000与SCP1027数字化压缩编解码，能够提供良好的语音音质；按键打点与LED数码显示采用CH452芯片；CAN口隔离模块采用符合矿用耐压等级的CTM8251T.本安腔电路原理图如图3所示.基本工作过程如下：另一路3.3V直流电压信号送入本安腔为CPU供电， CPU一方面驱动功放TDA7377，将受话器送来的人工语音信号进行放音；另一方面驱动按键打点与LED数码显示芯片及语音数字化压缩编解码芯片，将打点信号及人工话音信号数字化，通过CAN总线模块实时传输打点信号及人工话音信号，使得整条工作线上的设备都能同步接收.

图3 本安腔电路设计原理图

2.3 主控板与隔爆腔电源电路设计

主控板与隔爆腔电源板之间采用短距离RS232协议通讯，本安腔主控板的12V电源由隔爆腔电源板提供.在图3中，隔爆腔中的12V矿用本质安全型电源会提供本质安全12V的电压，12V电压经过电源转换，可得3.3V直流电压，给CPU芯片供电，分别接3.3V正极与3.3V负极， 同时12V矿用本质安全型电源会提供12V电压给本安腔；隔爆腔的CPU芯片通过RS232正、RS232负与本安腔的CPU芯片相连；本安腔中的12V电压经电源转换模块，可得3.3V正极、3.3V负极给CPU芯片供电，可得5V正极、5V负极给CAN总线模块供电；本安腔中的12V电压还直接给功放TDA7377供电.

3 软件设计

主程序流程如图4所示：系统加电初始化，开始完成绞车启停控制、信号打点，语音通话等功能，同时进行系统检测，检测正确返回.否则报错后，启动中断服务程序，进行中断条件判断，同时检测绞车控制、信号打点、语音通话状态，保护现有状态，系统返回.

图4 主程序及中断服务程序流程图

4 系统实现

现场试验中，作者采用一根四芯双绞线电缆，将沿路的信号组合装置逐个级联在一起，同时将绞车控制台上绞车启停控制、安全灯转换、信号打点、绞车启停装置等设备组合在一起，结果证明：1)实现语音信号的数字化传输，保证了语音音质清晰可靠；2)完成打点信号的LED数字显示，能清晰地显示打点所在点位；3)实现安全灯的自动转换，将原有的绞车启停装置进行合并.该装置实现单根电缆串接全部设备，节省安装维护开销；提高实时性，信息可共享；提高多控制器系统的检测、诊断和控制性能.

5 结语

该装置结合CAN技术和通信技术，通过对现有信号装置进行硬件改进和软件开发，实现多台信号装置的网络互联，实现矿用语音通话、声光信号打点LED数字显示、安全灯转换及绞车启停等功能的一体化结构装置.利用CAN总线技术突出的可靠性、实时性和灵活性，无须另外架线，就实现语音信号的数字化传输，同时解决了原有绞车信号装置存在的语音干扰、信号点位不清晰的问题.节省安全灯自动转换时所耗费的电缆，节减电缆成本，减少了设备占用面积，完全可以替代目前市场上所使用的矿用隔爆兼本安型打点信号器，应用前景十分可观.

[1] 马洪连，丁 男，李屹璐.嵌入式系统设计教程[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 饶云涛，邹继军，王进宏，等.现场总线CAN原理与应用技术[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3] 徐 祥，戴本祁.CAN总线在煤矿监控数据采集系统中的应用[J].工业控制计算机，2005，18(08).

[4] 杜尚丰，曹晓钟，徐 津.CAN总线测控技术及其应用[M].北京：电子工业出版社，2007 .

[5] 向 阳.基于CAN总线的煤矿监控系统节点设计[J].煤炭工程，2008(08).

[6] 刘师良，李长青.基于CAN总线的煤矿监控系统工作站的研究[J].工矿自动化，2009(01).

[7] 廖忠明，徐秀红，彭小军.一种基于CAN总线的煤矿远程监控系统[J].煤炭技术，2012，31(01).

[责任编辑 梧桐雨]

2016-04-29

江苏建筑职业技术学院2014年度校级科研课题“一种基于CAN总线的矿用绞车信号组合装置的设计”(项目编号：JYA14-23)

张 进(1971- )，女，河南新野人，江苏建筑职业技术学院讲师，硕士，主要从事通信技术及电子信息技术教学与研究。

1671-8127(2016)05-0060-03

TD652

A