CAN總線下的煤礦安全監控系統設計

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摘要：為了提高煤礦安全監控系統的實時性、可靠性，基于can總線技術設計了一種遠程監控系統。該系統分現場監控節點和上位機兩部分。現場監控節點以單片機dsPIC30F6012為核心，采用CH4、CO、溫濕度傳感器及開關量采集電路采集井下環境參數信息及設備開關狀態，通過CAN總線網絡和CAN總線適配卡PCI-9810實現現場節點與上位機之間的數據通信。系統設計簡單、易于實現，具有一定的工程應用價值。

關鍵詞：煤礦安全；CAN總線；dsPIC30F6012；監控系統

引言

煤礦安全監控系統能夠對礦井下CH4、CO、溫度、通風、粉塵等環境參數及機電設備的開關狀態進行準確、實時的監測和報警，減少事故的發生，對煤礦安全生產具有非常重要的意義。但是，煤礦井下環境十分惡劣，監測數據量大，監測點多且分散，采集的數據需要通過長距離通信線路上傳，易受干擾影響，對監測系統的可靠性、實時性提出了嚴峻的考驗。CAN總線是一種應用于現場設備與控制室之間，支持分布式、實時控制的現場總線網絡；采用雙絞線傳輸、全分散、全數字化，抗干擾能力強，可構建多變量、多點檢測的通信系統；可靠性高、實時性好，傳輸速率高，最高可達1Mb/s，最大傳輸距離為5km，完全滿足煤礦安全監控的要求。因此，本文設計了一種基于CAN總線的煤礦安全監控系統，現場智能節點以單片機dsPIC30F6012為檢測控制核心，檢測井下環境參數，并通過CAN總線實時、遠距離上傳至地面上位監控主機進行數據分析，全面實現井下安全生產監控。

1煤礦安全監控系統概述

煤礦安全監控系統的總體結構如圖1所示,由現場檢測節點電路及測量傳感器、CAN總線網絡、CAN總線適配卡、上位機組成。現場檢測節點收集有害氣體含量、溫度等礦用傳感器檢測的環境數據，進行分析處理并就地顯示及異常報警，同時通過CAN接口將數據實時發送到CAN總線上，也可通過CAN接口接收上位機下達的指令信息。CAN總線可掛接110個檢測節點，通過網橋方式可擴充節點數量，使監控不留死角。上位PC機通過CAN適配卡獲取由CAN總線傳輸的井下監測數據，并進行數據分析處理及存儲，形成各種報表、異常報警及控制指令的下達。

2系統硬件設計

（1）現場檢測節點設計現場檢測節點電路結構圖如圖2所示，節點以單片機dsPIC30F6012為核心，井下傳感器輸出的模擬信號送入dsPIC30F6012的片內A/D轉換器，單片機以此獲取井下環境參數信息，進行顯示及與設定的限值進行比較，對異常情況進行報警；由單片機片內CAN總線控制器及高速光耦6N137、CAN總線收發器TJA1050T構成CAN通信接口電路，用于數據的實時傳輸。此外，檢測節點還可對井下機電設備的開關狀態進行檢測，在緊急情況下由輸出控制電路通過接觸器關斷設備電源。（2）傳感器的選擇①CH4傳感器采用MC112催化型氣敏傳感器，其檢測電路如圖3所示，檢測元件D、補償元件C與電阻R1、R3、可變電阻R2構成電橋，在無CH4環境中通過調節可變電阻R2的大小使電橋平衡、輸出歸零，一旦遇到CH4氣體，檢測部分阻值就會升高，使電橋失去平衡，且電橋輸出電壓與CH4濃度成比例關系。單片機dsPIC30F6012片內有16通道、12位的A/D轉換器，微弱的電橋輸出電壓信號經過儀表放大器AD623進行放大后，送入單片機A/D轉換器的ADC1管腳，單片機獲取與CH4濃度對應的數字量。②CO傳感器選用ZE07-CO型傳感器模組，采用電化學原理對環境中的CO進行探測，選擇性好且內置溫度補償電路使輸出穩定性好。傳感器模組輸出0.4~2V電壓信號，與CO濃度0至滿量程成線性對應關系，輸出的模擬信號接入單片機dsPIC30F6012的片內A/D轉換器，單片機獲取與CO濃度對應的數字量。③溫濕度傳感器選用溫濕度傳感器SHT11，其供電電壓為2.4～5.5V，測溫范圍-40～123.8℃，濕度范圍0～100%RH。傳感器內部集成測溫、測濕元件及14位的A/D轉換器，直接輸出溫度、濕度的數字量，其二線數字串行接口SCK和DATA與單片機普通I/O口相連，單片機通過寫時序讀取輸出的數字量。（3）CAN總線接口電路CAN總線接口電路將現場檢測節點采集的數據信息發送到CAN總線上傳輸，其一般包括CAN總線控制器、隔離光耦、CAN收發器。由于單片機dsPIC30F6012內部集成了CAN總線控制器，支持CAN2.0協議，可編程比特率最高為1Mb/s，使接口電路設計簡化，單片機的C1RX、C1TX為其CAN總線控制器管腳，具體電路如圖4所示。6N137為高速隔離光耦，其介于單片機與CAN總線收發器TJA1050T之間，以增強系統的抗干擾能力，實現總線上各監測節點的電氣隔離，通過它將TJA1050T的RXD、TXD與集成的CAN總線控制器的C1RX、C1TX相連接，為實現真正的隔離，圖4中+5V和+5VB為隔離的兩套電源，+5VB可由+5V通過小功率電源隔離模塊B0505S-1W得到。TJA1050T實現總線報文的差動發送與接收，是CAN總線控制器與物理總線之間的接口，PESD2CAN為防靜電二極管，用于CAN接口保護。（4）開關量采集電路開關量采集電路如圖5所示，用于對井下設備的開停傳感器輸出信號進行檢測，并用光耦4N25進行隔離，輸出信號在輸入單片機之前還采用施密特非門74LS14進行波形整形，以增強系統的抗干擾能力。單片機dsPIC30F6012的RB口具有電平變化中斷功能，電路的輸出與RB口相連，一旦設備的開停狀態變化導致電路輸出電平變化，單片機通過中斷方式可及時獲取相關狀態信息。（5）報警及輸出控制電路報警及輸出控制電路如圖6所示，RE0、RE1、RE2為單片機普通I/O接口，采用驅動芯片ULN2003驅動發光二極管D4、繼電器線圈K1、蜂鳴器LS1。當D4有規律地閃爍時，表明采集的參數正常；當有數據超過設定的限值時驅動蜂鳴器報警；若發生緊急狀況，單片機通過ULN2003對繼電－接觸器進行操作，使危險設備斷電。（6）上位機硬件上位機硬件主要由工控機和CAN總線接口卡組成。CAN總線接口卡選用PCI-9810，支持CAN2.0A通信協議，兼容CAN2.0B，采用PCI接口，帶有4路經光電隔離的CAN接口，可以很方便地將工控機連接到CAN總線上，隔離電壓高達2500VDC，抗干擾能力強，適合于惡劣環境中使用。支持Win2000/XP/Win7/Win8等操作系統，提供二次開發接口庫文件，能夠在常用組態環境昆侖通態MCGS、組態王KingView、力控等軟件下進行CAN-bus產品項目的開發。

3系統軟件設計

系統軟件采用模塊化設計，主要包括單片機及外圍電路的初始化、CAN通信、現場數據采集處理等,主程序流程圖如圖7所示。系統上電后首先進行單片機的初始化，包括I/O端口分配及配置、A/D轉換設置、中斷類型選擇及中斷屏蔽寄存器設置、片內CAN總線控制器設置、LCD顯示等外圍設備初始配置。緊接著由井下傳感器采集現場環境參數，單片機通過A/D轉換或數字接口獲取相關信息后，與系統設定的限值進行比較，將異常情況報警及上傳，引起操作人員注意。現場檢測節點對數據的收發是通過單片機片內CAN模塊實現的。CAN總線模塊有3個接收緩沖區，其中1個緩沖區用于監視總線是否有進入的報文，只有這些報文在滿足接收過濾器判據時才被傳送至另外2個緩沖區，報文接收成功則中斷標志位RXnIF置1，若中斷屏蔽位RXnIE為1，則產生1個中斷，單片機讀取報文數據。CAN模塊有3個發送緩沖區。每個緩沖區中要發送的報文占8個字節，擴展標識符和其他報文仲裁信息占5個字節，要發送報文必須將標志位TXREQ置1，當模塊檢測到總線可用時，就開始發送具有最高優先級的報文。

4結語

本文對煤礦井下使用的安全監控系統進行了設計，采用CAN總線技術，將井下采集的CO、CH4等有害氣體濃度、溫濕度及井下設備開停信息，通過CAN總線及時上傳，系統可以實現多點測量和多參數測量。CAN總線技術的應用提高了該系統的實時性、安全性和可靠性，具有一定的應用和推廣價值。

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作者：郭志成 郭寧 李曉青 單位：蘭州工業學院