基于CAN总线的煤矿综合监控系统的设计与研究.doc

基于CAN总线的煤矿综合监控系统的设计与实现张楠1 ，柴常1，方翰松2（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003；2.同济大学电信学院，上海 200223）摘要：基于CAN总线的煤矿综合监控系统是集井下环境参数探测、人员考勤和定位等一体化的新型智能监控系统，在未来的煤矿信息化管理领域将有十分广阔的应用前景。作者根据系统的功能需求和系统构成特点对系统的监控分站、监控单元等硬件组成部分进行了电路设计，根据CAN总线通信协议设计出了适合本系统应用的通信协议，简化了系统在软件实现上的难度，使传统安全监控系统和人员定位系统的集成在协议上得以实现。关键词：CAN总线；安全监控；人员定位；通信协议； 中图分类号：TP393 文献标识码：AThe Design and Implementation of the Coal Integrative Monitoring System Based on CAN BusNan Zhang1 , Cai Chang1 ,Hansong Fang2(1. Coal Engineering Institute of Shanxi Datong University, Shanxi Datong 037003 2. Institute of electrical and information of Tongji University, Shanghai 200223 )Abstract：Based on CAN bus Coal Integrative monitoring system, Containing environmental parameters detection, personnel roll and position, is a new intelligent monitoring system, in the field of mining information management it will have a wide application prospect in future. The author according to the functionality needs and characteristics of the system, for monitoring divides and control units made a circuit design. Based on CAN bus communications protocol, working out the communications protocol for the system, simplifying system in software, achieving the integration of traditional safety monitoring system and personnel position system in the Protocol.Keywords：CAN Bus; Safety Monitoring; Personnel Position; Communications Protocol1.概述在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70左右，预计到2050年还将占50以上，我国经济的快速增长，对煤炭工业发展提出了更高的要求。为此，必须加强安全生产，确保煤炭工业持续、稳定、安全，快速发展1，2。目前我国现有的煤矿安全监测监控系统仅是监测环境安全参数，实现报警或断电控制，而现在的煤矿安全监控系统需要加入人员定位、设备远程开停控制，加入这些子系统可以为救灾和避灾路线、抢救和疏散人员和器材提供最佳方案3。本文提出的这套系统设计方案，不仅能够对煤矿井下的安全生产进行监测、控制、分析、综合决策及调度，还能够及时、准确地将井下各个区域人员的动态情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员的分布情况及每个矿工的运动轨迹，以便于进行合理地调度管理4。对于煤矿整体运转情况和安全生产情况的监控，下井人员的考勤和跟踪定位以及上一级主管部门对各个煤矿的远程网络监控等有很大的实际应用价值。2系统总体结构综合监控系统方案的选择是在满足系统功能要求的基础上保证系统的稳定行、实用性，有利于系统后期的维护和功能的升级，同时在这个基础上考虑系统的产品化5。本系统通过CAN总线进行连接，由上位机、通信网关、井下监测监控分站（A型）、井下人员跟踪分站（B型）、监控单元、各种传感器、外控设备、人员信息读卡器（以下简称读卡器）和人载标识卡（以下简称标识卡）等组成。本主要介绍监测监控分站的CAN通信接口的硬件电路设计，A型分站和B型分站的协议设计，对于人员定位系统硬件设计不做详细的分析，只给出基本的结构。整个网络系统结构如图1所示。图1 系统结构框图图1中的监控单元外接各种传感器和外控设备，它由环境参数采集模块、外控模块和显示模块组成，监控单元内各模块通过CAN总线进行连接，具有可扩展的多输入多输出接口，显示模块还可以进行液晶显示或数码管显示。3系统硬件设计与实现 3.1井下监控分站设计井下监控分站分为A、B型监控分站，它们具有相同的硬件电路，只是软件程序上不同，文章主要介绍A型分站的电路设计。监控分站由微控制器、外扩RAM、报警信号输出接口、DC-DC转换模块、上位CAN接口模块和下位CAN接口模块组成。监控分站结构框图如图3所示。图2 监控分站结构框图3.2上下CAN通信接口电路设计监控分站需要连接上下两个CAN通信网络，如果采用独立的CAN控制器芯片，则需要一个微处理器控制两个CAN控制器芯片的运行，这样的的应用系统设计起来复杂而且稳定性也难以保证。所以选择内置CAN控制器模块的PIC18F8680能够减少CAN控制器模块的扩展，使监控分站只需外扩一个CAN控制器即可达到设计要求，大大简化了系统的硬件电路设计，单片机及部分外围电路如图3。同时单片机PIC18F8680需要外扩一个CAN控制器用于将监控分站连接到上位CAN 通信网络。外扩CAN控制器电路设计如图4所示。根据功能要求，监控分站应具有声光报警功能。监控分站实时的上传监控单元采集的矿井敏感环境参数信息，上位机若发现采集信息超出标准范围有可能引起火灾或爆炸等危险事情发生，上位机会给予监控分站报警命令，监控分站应该通过报警信号输出接口制动报警设备为井下工作人员提供危险信号指示。这也是煤矿综合安全监控系统的重要功能。图3 PIC18F8680及其部分外围电路图4 外扩CAN控制器电路3.3井下监控单元设计该系统要实现的功能较多，并希望得到尽可能高的实时性，故采用模块化设计，利用三个微处理器协同工作的方式，也增强了系统的实用性。监控单元由环境参数采集模块、外控模块和显示模块组成。监控单元结构框图如图5所示。图5 监控单元结构框图1.环境参数采集模块设计矿用传感器种类较多，一般传感器输出信号形式可分为模拟量、开关量、累计脉冲量等。本系统环境参数信号量输入通道结构如图7所示。为了适应不同频率信号可以变换成满足于微控制器输入要求的标准电平，模拟信号通常还需要经过数据放大器、多路信号采样选择、V/F转换、信号放大和光电隔离电路的处理。图6 环境参数信号量输入通道2.外部设备控制模块设计外部设备控制模块的控制功能由单片机控制继电器来完成，此模块设计了8个控制继电器，单片机通过CAN通信收到继电器制动命令后，通过单片机输出高低电平控制OUT1与OUT2的链接与否，以此来控制报警设备的开关、断电与否、机器开停等。3.显示模块设计监控单元的显示模块以微控制器为中心，控制着液晶显示（LCD）模块、数码管显示（LED）模块和红外通信模块三大模块，完成相关的显示功能。3.4标识卡及读卡器设计人员定位子系统是利用井下CAN总线通信网络作为数据传输平台，完成读卡器和标识卡信息的收发。通过所需软件从上位机数据库中读出读卡器的相关采集信息，实现对人员跟踪定位信息的采集、分析处理、实时显示、历史数据存储报表、查询打印等功能6,7。此处只简单介绍人员定位子系统的框架结构。人员定位子系统硬件电路主要包括读卡器、标识卡和CAN通信电路三个部分。其中读卡器和标识卡都包含射频电路与主控电路两个部分的设计。因此，射频芯片的选型与应用电路的设计在整个硬件设计当中就显的尤为重要。人员定位子系统中，读卡器和标识卡采用了相同的射频电路，简化了硬件电路设计。人员定位子系统总体框架如图7所示。图7人员定位子系统总体框架4系统通信协议设计监控终端即为采集环境参数的监控单元和采集人载标识卡的读卡器，它们与分站之间的通信协议是分站进行数据处理和数据传输的基础。监控终端采集所需数据要以一定的数据格式主动上传至分站，数据传输网络采用CAN总线，所以设计数据传输的帧格式时要以CAN报文信息为基础8。1.A型分站与监控单元间通信协议设计监控单元中环境参数采集模块采集敏感环境参数经过数据分析后按一定的帧结构主动向A型分站发送。此帧结构以CAN报文信息的十个字节为基础而设计，所以环境参数采集模块发送至分站的帧结构定义如下，其中帧头和通道数据分别占两个字节，一帧信息中含一个帧头和四个通道数据共十个字节，充分使用了CAN报文信息的十个字节。表1 环境参数采集模块发送帧格式帧头通道数据1通道数据2通道数据3通道数据4帧头占两个字节，定义了包含此帧属性的信息。帧头包含的信息定义如下：表2 帧头信息定义D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0包类型分站标识符保留位0数据长度2.B型分站与读卡器间通信协议设计当一个标识卡进入或离开一个读卡器的辐射范围时，读卡器对标识卡动作信息主动发送至分站。读卡器发送的帧结构设计原则和监控单元发送的帧结构的设计类似，也是分帧头和数据字段即标签。读卡器发送的帧结构定义如图8所示：图8 读卡器发送帧结构帧头占两个字节，定义了此帧的属性信息。其中对帧头的定义如图9所示： 图9 帧头的信息定义每个标签的动作信息占两个字节，低15位为标签的编号，最高位为标签的动作，即离开还是进入。一个帧中最多能携带四个标签的动作信息。具体标签数据结构定义如图10所示：图10 标签信息结构定义3.主站命令帧格式和分站命令返回帧格式上位机通过RS-232接口发出命令帧，需要经过网关进行向下传输。而分站命令返回帧是由分站通过CAN总线发出，经由网关向上传给上位机。此处网关是RS-232和CAN信号进行转换，它是透明传输。主站命令帧格式以CAN标准帧的报文信息格式为基础，给予标准帧中报文信息的10个字节不同的信息定义：首先，A/B型分站接收到命令帧时要能够识别此命令是否是针对自身分站的命令，从而不同的分站能够根据命令给予不同的命令返回。其次，命令帧结构中要包含定义此帧属性的信息字段。第三，帧结构中应该包含命令字符字段和上位机发送的数据字段。设计时定义命令帧每帧10个字节，命令所需字节数少于10个时仅发一帧，否则发多帧，但是最多发8帧。命令帧格式如下：N FR0 ORDER TDX06N FR1 TDX714 FRI 命令返回帧格式：N FR0 FLAG STATUS CTR RSV RDX03N FR1 RDX411 FRI 4.主站对A型分站命令和数据及其返回格式 此系统设计了多个主站对A型分站的命令和数据，A型分站收到命令后会以一定的格式返回与命令对应的数据。命令和数据及其返回格式都遵从4.2.2中帧格式，由于篇幅有限本文不对每个命令进行一一分析，仅就数据采集命令“S”的返回数据帧格式进行了详述。数据采集命令“S”（非压缩型，可传输指定通道数据）命令： NFR0 S X返回： X18时N FR0 S STATUS CTR RSV CLx CHxX18时N FR0 S STATUS CTR RSV CL1 CH1 CL2 CH2N FR1 CL3 CH3 CL4 CH4 CL5 CH5 CL6 CH6N FR2 CL7 CH7 CL8 CH8N为分站地址、FR0为帧的属性信息、“S”为命令符等，X为通道号，执行该命令时，若X18中的任何一个数字，则返回第X通道的采样值和控制值，否则返回所有通道的采样值和控制值。根据通道的输入类型不同而返回数据格式也不同，具体的数据返回格式如下： 1） 当通道为模拟量输入时，CLx、CHx格式如下：表3 模拟量CLx、CHx格式CLxCHx采样值低8位变量类型00/01/10：模拟量11：开入量11：累计量通道号x0705 6采样值高3位D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D02）当通道为开关量输入时，CLx、CHx格式如下：表4 开关量CLx、CHx格式CLxCHx开停状态00：开态01：停态10：断线开记数（063）：两次采样间隔之间开关状态变化记数；0-1翻转，次数加1；通讯一次清0变量类型00/01/10：模拟量11：开入量11：累计量通道号x07056开记时（TY）：开停量开状态时间统计，单位为分钟，取值范围07通讯一次清0D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D03）当通道为开关量输出时，数据返回格式如下：表5 开关量CTR格式控制状态CTRBitD7D6D5D4D3D2D1D0通道876543215. 主站对B型分站命令和数据及其返回格式此系统也设计了多个主站对B型分站的命令和数据，由于篇幅有限本文不对每个命令进行一一分析，仅就数据采集命令“X”的返回数据帧格式进行了详述。数据采集命令 “X” 命令： N FR0 S X返回： N FR0 S STATUS CTR REC_NUM REC163N FR1 REC121REC261.N FR7 REC1021REC1161N FR0 REC1261REC1365.5 结论 本文着重研究怎样利用CAN总线将普通安全