基于CAN总线的矿井安全监测系统

摘要现有的RS-485总线已无法满足矿井安监系统对数据通信的要求，为保证监测系统的通信质量，提出了基于CAN总线的矿井安全监测系统，详细地描述了系统的构成、软硬件设计以及抗干扰措施，给出了CAN通信节点的硬件接口电路。实践证明该系统能够在矿井下面长期可靠运行。

关键词 监测系统； CAN总线； CAN通信节点

中图分类号TN492文献标识码A

A coal-mine safety monitoring system based on CAN bus

LuBin1LiQuan2Gao Wen-ping3

1(School OF Information And Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, XuZhou 221008)

2(School OF Information And Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, XuZhou 221008)

3(School OF Information And Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, XuZhou 221008)

【Abstract 】 At present the RS-485 field bus cannot meet the requests of the coal-mine safety monitoring system's correspondence. To ensure the communication quality of the monitoring system, a coal-mine safety monitoring system based on CAN bus is proposed. This paper has described the composition of the system、the software and hardware design and anti-interference measures in detail. The hardware interface circuit of the CAN communication node is also given in this paper. Practice has proved that the system can run reliably for a long time under the colliery.

【Key words】monitoring system; CAN bus; CAN communication node

0 引 言

近几年来，基于对矿井安全生产监测的需要，国内外先后研制出多种类型的安全监测系统，其中CAN通信节点是矿井监测系统的重要组成部分，是井下各安全监控模块与井上安全监控中心之间数据传输的枢纽，并且负责安全监控中心与安全监控模块之间的数据采集与通信。这些节点能否有效地工作决定了矿井安全监测的质量，因此CAN通信节点在矿井安监中发挥着重要作用。而传统的矿井安全监测系统信息传输广泛采用的是RS485通信方式，这种传输总线技术在信息传输方面仍有许多无法克服的缺点，主要表现在：各种类型的监测系统均为主从式结构，网络上只能有1个主节点，无法构成多主冗余系统，当主节点出现故障后，系统将无法运行；各种形式的分站虽然功能相似，但缺乏统一的规范和通信协议，所以系统是封闭的；波特率较低，传输距离短，可靠性和实时性满足不了实时监测的要求。

相比较RS485串行通信系统，现场总线技术[1]的出现使得建设基于网络的开放性矿井监测系统成为可能，而基于CAN总线的监测系统具有可靠性高、实时性高、抗干扰能力强、传输距离远、自身具有差错控制能力、协议规范等优点[2]。为此，本文设计了基于CAN总线的矿井开全监测系统。

1 系统方案的确定

系统方案的选择是在满足系统功能要求的基础上必须保证系统的稳定工作，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。产品化要求系统具有较低的硬件成本，从而降低整个系统的生产成本，使产品具有较高的性价比。本文研究的井下安全监测系统工作于地面以下600米到1000米的深度，需要采集井下多个位置、不同种类的传感器等测量元件的各种类型的数据。因此采用了分布式采集方式，即在不同位置配置多个数据采集设备。每个单独的采集设备称为一个CAN通信节点，每个节点配置有微处理器芯片及数据接口等元件。在全部数据采集节点中选择一个设置为主节点，与其他各个节点相连组成网络，接收这些数据采集节点传来的数据，对数据进行打包处理后上传给地面的监控中心；网络中的其他节点称为子节点。系统的整体结构如图1所示。

图1系统的整体结构图

Fig.1 The system's overall structure

由图可见，系统主要是由数据处理节点和节点间的通信网络两部分组成。系统通信网络选用一主多从的形式[3]，在实际使用中，子节点的个数可以按照实际情况需要自由增减。主节点和子节点在系统中具体功能如下：主节点不但要从外接传感器等测量元件采集数据，还要收集来自各子节点的数据，将其整理后发送给地面监控中心，以便地面的工作人员对数据进行分析、处理并根据结果掌握井下情况。此外，主节点还要接收由地面计算机发来的命令，并将地面的命令下发给各子节点。各子节点一方面要完成对来自传感器测量得到的数据的采集和处理；另一方面，要及时把系统的实时数据传输给主节点，在收到主节点的命令数据后，还要根据发来的命令数据对节点参数进行修正。可见，各子节点仅负责将采集数据传送给主节点，数据的传输只在主节点与子节点之间进行，而子节点彼此之间没有数据的交换。

2 系统硬件设计

2.1 CAN通信节点的设计与实现

CAN通信节点采用微控制器+CAN控制器+CAN收发器的方法实现。微控制器采用Microchip公司的PIC16F873A高性能8位单片机，自带SPI通信接口和10位6通道模数转换器。

CAN控制器采用Microchip公司的MCP2515 ，一般的并口CAN控制器如SJA1000和82C200，虽然读写速度快，但至少要占用13个IO口，硬件比较复杂。而MCP2515与微控制器的连接是通过SPI接口实现的，连线仅使用4个IO口，且符合CAN2.0B技术规范，能发送和接收标准和扩展数据帧以及远程帧，自带的两个验收屏蔽寄存器和6个验收滤波寄存器可以过滤掉不想要的报文。MCP2515的多种工作模式，能够灵活应用于相应的应用系统，通过它的监听模式，能够在CAN网络中实现自动波特率检测。