CAN总线下的煤矿安全监控系统设计

摘要：为了提高煤矿安全监控系统的实时性、可靠性，基于CAN总线技术设计了一种远程监控系统。该系统分现场监控节点和上位机两部分。现场监控节点以单片机dsPIC30F6012为核心，采用CH4、CO、温湿度传感器及开关量采集电路采集井下环境参数信息及设备开关状态，通过CAN总线网络和CAN总线适配卡PCI-9810实现现场节点与上位机之间的数据通信。系统设计简单、易于实现，具有一定的工程应用价值。

关键词：煤矿安全；CAN总线；dsPIC30F6012；监控系统

引言

煤矿安全监控系统能够对矿井下CH4、CO、温度、通风、粉尘等环境参数及机电设备的开关状态进行准确、实时的监测和报警，减少事故的发生，对煤矿安全生产具有非常重要的意义。但是，煤矿井下环境十分恶劣，监测数据量大，监测点多且分散，采集的数据需要通过长距离通信线路上传，易受干扰影响，对监测系统的可靠性、实时性提出了严峻的考验。CAN总线是一种应用于现场设备与控制室之间，支持分布式、实时控制的现场总线网络；采用双绞线传输、全分散、全数字化，抗干扰能力强，可构建多变量、多点检测的通信系统；可靠性高、实时性好，传输速率高，最高可达1Mb/s，最大传输距离为5km，完全满足煤矿安全监控的要求。因此，本文设计了一种基于CAN总线的煤矿安全监控系统，现场智能节点以单片机dsPIC30F6012为检测控制核心，检测井下环境参数，并通过CAN总线实时、远距离上传至地面上位监控主机进行数据分析，全面实现井下安全生产监控。

1煤矿安全监控系统概述

煤矿安全监控系统的总体结构如图1所示,由现场检测节点电路及测量传感器、CAN总线网络、CAN总线适配卡、上位机组成。现场检测节点收集有害气体含量、温度等矿用传感器检测的环境数据，进行分析处理并就地显示及异常报警，同时通过CAN接口将数据实时发送到CAN总线上，也可通过CAN接口接收上位机下达的指令信息。CAN总线可挂接110个检测节点，通过网桥方式可扩充节点数量，使监控不留死角。上位PC机通过CAN适配卡获取由CAN总线传输的井下监测数据，并进行数据分析处理及存储，形成各种报表、异常报警及控制指令的下达。

2系统硬件设计

（1）现场检测节点设计现场检测节点电路结构图如图2所示，节点以单片机dsPIC30F6012为核心，井下传感器输出的模拟信号送入dsPIC30F6012的片内A/D转换器，单片机以此获取井下环境参数信息，进行显示及与设定的限值进行比较，对异常情况进行报警；由单片机片内CAN总线控制器及高速光耦6N137、CAN总线收发器TJA1050T构成CAN通信接口电路，用于数据的实时传输。此外，检测节点还可对井下机电设备的开关状态进行检测，在紧急情况下由输出控制电路通过接触器关断设备电源。（2）传感器的选择①CH4传感器采用MC112催化型气敏传感器，其检测电路如图3所示，检测元件D、补偿元件C与电阻R1、R3、可变电阻R2构成电桥，在无CH4环境中通过调节可变电阻R2的大小使电桥平衡、输出归零，一旦遇到CH4气体，检测部分阻值就会升高，使电桥失去平衡，且电桥输出电压与CH4浓度成比例关系。单片机dsPIC30F6012片内有16通道、12位的A/D转换器，微弱的电桥输出电压信号经过仪表放大器AD623进行放大后，送入单片机A/D转换器的ADC1管脚，单片机获取与CH4浓度对应的数字量。②CO传感器选用ZE07-CO型传感器模组，采用电化学原理对环境中的CO进行探测，选择性好且内置温度补偿电路使输出稳定性好。传感器模组输出0.4~2V电压信号，与CO浓度0至满量程成线性对应关系，输出的模拟信号接入单片机dsPIC30F6012的片内A/D转换器，单片机获取与CO浓度对应的数字量。③温湿度传感器选用温湿度传感器SHT11，其供电电压为2.4～5.5V，测温范围-40～123.8℃，湿度范围0～100%RH。传感器内部集成测温、测湿元件及14位的A/D转换器，直接输出温度、湿度的数字量，其二线数字串行接口SCK和DATA与单片机普通I/O口相连，单片机通过写时序读取输出的数字量。（3）CAN总线接口电路CAN总线接口电路将现场检测节点采集的数据信息发送到CAN总线上传输，其一般包括CAN总线控制器、隔离光耦、CAN收发器。由于单片机dsPIC30F6012内部集成了CAN总线控制器，支持CAN2.0协议，可编程比特率最高为1Mb/s，使接口电路设计简化，单片机的C1RX、C1TX为其CAN总线控制器管脚，具体电路如图4所示。6N137为高速隔离光耦，其介于单片机与CAN总线收发器TJA1050T之间，以增强系统的抗干扰能力，实现总线上各监测节点的电气隔离，通过它将TJA1050T的RXD、TXD与集成的CAN总线控制器的C1RX、C1TX相连接，为实现真正的隔离，图4中+5V和+5VB为隔离的两套电源，+5VB可由+5V通过小功率电源隔离模块B0505S-1W得到。TJA1050T实现总线报文的差动发送与接收，是CAN总线控制器与物理总线之间的接口，PESD2CAN为防静电二极管，用于CAN接口保护。（4）开关量采集电路开关量采集电路如图5所示，用于对井下设备的开停传感器输出信号进行检测，并用光耦4N25进行隔离，输出信号在输入单片机之前还采用施密特非门74LS14进行波形整形，以增强系统的抗干扰能力。单片机dsPIC30F6012的RB口具有电平变化中断功能，电路的输出与RB口相连，一旦设备的开停状态变化导致电路输出电平变化，单片机通过中断方式可及时获取相关状态信息。（5）报警及输出控制电路报警及输出控制电路如图6所示，RE0、RE1、RE2为单片机普通I/O接口，采用驱动芯片ULN2003驱动发光二极管D4、继电器线圈K1、蜂鸣器LS1。当D4有规律地闪烁时，表明采集的参数正常；当有数据超过设定的限值时驱动蜂鸣器报警；若发生紧急状况，单片机通过ULN2003对继电－接触器进行操作，使危险设备断电。（6）上位机硬件上位机硬件主要由工控机和CAN总线接口卡组成。CAN总线接口卡选用PCI-9810，支持CAN2.0A通信协议，兼容CAN2.0B，采用PCI接口，带有4路经光电隔离的CAN接口，可以很方便地将工控机连接到CAN总线上，隔离电压高达2500VDC，抗干扰能力强，适合于恶劣环境中使用。支持Win2000/XP/Win7/Win8等操作系统，提供二次开发接口库文件，能够在常用组态环境昆仑通态MCGS、组态王KingView、力控等软件下进行CAN-bus产品项目的开发。

3系统软件设计

系统软件采用模块化设计，主要包括单片机及电路的初始化、CAN通信、现场数据采集处理等,主程序流程图如图7所示。系统上电后首先进行单片机的初始化，包括I/O端口分配及配置、A/D转换设置、中断类型选择及中断屏蔽寄存器设置、片内CAN总线控制器设置、LCD显示等设备初始配置。紧接着由井下传感器采集现场环境参数，单片机通过A/D转换或数字接口获取相关信息后，与系统设定的限值进行比较，将异常情况报警及上传，引起操作人员注意。现场检测节点对数据的收发是通过单片机片内CAN模块实现的。CAN总线模块有3个接收缓冲区，其中1个缓冲区用于监视总线是否有进入的报文，只有这些报文在满足接收过滤器判据时才被传送至另外2个缓冲区，报文接收成功则中断标志位RXnIF置1，若中断屏蔽位RXnIE为1，则产生1个中断，单片机读取报文数据。CAN模块有3个发送缓冲区。每个缓冲区中要发送的报文占8个字节，扩展标识符和其他报文仲裁信息占5个字节，要发送报文必须将标志位TXREQ置1，当模块检测到总线可用时，就开始发送具有最高优先级的报文。

4结语

本文对煤矿井下使用的安全监控系统进行了设计，采用CAN总线技术，将井下采集的CO、CH4等有害气体浓度、温湿度及井下设备开停信息，通过CAN总线及时上传，系统可以实现多点测量和多参数测量。CAN总线技术的应用提高了该系统的实时性、安全性和可靠性，具有一定的应用和推广价值。

参考文献：

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作者：郭志成 郭宁 李晓青 单位：兰州工业学院