CAN總線在采礦塌陷區大型廠房監測系統中的應用

丁愛華

(唐山學院信息工程系，河北 唐山 063000)

CAN總線在采礦塌陷區大型廠房監測系統中的應用

丁愛華

(唐山學院信息工程系，河北 唐山 063000)

針對采礦塌陷區上建現代大型單層廠房、溫室急需進行監測的要求，采用基于CAN總線技術的檢測系統方案，通過單片機系統完成沉降數據的采集，實現智能節點的設計。同時采用CAN總線技術，實現數據的實時可靠的傳輸。再將數據直接傳給計算機，進行數據集中分析處理。通過VB制作的監控管理軟件，實現溫度的查詢與實時顯示。以唐山馬家溝礦區波及區上建設的鳳凰花卉溫室大棚為對象進行的監測試驗表明，該地區塌陷明顯，7個月的沉陷達到了幾十毫米，最大點可以達到83 mm。本系統改變了傳統集散控制系統的檢測方式，節省了人力物力，并可以實現實時可靠的檢測。

CAN總線 采礦塌陷區 沉降監測 VB

隨著采礦廢棄地、塌陷區利用越來越多，對這些不穩定地基進行大型廠房、溫室的安全運營引起了各方的關注。結合采礦塌陷區不穩定的特點，針對傳統監測系統中數據的采集和記錄不及時、自動化程度低、工作效率低等問題，設計能在工業現場環境中運行性能可靠、價格低廉的監測系統變得越來越重要。由于廠房地基不穩定，地表沉降現象變化緩慢，因此，需要對其微小變形量進行實時監測，并建立統計分析模型，建立預警系統。另外，由于廠房占地面積較大，不僅僅要考慮沉降數據的準確性與可靠性，還應該進行多點測量。現場總線技術集合了計算機、通信、網絡和控制技術，把集散控制系統中由單、多回路調節器構成的控制系統，由現場儀表來承擔，改變了控制系統體系結構。

控制器局部網CAN(Controller Area Network)是串行通信網絡，支持分布式、實時控制。應用范圍遍及從高速網絡到低成本的多線路網絡，具有優先權和仲裁能力，可以將多個檢測、控制模塊通過CAN控制器接到CAN總線上，形成多主機局部網絡，比普通的通信技術，具有更高的可靠性和實時性。本設計基于CAN總線技術，不僅能準確顯示各監測點的實時沉降數據，而且能夠起到預警作用。同時，通過分析數據，建立沉降采集數據模型，為安全生產提供可靠的依據。

1 系統整體設計

沉降監測系統包括沉降檢測和沉降自動化報警2個子系統，利用位移傳感器進行沉降信息的檢測，實現對廠房環境的自動監測和報警。本系統是一個智能型的沉降監控系統。系統由上位管理機、CAN總線適配器以及多個智能節點組成，節點數量根據廠房監控的規模增加，采用CAN總線作為通信網絡，采用雙絞線作為傳輸介質，將各節點連接成一個分布式智能控制網絡，其網絡框架如圖1所示。

圖1 網絡構架

CAN總線模塊采用STC89C52作為微處理器，在CAN總線通信接口中采用了PHILIPS公司的SJA1000和PCA82C250芯片，SJA1000是一種獨立CAN通信控制器，82C250為高性能CAN總線收發器。

整個系統主要是由智能沉降值采集節點和上位管理機3部分所構成。智能節點負責多點垂直位移數據的采集，依靠CAN總線完成節點和上位管理機的通信。監控管理機主要完成CAN總線網絡與PC機之間的通信功能，并實現對智能節點的控制和監控結果的實時顯示，由CAN總線控制器和CAN總線收發器來完成。

2 CAN智能節點模塊硬件設計

本設計的智能節點模塊硬件總體框圖如圖2所示。

圖2 智能節點模塊硬件總體框圖

系統采用結構化的方法進行硬件設計，按功能劃分成幾個子模塊。主要包括位移采集模塊，主要負責緩變位移數據的采集；CAN總線通信模塊，主要負責節點和總線中其他節點之間的雙向通信，包括CAN總線控制器和總線收發器；系統電源模塊，負責提供+5 V電源電壓；顯示模塊和報警模塊，負責由節點獲得的位移信息轉換為沉降數據的顯示和報警功能。智能節點最終實現對沉降值進行實時采集并完成沉降值的實時顯示。采集到的實時數據通過總線向監控管理計算機進行傳輸，由人機交互模塊，提供操作人員和底層節點之間的信息交互，最后將測得的結果發送到監控管理界面顯示出來。

2.1 位移采集模塊

為了獲得沉降值，采用位移傳感器進行垂直位移的檢測，在此選擇靜力水準儀(圖3)作為垂直沉降的傳感器，它由一系列液位傳感器和儲液罐組成，儲液罐之間由連通管連通，用于塌陷區多個被測點的沉降變形監測。

圖3 靜力水準儀

監測時，基準罐置于一個穩定的水平基點，其他儲液罐置于標高大致相同的不同位置，當各儲液罐相對于基準罐發生升降時，將引起該罐內液面的上升或下降。因此，通過測量液位的變化情況，可以測量出各被測點相對水平基點的升降變形。

2.2 CAN通信模塊設計

基于目前市場上的開發工具的實際需要，選擇SJA1000作為CAN控制器，并使用CAN控制器接口芯片PCA82C250。

PCA2C250為CAN總線收發器，是CAN控制器和物理總線間的接口，提供對總線的驅動發送能力、對CAN控制器的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力。

2.3 人機交互模塊設計

本次設計中使用STC89C52單片機串行通信端口和1個簡單的接口功能，選擇RS-232為CAN總線連接上位機的連接方式。

3 系統軟件設計

軟件設計分智能節點軟件設計和上位機管理機軟件設計2部分。其中，上位機由Visual Basic可視化的程序設計語言開發監控管理界面。

3.1 CAN通信軟件設計

3.1.1 SJAl000數據發送程序設計

報文的發送由CAN控制器通過CAN協議規范自動完成。發送時，首先把CPU將要發送的報文傳送給發送緩沖器中，并且置位命令寄存器中的發送請求標志位。其發送流程圖如圖4所示。

圖4 數據發送流程

3.1.2 SJAl000接收數據程序設計

接收數據流程圖如圖5所示。如果接收緩沖區狀態標志為滿，則說明已經接收1個或多個報文。此時CPU將從CAN控制器讀取出第1個報文，并且置位命令寄存器釋放接收緩沖區的標志。

圖5 數據接收流程

3.2 上位管理機界面的設計

為了實現通信的程序，設計上位管理機界面設計如圖6所示。

4 數據分析

為驗證系統的可行性，項目組在唐山馬家溝礦區波及區上建設的鳳凰花卉溫室大棚進行監測試驗。基準罐上設置GPS接收裝置，以便確定基準罐基準數據。通過在300 m×110 m的花卉交易大廳4個大棚角點設置監測裝置，利用2014年1—7月實時監測，以驗證該溫室大棚在塌陷波及區上的穩定性。

圖6 監控管理軟件框圖

通過截取記錄3點的監測數據，并加以分析，如圖7所示。該采煤塌陷波及區雖然采深大，距離采中線距離較遠，但是監測數據依然顯示塌陷明顯，7個月的沉陷達到了幾十毫米，最大點可以達到83 mm。但是從整體數據上看該區域沉陷較平穩，沒有出現斷裂現象。

圖7 廠房地表沉降監測數據

5 結 論

從采礦塌陷區上建大型廠房、溫室中穩定性、監測的理論設計和系統實現出發，對基于CAN總線技術的監視系統展開分析與研究，并結合項目在唐山市馬家溝煤礦采煤塌陷波及區上建設的鳳凰花卉大型生態溫室進行了應用，效果良好。

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(責任編輯 石海林)

Application of CAN bus in Large Plant Monitoring System in Mining Subsidence Area

Ding Aihua

(DepartmentofInformationEngineering，TangshanCollege，Tangshan063000，China)

According to the monitoring requirements of building modern large-scale monolayer workshop and greenhouse in the mining subsidence area，the detection scheme based on CAN technology is adopted to realize the design of intelligent node，through the MCU system to complete settlement data collection.At the same time，the real-time and reliable data transmission is realized by the technology of CAN bus.Then the data is directly transmitted to the computer for data analysis and processing.The monitoring and management software based on VB is used to query and display real-time temperature.Monitoring test data in Fenghuang flower greenhouse of Tangshan Majiagou mining area shows that the area is subsided obviously.Sedimentation value reached dozens of millimeter in 7 months，and the maximum dedimentation value can reach 83mm.The system changes the traditional detection method of distributed control system，saves manpower and material resources，and realizes real-time and reliable detection.

CAN bus，Mining subsidence area，Subsidence monitoring，Visual Basic

2015-02-04

丁愛華(1978—)，女，副教授，碩士。

TD17，TD325

A

1001-1250(2015)-04-212-04