煤礦井下安全監測系統中CAN總線技術的應用

郭超　郭美娟

摘 要：礦井工作環境惡劣，礦井安全監測系統的主要作用就是持續監測到誘發礦井災害的安全隱患問題，并及時采取安全處理措施。基于CAN總結技術的礦井安全監測系統，大大提高了系統的響應速度，保證安全問題監測的實時性、穩定性及安全性，從而有效降低礦井事故發生率。文章就針對CAN總線技術在煤礦井下安全監測系統中的應用進行探討。

關鍵詞：礦井；安全監測系統；CAN總線技術

煤礦作業生產環節多、涉及到大型的機電設備多，且工作環境高溫高濕，十分惡劣，煤礦安全監控系統的應用可在最大程度上保障井下作業人員的人身安全，提高生產效率，降低生產成本。

1 煤礦通信的特點

與其它行業的通信系統相比，煤礦通信具有以下幾個方面的特點：首先，環境惡劣。系統觀測點多數均位于井下及高壓設備環境中，日常工作均處于較強的電磁輻射及潮濕腐蝕的狀態，惡劣的工作環境不僅會影響到現場檢測的準確性，而且會干擾數據傳輸。其次，檢測對象種類多。由于礦井下的危險因素比較多，很多環境參數可能會與事故的發生與發展有直接相關性，比如通風不足會導致瓦斯濃度升高，達到一定程度可能發生爆炸；再比如一氧化碳可能會導致工作人員中毒等，因此煤礦安全監測系統必須準確測量每一項安全參數，并準確的傳輸至控制中心，以保證煤礦生產的安全性。最后，測量點分布廣泛。煤礦生產范圍大，監測系統必須廣泛分布于各個測量點，才可以保證監測范圍更加全面，這也就無形中增加了傳感器信號及其它檢測信號傳送的復雜性，對遠距離傳輸的安全性、可靠性要求也更高。

2 CAN總線技術概述

CAN總線技術是德國Bosch公司推出的一種現場標準，屬于工業現場總線的范疇，即控制器局域網絡，是一種串行通信總線，其可實現點對點、一點對多點的通信，與其它總線技術相比，CAN具有較強的實時性與要靠性，且可以實現遠距離傳輸，并獲得較高的數據傳輸速率。并且系統結構簡單、成本相對更低，因此在各個行業領域的應用越來越廣泛。在礦井生產中，CAN總線采用的是雙絞線介質，采用差分電壓進行信號采集，保證了系統數據良好的抗干擾性能，因此是礦井安全監測系統中理想的總線技術。在礦井安全監測過程中，溫濕度、可燃氣體的含量是重要參數，井下保持正常的溫濕度，可降低礦井火災發生的機率，而且工作人員處于正常的工作環境中，其工作效率也更高；監測可燃氣體的主要目的是防止瓦斯爆炸，如果空氣中的可燃的氣體濃度過高，則系統傳統器就會監測到，并根據設定值發送警報，便于管理人員采取有效的應對措施。

3 煤礦井下安全監測系統中CAN技術的應用

本研究以某礦井為例，對其安全監測系統設計進行分析。

3.1 硬件設計

基于CAN技術的安全監測系統主要包括微處理器模塊、CAN總線模塊及濾波器。根據煤礦井下環境要求，本系統的通信管理機CPU選擇ATMEL公司的8位高性能嵌入式微處理器ATmega64，其采用單循環周期指令，可獲得較快的執行速度，而且穩定性強，可以滿足通信管理機的要求。CAN總線上數據收發采用中斷的方式，以保證通信管理機的實時性；ATmega64共提供2個串口，其中一個通過Max232提供RS-232串行通訊口，另一個串口則留作備用，實現雙機備份功能。CAN控制器SJA 1000及CAN收發器MCP2551實現CAN總線模塊的CPU與CAN總線的連接，單片機I/O口與SJA 1000的各個引腳相連接，實現數據傳輸及總結控制。SJA 1000在擴展模式下可以選擇單濾波器模式或雙濾波器模式，該系統選擇單濾波器模式。CAN總線上協議規定把廣播節點發送的數據幀過濾器中的一個數據幀設定為接受任何標識符節點，當廣播節點將數據發送至總線時，總線上各個節點均可接受到其所傳輸的數據。

3.2 軟件設計

監測系統的軟件設計采用模塊化的編程方法，根據不同的功能將不同的模塊劃分開來，并按層次結構組織起來，以提高編程效率及系統運行效率，且后續的升級、擴展也更加便利。

（1）主節點程序：地面監控中心要求間隔1s即獲取一次井下數據，因此各個子節點向主節點傳送數據的周期也是1s，相應的，CAN總線的總線周期即為1s。在系統運行過程中，系統廣播幀、控制參數通訊幀等信息會由主節點在每個總線周期內發送至各個子節點，按照發送幀的順序，子節點再將對應的采樣數據傳遞出來。由此可見，子節點是按照不同的節點編號來決定傳遞的優先級別，面子節點的發送周期則由節點數量來決定。當然，實際工作中，需要根據實際情況動態調整節點數據，如果CAN總線的節點數量減少，相應的系統波特率也會發生變化。

（2）子節點程序設計：確認幀由主節點發送完畢后，通用子節點的AD采樣模塊啟動進行持續的數據采集，在接收到主節點發送的數據請求命令后，通用子節點的控制定時器即刻起動，向主節點逐幀發送測量數據，整個過程均處于發送周期內。數據幀發送完成后檢測CPU復位情況。

（3）軟件抗干擾措施：由于監測系統處于一個十分復雜的工作環境，雖然硬件設計時采用了抗干擾措施，但是抗干擾不能完全依靠硬件來解決，軟件抗干擾措施十分必要。首先開發自檢程序，對單片機系統的硬件、軟件狀態進行檢測；其次采用軟件濾波功能，使用軟件檢測算法可以解決原來硬件電路無法實現的信號處理問題，各個測量環節硬件本身存在的缺陷或弱點均可以通過軟件檢測算法克服或彌補，以提高系統的綜合性能。本系統采用的是算術平均值濾波法，該方法是將輸入的N個采樣數據進行求和，再將所得數據除以采樣次數，最終得出本次采樣的有效數據。

總之，CAN總線是一種面向一般工業設備的高速通信總線，其具有實時性高、數據精簡的特點，在特殊的煤礦井下工作環境中，在煤礦安全監測系統中應用CAN總結技術是切實可行的，且應用前景十分廣闊。

參考文獻

[1]王躍東，楊衛波.CAN總線技術在煤礦監測系統中的應用研究[J].煤炭工程，2014（5）：107-108.

[2]饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[3]張麗，丁恩杰，何玉偉，等.礦用CAN/485總線網關的設計與實現[J].工礦自動化，2015（9）：96-98.