CAN 總線在液壓支架電液控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

董偉宏

（西山煤電白家莊礦第二項(xiàng)目部， 山西 太原 030022）

引言

目前液壓支架電液控制技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，對(duì)提高采煤效率和巷道支護(hù)安全性具有顯著效果。隨著液壓支架電液控制技術(shù)的發(fā)展，液壓支架鄰架控制技術(shù)和跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)也逐漸得到應(yīng)用。為了傳輸現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)視所有支架的支護(hù)狀態(tài)，發(fā)送動(dòng)作指令，實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控主機(jī)對(duì)液壓支架狀態(tài)監(jiān)測(cè)和集中控制，必須構(gòu)建一種適用于井下液壓支架控制器和地面監(jiān)控主機(jī)的通信網(wǎng)絡(luò)。CAN 總線技術(shù)是德國(guó)Bosch 公司在20 世紀(jì)80 年代末提出的一種多主方式的串行通信總線，最初被用來(lái)解決汽車各電子裝置之間的通信問(wèn)題。由于CAN 總線具有很高的實(shí)時(shí)性能，在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。基于CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了適用于液壓支架控制器鄰架控制和遠(yuǎn)程集中控制的硬件電路和數(shù)據(jù)收發(fā)子程序。CAN 總線技術(shù)在實(shí)現(xiàn)液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化、鄰架控制、頂板壓力監(jiān)測(cè)、故障診斷等方面具有重要應(yīng)用，對(duì)于提高綜采工作面自動(dòng)化和智能化具有重要意義。

1 總體結(jié)構(gòu)

基于雙CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)的液壓支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。每個(gè)液壓支架均配備了一個(gè)控制器和傾角傳感器、紅外行程傳感器和壓力傳感器等。各類傳感器從液壓支架獲取到壓力、位置和傾角等數(shù)據(jù)后，發(fā)送給支架控制器，支架控制器通過(guò)CAN 總線接收控制指令或發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)不同的控制功能，通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成雙CAN 網(wǎng)絡(luò)。CAN1 總線用于鄰架通信，實(shí)現(xiàn)鄰架控制。鄰架控制的主要好處是可以避免工人在本架操作中出現(xiàn)錯(cuò)誤或者本架出現(xiàn)故障，這一點(diǎn)在作業(yè)空間狹小的工作面中顯得尤為重要。鄰架控制包括單架鄰架控制和成組鄰架控制，單架鄰架控制是通過(guò)某支架控制器控制左右各5 架范圍內(nèi)的某一液壓支架進(jìn)行單一動(dòng)作，成組鄰架控制是通過(guò)某支架控制器對(duì)某架液壓支架進(jìn)行整組單一動(dòng)作。CAN0 總線用于集控通信，實(shí)現(xiàn)跟機(jī)自動(dòng)化，采煤機(jī)向前位移時(shí)經(jīng)過(guò)某液壓支架，液壓支架的紅外接收器接收到采煤機(jī)上紅外發(fā)射器發(fā)射的信號(hào)，然后將本液壓支架的地址發(fā)送到CAN 總線上，遠(yuǎn)程集控總站通過(guò)輪詢CAN 總線的方式判斷采煤機(jī)的位置，從而判斷支架是否應(yīng)該動(dòng)作，然后根據(jù)集控程序向總線發(fā)送支架地址及相應(yīng)動(dòng)作指令，支架控制器在地址匹配后讀取控制指令，向本架輸出控制指令，完成相應(yīng)動(dòng)作。在一個(gè)綜采工作面中，液壓支架的數(shù)量達(dá)到100 多個(gè)，可以使用CAN 中繼器延長(zhǎng)傳輸距離和隔離干擾。在總線的兩個(gè)終端，需要配置120 Ω 的終端電阻。為了提高抗干擾性，CAN 總線的連接電纜一般采用屏蔽雙絞線或光纖[1-3]。

圖1 雙CAN 總線結(jié)構(gòu)原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)

如下頁(yè)圖2 所示為CAN 總線與單片機(jī)接口電路的原理圖，電路主要由4 部分組成，從左至右分別為單片機(jī)89C52、獨(dú)立CAN 通信控制器SJA1000、高速光電耦合器 6N137、CAN 總線收發(fā)器PCA82C250。選擇ATMEL 公司生產(chǎn)的89C52 單片機(jī)作為液壓支架控制器的CPU，這是一款基于CMOS工藝技術(shù)的高性能8 位單片機(jī)，具有標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51 單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。選擇PHILIPS公司生產(chǎn)的SJA1000 芯片作為CAN 控制器，這是一款適用于汽車和工業(yè)領(lǐng)域的CAN 總線獨(dú)立控制器，與之前推出的PCA82C200 芯片相比，這款芯片增添了許多新特性以支持CAN 2.0B 協(xié)議。SJA1000 的AD0～AD7 為多路復(fù)用的地址或數(shù)據(jù)總線，接入89C52 的數(shù)據(jù)接口P0，/CS 為SJA1000 的片選信號(hào)，連接到89C52 的P2.0 口，當(dāng)P2.0 為低電平時(shí)可被89C52 選中，然后對(duì)其進(jìn)行讀寫操作。SJA1000 的/RD、/WR、ALE 分別接89C52 的相應(yīng)引腳，INT 接89C52 的INT0 引腳，以便CPU 通過(guò)中斷方式訪問(wèn)。為了實(shí)現(xiàn)CAN 總線上各節(jié)點(diǎn)的電氣隔離，SJA1000通過(guò)高速光電耦合芯片6N137 與PCA82C250 相連。光耦6N137 的使用應(yīng)當(dāng)注意兩點(diǎn)：首先，光耦6N137的2 腳和3 腳在內(nèi)部并聯(lián)了一個(gè)發(fā)光二極管，使用時(shí)應(yīng)當(dāng)串聯(lián)一個(gè)限流電阻，本設(shè)計(jì)的限流電阻選擇390 Ω；其次，光耦的兩個(gè)電源VCC 和VDD 雖然都是+5 V，但是并不能采用同一個(gè)電源，否則將失去電氣隔離的作用。PCA82C250 與CAN 總線之間也設(shè)計(jì)了提高安全性和抗擾性的接口電路，CANH 和CANL 的輸出電阻設(shè)計(jì)為5 Ω，起到了限流作用，防止總線上過(guò)高的電壓造成PCA82C250 過(guò)流，CAN 總線上30pF 的電容起到了濾除高頻干擾和電磁輻射的作用，二極管在CAN 總線上電壓底的時(shí)候可以放電。PCA82C250 的RS 引腳與地之間接的電阻為斜率電阻，其大小和CAN 總線的通信速率有關(guān)，建議范圍為16～140 kΩ 之間，本設(shè)計(jì)選擇為47 kΩ。

圖2 CAN 總線接口電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

圖3 為向CAN 總線發(fā)送數(shù)據(jù)的子程序流程圖，用于液壓支架控制器的主控芯片89C52 單片機(jī)向CAN 總線控制芯片SJA1000 發(fā)送液壓支架的壓力、傾角或行程等數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程涉及對(duì)SJA1000 狀態(tài)寄存器SR、發(fā)送緩沖寄存器、命令寄存器CMR 的操作，具體流程為：讀取SJA1000 狀態(tài)寄存器的SR.2 位（狀態(tài)寄存器SR 的SR.2 位的標(biāo)志為TBS，該位表示發(fā)送緩沖器的工作狀態(tài)，1 表示空閑，0 表示占用）；如果讀取結(jié)果為空閑，則向發(fā)送緩沖區(qū)寫入描述符長(zhǎng)度和遠(yuǎn)程幀發(fā)送請(qǐng)求，并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)；將SJA1000 命令寄存器的CMR.0 置1（該位表示發(fā)送請(qǐng)求，1 表示存在發(fā)送請(qǐng)求，將有一組數(shù)據(jù)被發(fā)送，0 表示空閑），然后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。需要注意的是，如果想要中斷發(fā)送請(qǐng)求，需將命令寄存器的CMR.1 位置1，而不能通過(guò)將CMR.0 置0 來(lái)取消[4-7]。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送子程序流程圖

圖4 為CAN 總線接收數(shù)據(jù)的子程序流程圖，用于支架控制器接收遠(yuǎn)程控制器發(fā)出的指令信號(hào)，完成液壓支架的跟機(jī)自動(dòng)化功能。在89C52 單片機(jī)的中斷中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，具體的流程為：將89C52 總中斷使能位EA 清零，關(guān)閉CPU 總中斷；讀取SJA1000狀態(tài)寄存器的SR.0 位（狀態(tài)寄存器SR 的SR.0 位的標(biāo)志為RBS，該位表示接收緩沖器的工作狀態(tài)，1 表示有數(shù)據(jù)，0 表示無(wú)數(shù)據(jù)）；若RBS 為1，則表示接收緩沖器內(nèi)存在待CPU 接收的數(shù)據(jù)，則CPU 89C52 從接收緩沖區(qū)讀取報(bào)文并保存；保存數(shù)據(jù)后將命令寄存器的CMR.2 位置1（命令寄存器的CMR.2 位標(biāo)志為RRB，該位表示對(duì)接收緩沖器的操作命令，1 表示釋放，0 表示無(wú)操作），釋放接收緩沖器以便完成下次數(shù)據(jù)接收；將89C52 總中斷使能位EA 置1，開放CPU 總中斷以便接收下次數(shù)據(jù)接收的中斷信號(hào)，完成下個(gè)循環(huán)。

圖4 數(shù)據(jù)接收子程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

CAN 總線技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦井下液壓支架和集控主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，與BITBUS 或RS-485 等一主多從的總線相比，任何一個(gè)支架控制器均可作為主節(jié)點(diǎn)與其他支架交換數(shù)據(jù)，這個(gè)特點(diǎn)使其十分適用于鄰架控制。此外，CAN 在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計(jì)也極大提高了其抗干擾性，在液壓支架電液控制系統(tǒng)中，通信網(wǎng)絡(luò)的安全性也就意味著頂板支護(hù)的安全性。因此，CAN 的上述特點(diǎn)使其成為目前液壓支架電液控制系統(tǒng)的首選現(xiàn)場(chǎng)總線之一。