郭超　郭美娟

摘 要：礦井工作環(huán)境惡劣，礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)的主要作用就是持續(xù)監(jiān)測到誘發(fā)礦井災(zāi)害的安全隱患問題，并及時(shí)采取安全處理措施?；贑AN總結(jié)技術(shù)的礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，保證安全問題監(jiān)測的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性及安全性，從而有效降低礦井事故發(fā)生率。文章就針對CAN總線技術(shù)在煤礦井下安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：礦井；安全監(jiān)測系統(tǒng)；CAN總線技術(shù)

煤礦作業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、涉及到大型的機(jī)電設(shè)備多，且工作環(huán)境高溫高濕，十分惡劣，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用可在最大程度上保障井下作業(yè)人員的人身安全，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

1 煤礦通信的特點(diǎn)

與其它行業(yè)的通信系統(tǒng)相比，煤礦通信具有以下幾個方面的特點(diǎn)：首先，環(huán)境惡劣。系統(tǒng)觀測點(diǎn)多數(shù)均位于井下及高壓設(shè)備環(huán)境中，日常工作均處于較強(qiáng)的電磁輻射及潮濕腐蝕的狀態(tài)，惡劣的工作環(huán)境不僅會影響到現(xiàn)場檢測的準(zhǔn)確性，而且會干擾數(shù)據(jù)傳輸。其次，檢測對象種類多。由于礦井下的危險(xiǎn)因素比較多，很多環(huán)境參數(shù)可能會與事故的發(fā)生與發(fā)展有直接相關(guān)性，比如通風(fēng)不足會導(dǎo)致瓦斯?jié)舛壬撸_(dá)到一定程度可能發(fā)生爆炸；再比如一氧化碳可能會導(dǎo)致工作人員中毒等，因此煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)必須準(zhǔn)確測量每一項(xiàng)安全參數(shù)，并準(zhǔn)確的傳輸至控制中心，以保證煤礦生產(chǎn)的安全性。最后，測量點(diǎn)分布廣泛。煤礦生產(chǎn)范圍大，監(jiān)測系統(tǒng)必須廣泛分布于各個測量點(diǎn)，才可以保證監(jiān)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(fù)雜性，對遠(yuǎn)距離傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃砸笠哺摺?/p>

2 CAN總線技術(shù)概述

CAN總線技術(shù)是德國Bosch公司推出的一種現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇，即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是一種串行通信總線，其可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，與其它總線技術(shù)相比，CAN具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性與要靠性，且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，并獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本相對更低，因此在各個行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。在礦井生產(chǎn)中，CAN總線采用的是雙絞線介質(zhì)，采用差分電壓進(jìn)行信號采集，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)良好的抗干擾性能，因此是礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)中理想的總線技術(shù)。在礦井安全監(jiān)測過程中，溫濕度、可燃?xì)怏w的含量是重要參數(shù)，井下保持正常的溫濕度，可降低礦井火災(zāi)發(fā)生的機(jī)率，而且工作人員處于正常的工作環(huán)境中，其工作效率也更高；監(jiān)測可燃?xì)怏w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(tǒng)傳統(tǒng)器就會監(jiān)測到，并根據(jù)設(shè)定值發(fā)送警報(bào)，便于管理人員采取有效的應(yīng)對措施。

3 煤礦井下安全監(jiān)測系統(tǒng)中CAN技術(shù)的應(yīng)用

本研究以某礦井為例，對其安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

基于CAN技術(shù)的安全監(jiān)測系統(tǒng)主要包括微處理器模塊、CAN總線模塊及濾波器。根據(jù)煤礦井下環(huán)境要求，本系統(tǒng)的通信管理機(jī)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(huán)周期指令，可獲得較快的執(zhí)行速度，而且穩(wěn)定性強(qiáng)，可以滿足通信管理機(jī)的要求。CAN總線上數(shù)據(jù)收發(fā)采用中斷的方式，以保證通信管理機(jī)的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)雙機(jī)備份功能。CAN控制器SJA 1000及CAN收發(fā)器MCP2551實(shí)現(xiàn)CAN總線模塊的CPU與CAN總線的連接，單片機(jī)I/O口與SJA 1000的各個引腳相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及總結(jié)控制。SJA 1000在擴(kuò)展模式下可以選擇單濾波器模式或雙濾波器模式，該系統(tǒng)選擇單濾波器模式。CAN總線上協(xié)議規(guī)定把廣播節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀過濾器中的一個數(shù)據(jù)幀設(shè)定為接受任何標(biāo)識符節(jié)點(diǎn)，當(dāng)廣播節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送至總線時(shí)，總線上各個節(jié)點(diǎn)均可接受到其所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的編程方法，根據(jù)不同的功能將不同的模塊劃分開來，并按層次結(jié)構(gòu)組織起來，以提高編程效率及系統(tǒng)運(yùn)行效率，且后續(xù)的升級、擴(kuò)展也更加便利。

（1）主節(jié)點(diǎn)程序：地面監(jiān)控中心要求間隔1s即獲取一次井下數(shù)據(jù)，因此各個子節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)的周期也是1s，相應(yīng)的，CAN總線的總線周期即為1s。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)廣播幀、控制參數(shù)通訊幀等信息會由主節(jié)點(diǎn)在每個總線周期內(nèi)發(fā)送至各個子節(jié)點(diǎn)，按照發(fā)送幀的順序，子節(jié)點(diǎn)再將對應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)傳遞出來。由此可見，子節(jié)點(diǎn)是按照不同的節(jié)點(diǎn)編號來決定傳遞的優(yōu)先級別，面子節(jié)點(diǎn)的發(fā)送周期則由節(jié)點(diǎn)數(shù)量來決定。當(dāng)然，實(shí)際工作中，需要根據(jù)實(shí)際情況動態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，如果CAN總線的節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少，相應(yīng)的系統(tǒng)波特率也會發(fā)生變化。

（2）子節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)：確認(rèn)幀由主節(jié)點(diǎn)發(fā)送完畢后，通用子節(jié)點(diǎn)的AD采樣模塊啟動進(jìn)行持續(xù)的數(shù)據(jù)采集，在接收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)請求命令后，通用子節(jié)點(diǎn)的控制定時(shí)器即刻起動，向主節(jié)點(diǎn)逐幀發(fā)送測量數(shù)據(jù)，整個過程均處于發(fā)送周期內(nèi)。數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成后檢測CPU復(fù)位情況。

（3）軟件抗干擾措施：由于監(jiān)測系統(tǒng)處于一個十分復(fù)雜的工作環(huán)境，雖然硬件設(shè)計(jì)時(shí)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(fā)自檢程序，對單片機(jī)系統(tǒng)的硬件、軟件狀態(tài)進(jìn)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(shí)現(xiàn)的信號處理問題，各個測量環(huán)節(jié)硬件本身存在的缺陷或弱點(diǎn)均可以通過軟件檢測算法克服或彌補(bǔ)，以提高系統(tǒng)的綜合性能。本系統(tǒng)采用的是算術(shù)平均值濾波法，該方法是將輸入的N個采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，再將所得數(shù)據(jù)除以采樣次數(shù)，最終得出本次采樣的有效數(shù)據(jù)。

總之，CAN總線是一種面向一般工業(yè)設(shè)備的高速通信總線，其具有實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)精簡的特點(diǎn)，在特殊的煤礦井下工作環(huán)境中，在煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用CAN總結(jié)技術(shù)是切實(shí)可行的，且應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]王躍東，楊衛(wèi)波.CAN總線技術(shù)在煤礦監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].煤炭工程，2014（5）：107-108.

[2]饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[3]張麗，丁恩杰，何玉偉，等.礦用CAN/485總線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工礦自動化，2015（9）：96-98.