宋益東

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113006）

控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network,CAN）作為一種高可靠的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，工業(yè)控制方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。憑借其傳輸距離長(zhǎng)、通信速率高、誤碼率低、通信方式靈活、穩(wěn)定性高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，CAN 總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)物理層及數(shù)據(jù)鏈路層做了相應(yīng)規(guī)定，沒(méi)有對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)范，根據(jù)自身的應(yīng)用特點(diǎn)很多工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)形成了幾種標(biāo)準(zhǔn)的 CAN 總線(xiàn)應(yīng)用層通信協(xié)議，如CANaerospace、CAL、Devi-ceNet、CANopen 等[1-3]。

目前國(guó)內(nèi)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的CAN 總線(xiàn)通信協(xié)議，主要為主從式通信方式。主從式通信的優(yōu)點(diǎn)是各個(gè)從節(jié)點(diǎn)可以統(tǒng)一管理和調(diào)度，可保證通信信息按照設(shè)定時(shí)序進(jìn)行交互，有效避免總線(xiàn)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)或沖突。但通信效率不高，監(jiān)控分站主節(jié)點(diǎn)在等待從節(jié)點(diǎn)應(yīng)答期間，總線(xiàn)始終為空閑狀態(tài)，導(dǎo)致總線(xiàn)利用率較低。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)控系統(tǒng)信息融合和多系統(tǒng)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的要求，通信數(shù)據(jù)量大幅提升，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交叉控制和設(shè)備間數(shù)據(jù)交互數(shù)據(jù)量在不斷提升[4]。要滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的監(jiān)控分站通信數(shù)據(jù)需求，在總線(xiàn)通信速率不變的情況下，提高總線(xiàn)使用效率就是唯一途徑。主從式通信模式，不僅增加主節(jié)點(diǎn)監(jiān)控分站調(diào)度管理壓力，同時(shí)在等待應(yīng)答期間也增加對(duì)總線(xiàn)的無(wú)效占用。

為提升各節(jié)點(diǎn)的通信效率和增加對(duì)總線(xiàn)利用效率，設(shè)計(jì)了一種基于CAN 總線(xiàn)多主通信技術(shù)的監(jiān)控分站, 監(jiān)控分站使用基于CAN2.0 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的CAN總線(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議，結(jié)合煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)自身應(yīng)用特點(diǎn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的相對(duì)簡(jiǎn)化的應(yīng)用層協(xié)議，它可支持監(jiān)控分站多主通信[2]。監(jiān)控分站采用多主通信方式，每一臺(tái)監(jiān)控分站都可以自主發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，從而提高總線(xiàn)利用率，滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求[5-6]。

1 多主通信監(jiān)控分站總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)控分站總體設(shè)計(jì)框圖如圖1。

監(jiān)控分站主要是采集現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析處理，根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)算法和控制邏輯，一方面通過(guò)井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控主機(jī)。另一方面根據(jù)地面中心站命令，同時(shí)結(jié)合本分站實(shí)際情況發(fā)出控制指令，控制設(shè)備聲光報(bào)警或閉鎖相應(yīng)電源，保證煤礦作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)。監(jiān)控分站采用模塊化設(shè)計(jì)，采用基于ARM 結(jié)構(gòu)的處理器，主處理器選用位32 位ARM 處理器STM32F407ZGT6[7]，該處理器具有豐富的片上資源，2 路CAN 控制器，以太網(wǎng)DMA 總線(xiàn)，6 個(gè)USART 等，協(xié)處理器采用STM32F103RC，多個(gè)處理器協(xié)同工作，同時(shí)處理數(shù)據(jù)采集、展示、數(shù)據(jù)通信、控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等任務(wù)，完全滿(mǎn)足監(jiān)控分站的響應(yīng)時(shí)間。

監(jiān)控分站主要由核心CPU 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)算法和控制處理模塊、通訊模塊、紅外遙控模塊、數(shù)據(jù)采集分析模塊、液晶顯示模塊、中心站數(shù)據(jù)通信模塊和電源模塊組成[8-9]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電源電路

電源電路原理圖如圖2。

圖2 電源電路原理圖Fig.2 Power circuit schematic

電源是監(jiān)控分站正常工作的基礎(chǔ)，監(jiān)控分站輸入電源電壓為DC24 V，為了提升電源的轉(zhuǎn)換效率和提高監(jiān)控分站的抗干擾能力，選用了一款DC/DC 模塊，模塊的輸入電壓為DC24 V，輸出電壓為3.3、5、12 VDC。DC12 V 給網(wǎng)絡(luò)光電轉(zhuǎn)換模塊供電，DC5 V給通信模塊供電，DC3.3 V 給核心ARM 芯片STM32F407ZGT6 和STM32F103RC 及外圍電路供電，選用的STM32 系列ARM 芯片，正常工作電壓為1.8～3.6 VDC。選用DC5 V 供電的通信芯片是為了提高通信距離和通信穩(wěn)定性，DC3.3 V 直流電源采用LM1117-3.3 芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，該芯片在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，負(fù)載穩(wěn)定度0.4%，輸出電壓穩(wěn)定度0.2%。

2.2 CAN 總線(xiàn)通信電路

CAN 總線(xiàn)通信電路原理圖如圖3。

圖3 CAN 總線(xiàn)通信電路原理圖Fig.3 Principle of CAN bus communication

物理層CAN 通信主要是由光電隔離器件、CAN收發(fā)器和CAN 控制器組成，最后連接到CAN 總線(xiàn)上，STM32F407ZGT6 微控制器集成了CAN 總線(xiàn)控制器，驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，為了增強(qiáng)內(nèi)部的CAN 控制器的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送能力，增加傳輸距離，適應(yīng)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景，CAN 總線(xiàn)需要增加收發(fā)器驅(qū)動(dòng)芯片，外接CAN 收發(fā)器，使之適應(yīng)長(zhǎng)距離通信的要求。監(jiān)控分站CAN 的物理層使用DC5V 電壓的CAN總線(xiàn)收發(fā)器PCA82C251 來(lái)實(shí)現(xiàn)，提高了總線(xiàn)的接收和發(fā)送能力。

為了完成監(jiān)控分站與監(jiān)控分站、監(jiān)控分站與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。CAN 總線(xiàn)通信模塊需要通過(guò)程序?qū)AN 控制器的寄存器進(jìn)行配置，可以將接收的數(shù)據(jù)或命令發(fā)送給指定的CAN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)控分站采用多主通信會(huì)對(duì)總線(xiàn)通信產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，利用CAN 總線(xiàn)的CSMA/CD 特點(diǎn)可以有效解決，為了解決丟包對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)造成的影響，分站采取丟包數(shù)據(jù)從發(fā)方式，從數(shù)據(jù)源頭解決對(duì)于CAN 總線(xiàn)傳輸出現(xiàn)丟包的情況。

2.3 多主通信監(jiān)控分站通信協(xié)議

目前監(jiān)控系統(tǒng)分站CAN 總線(xiàn)通信協(xié)議以CAN2.0A 為主，為此主要對(duì)CAN2.0A 幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化，從新進(jìn)行定義仲裁段中標(biāo)識(shí)符、數(shù)據(jù)段中數(shù)據(jù)場(chǎng)的具體內(nèi)容。標(biāo)準(zhǔn)的CAN2.0A 鏈路層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1，依次為幀起始、仲裁段、控制端、數(shù)據(jù)段、CRC 校驗(yàn)段、ACK 應(yīng)答段和幀結(jié)束。

設(shè)計(jì)的監(jiān)控分站多主通信協(xié)議11 位標(biāo)識(shí)符區(qū)域從新劃分，劃分后的協(xié)議中包括3 個(gè)部分，前5 位為目的分站地址，中間部分為5 位源分站地址，最后1 位為幀類(lèi)型，11 位標(biāo)識(shí)符功能劃分見(jiàn)表2。

在監(jiān)控分站協(xié)議中，目的地址5 位填充接收數(shù)據(jù)的分站地址或上位機(jī)地址；源地址5 位填充發(fā)送數(shù)據(jù)的本分站地址；幀類(lèi)型1 位，單幀數(shù)據(jù)用0 表示，多幀數(shù)據(jù)用1 表示。單幀數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于命令類(lèi)交互；多幀數(shù)據(jù)每幀數(shù)據(jù)的第1 個(gè)字節(jié)為幀序，第2 個(gè)字節(jié)以后為各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)或控制數(shù)據(jù)，多幀數(shù)據(jù)監(jiān)控分站通信協(xié)議見(jiàn)表3。

表2 11 位標(biāo)識(shí)符功能劃分Table 2 Function division of 11 bit identifier

表3 多幀數(shù)據(jù)監(jiān)控分站通信協(xié)議Table 3 Communication protocol of multi-frame data monitoring substation

在該監(jiān)控分站協(xié)議標(biāo)識(shí)符中同時(shí)設(shè)計(jì)了監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)發(fā)送地址和數(shù)據(jù)接收地址，總線(xiàn)上的任何一幀監(jiān)控分站數(shù)據(jù)都可以被完全識(shí)別是來(lái)自哪個(gè)監(jiān)控分站和發(fā)送到哪個(gè)監(jiān)控分站，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)被錯(cuò)誤接收或錯(cuò)誤處理。經(jīng)測(cè)試該協(xié)議可以滿(mǎn)足多臺(tái)監(jiān)控分站間主動(dòng)發(fā)起的數(shù)據(jù)傳輸需求。

2.4 監(jiān)控分站程序

監(jiān)控分站程序流程圖如圖4。

圖4 監(jiān)控分站程序流程圖Fig.4 Flow chart of monitoring substation procedure

監(jiān)控分站采用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)[10]，該系統(tǒng)源代碼公開(kāi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、內(nèi)核小、可移植性和可裁剪性簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，選用Keil uVision5 為開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)監(jiān)控分站程序進(jìn)行編譯和調(diào)試。 μC/OS - Ⅱ在STM32F407ZGT6 上移植后，多任務(wù)調(diào)度和管理由操作系統(tǒng)內(nèi)核自動(dòng)處理。操作系統(tǒng)按照監(jiān)控分站功能要求，合理劃分和設(shè)計(jì)相關(guān)任務(wù)，通過(guò)任務(wù)調(diào)度函數(shù)來(lái)調(diào)度各個(gè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)分站整體高效實(shí)時(shí)運(yùn)行。監(jiān)控分站程序主要包括各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)采集部分，風(fēng)電、瓦斯電閉鎖部分，LCD 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示部分，與上位機(jī)或其他分站數(shù)據(jù)通信部分。各類(lèi)任務(wù)設(shè)定不同的優(yōu)先級(jí)，監(jiān)控分站上電初始化通過(guò)后，由μC/OS-Ⅱ內(nèi)核按照設(shè)定的優(yōu)先級(jí)統(tǒng)一調(diào)度和管理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控分站程序協(xié)調(diào)運(yùn)行。

3 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于CAN 總線(xiàn)多主通信技術(shù)的監(jiān)控分站。介紹了多主通信監(jiān)控分站總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù), 該多主通信監(jiān)控分站可以有效支持總線(xiàn)多主通信，系統(tǒng)的通信效率和靈活性有了大幅提升。解決了長(zhǎng)期以來(lái)監(jiān)控分站主從式通信數(shù)據(jù)傳輸慢、總線(xiàn)利用率低、抗干擾能力差的問(wèn)題。煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果證明，監(jiān)控分站運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿(mǎn)足全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的要求。