基于CAN 总线技术的煤矿安全监测系统的设计与测试

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【摘 要】煤矿安全监控是煤矿生产中保证安全生产的重要手段。文章首先对我国煤矿安全监控技术的发展进行了回顾，对CAN 总线技术及其应用状况进行了概述。然后设计了一种基于can 总线技术的煤矿安全监控系统，并对其进行了测试。测试连续进行了10天，共计240 h，传输数据5.6×108个，误码率为0。

【关键词】CAN 总线技术；煤矿安全；监测系统

1 我国煤矿安全监控系统的发展现状

煤矿安全监控技术是随着煤炭工业和现代计算机和自动化技术的发展而发展起来的一门技术。煤矿安全监控技术为煤矿的安全生产提供了良好的技术保障。我国一直是全球最大的煤炭生产国，对煤矿安全监控也十分重视。从上世纪八十年代开始，我国开始从国外，如德国、美国、波兰等，引进安全监控系统。之后我国逐渐在消化国外技术的同时，结合我国煤矿的实际情况，自行研制了一批监控设备，代表性的国产监控系统有KJF2000、KJ66、WEBGIS，等等。这些设备为我国煤矿安全生产做出了重要贡献。随着安全监控技术的进一步发展，监控数据的传输逐渐成为各国竞相研究的重点领域。目前，我国在数据传输领域还处于比较落后的地位，主要存在的问题有以下几点：①传输速率慢；②非标准化；③高速传输时的传输距离短；④无中继连接的节点数少；⑤传输系统结构灵活性差。

2 CAN 总线技术概述及其在煤矿安全监控中的应用

CAN的全名是ControllerAreaNetwork，属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的本行通信网络。CAN总线技术最早是在1986年由德国电气商博世公司开发的，当时主要用于汽车领域。此后不久，CAN的高性能和高可靠性获得了全世界的认同，并迅速在工业设备、工业自动化等众多领域得到了应用。到了上世纪九十年代末期，人们试着将其应用于煤矿安全监控中，结果迅速取得了成功，大大改善了煤矿安全状况。CAN具有下列主要特性：①多主站依据优先权进行总线访问；②无破坏性的基于优先权的仲裁；③借助接收滤波的多地址帧传送；④远程数据请求；⑤配置灵活性；⑥全系统数据相容性；⑦错误检测和出错信令；⑧发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送；⑨暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离。

CAN中的总线数值为两种互补逻辑数值：“显性”数值表示逻辑“0”，隐性表示逻辑“1”。在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态，“显性”状态以大于最小阈值的差分电压表示。在“隐性”状态下，VCAN―H和VCAN-L被固定于平均电压电平，V近似为0。在“显性”份期间，“显性”状态改写“隐性”状态并发送。如图l所示。

图1 总线位的数值表示

基于CAN总线的煤矿井下安全监测系统由井上通信系统和井下通信系统（监测网络）组成。CAN总线包含2层通信网络：（1）数据接口和井下监测分站之间的通信；（2）井下监测分站与各种安全监测传感器之间的通信。

3 监测系统硬件设计

3.1 微处理器系统

根据煤矿井下环境的要求，这里选用了ATMEL公司的8位高性能嵌入式微处理器ATmega64作为通信管理机的CPU。首先，ATmega64的执行速度快，采用了单循环周期指令，而且性能稳定，完全可以满足通信管理机的要求；CAN总线上数据收发采用中断的方式，提高了通信管理机的实时性；ATmega64提供了2个串口，一个串口通过Max232提供RS-232串行通讯口，另一个串口备用，实现双机备份功能。

3.2 CAN总线模块接口

CAN总线模块的CPU通过CAN控制器SJA1000及CAN收发器MCP2551连接到CAN总线上，单片机的I/O口连接SJA1000的AD0～AD7以及ALE、CS、RST、RD和WR等引脚，进行数据传输和总线控制。SJA1000的TX0、RX0分别接CAN收发器MCP2551的TXD和RXD引脚，进行数据的收发。MCP2551是CAN协议控制器和物理总线的接口，提供了对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。

4 监测系统软件设计

煤矿井下监测是一项非常复杂的工作，检测系统需要监测的内容很多，有生产设备的运行状态，有井下温度、风速、风量、气压以及粉尘浓度的监测，还有气体成分中甲烷、一氧化碳、二氧化碳和氧气浓度的监测。对于如此复杂的监测系统，一旦通信出现故障，后果将非常严重，根据以上分析，主通信选择CAN总线，所以，下面主要介绍一下CAN总线的工作流程，如图2所示。

图2 CAN总线工作流程示意图

5 CAN总线性能测试

测试采用BER误码率测试软件，上位机软件通过RS-232串口定时1s向数据接口发送80个随机数据，并将发送的数据显示在窗口，同时显示发送的数据个数。数据接口接收到数据后按CAN协议进行数据打包，然后发送给监测分站。在数据接口与监测分站之间连接一段长度为12 km的仿真线，监测分站将收到的数据原样传送给传感器。而后，传感器再将收到的数据返回给监测分站，分站将数据返回给数据接口，数据接口将收到的数据解包，通过RS-232送回上位机。上位机将收到的数据与发送的数据逐个比较，若80个数据完全吻合，则将显示收到的数据以及正确数据个数，并根据发送与收到正确数计算误码率。该软件可同时记录测试的时间。以上测试连续进行10天，共计240 h，传输数据5.6×108个，误码率为0。由此，CAN总线性能可靠、稳定，是一种理想的通信总线。

参考文献

[1]孙继平.煤矿安全生产监控与通信技术[J].煤炭学报，2010（11）.

[2]武军伟，康健.基于51 单片机的煤矿瓦斯监控系统研究[J].煤炭技术，2012（2）.