基于CAN总线技术的矿用隔爆型电磁起动器通讯系统设计

张秋琳

【摘要】 矿用隔爆型电磁起动器是煤矿井下主要的电气设备。本文在分析煤矿安全生产形势和CAN总线技术的基础上，结合CAN总线技术以数字信号处理器（DSP）为核心设计矿用隔爆型电磁起动器通讯系统，分别设计了eCAN通讯硬件电路和软件程序，通讯系统可以实现DSP和上位机之间的数据实时传输。

【关键词】 eCAN总线 煤矿 起动器 通讯系统

近年来，我国煤矿安全生产形势持续好转，然而复杂的煤矿开采环境和开采强度的增加长期制约煤炭行业的健康发展。瓦斯爆炸是煤矿井下重要的安全生产事故，当井下瓦斯等可燃性气体浓度过高时遇到火花就会产生爆炸，直接威胁煤矿安全生产工作的开展。矿用隔爆型电磁起动器用于直接或远距离起动、停止或者正反转控制三相异步电动机，同时具有对电动机过载、短路和漏电等故障的保护功能，广泛运用在煤矿井下通风机、刮板运输机、卷扬机和皮带机等电气设备中。开展矿用隔爆型电磁起动器通讯系统的研究能够实时将电动机的运行状态发送给上位机，对于提高井下设备稳定性和保障安全生产顺利开展具有重要的意义，同时也加快了智能化矿井的建设步伐，加快现代化煤矿技术的快速实现。

一、 CAN总线技术

1.1 CAN总线

现场总线技术是当今自动化领域研究的热点之一，为分布式控制系统各个节点之间实时、可靠通讯提供强有力的技术支持。CAN是控制局域网络（Control Area Network，CAN）的简称，是一种能够支持分布式控制或实时通讯的串行通讯总线。CAN总线技术最早为了适应汽车电子技术的需求开发出来的，属于目前应用最广泛的现场总线之一。近年来CAN总线凭借其结构简单、高可靠性、灵活性强和良好的错误检测能力，被广泛运用到汽车系统通讯、电网监测、电气设备检测与通讯等技术领域。

CAN总线采用多主串行通讯协议，可以有效的支持分布式实时控制，通讯速率最高可达1Mb/s。CAN总线的数据帧有几个字节（最多8个字节）组成，从而提高了总线对于新的数据帧响应时间。CAN总线在传送数据时每个消息都有自己的标示符，以此识别不同消息在总线上的节点，保证在产生总线冲突时，具有更高优先级的消息没有延时传输。

1.2 eCAN模块

eC28x处理器的CAN控制器为CPU提供完整的CAN协议，减少了通信时CPU的开销。eCAN控制器的内部结构是32位的，主要由CAN协议内核（CPK）和消息控制器构成。CAN协议内核接受到有效的消息后，消息控制器的接收控制单元确定是否将接收到的消息存储邮箱存储器中。接收控制单元检查消息的状态、标识符和所有消息对象的滤波，确定相应邮箱的位置，接收到的消息经过接收滤波后存放到第一个邮箱。

二、通讯系统设计

矿用隔爆型电磁起动器通讯系统将DSP采集的系统信息通过CAN通讯技术发送给上位机，实现DSP控制系统与上位机之间的实时通讯。通讯系统采用模块化设计思想，首先以数字信号处理器TMS320F2812为核心结合CAN总线通讯转换器SN65HVD23X设计通讯系统的硬件电路，然后将在DSP软件编译环境CCS3.3中将汇编语言、C语言或其他高级语言编写的通讯系统软件程序进行编译、调试，最后将调试好的程序烧写到硬件电路中，完成通讯系统整体调试和验证。

2.1 硬件电路设计

TMS320F2812的eCAN总线控制器的逻辑电平均采用LVTTL方式，因为LVTTL方式的电压多为低电压，如3.3V、2.5V等，这样不但可以降低功耗也可以缩小电路体积。为了实现eCAN模块与CAN物理总线之间的电平匹配，选用SN65HVD230作为转换器，该芯片具有差分收发能力、抗干扰能力强和收发速率快等特点，更好的符合矿用隔爆型电磁起动器通讯系统的信息传输要求。

总线末端连接120Ω电阻R1和R2，用于传输线的阻抗匹配，增加通讯系统的抗干扰能力，CAN总线与DSP之间连接电路如图1所示。

2.2 软件程序设计

在使用CAN通讯前需要对其进行初始化操作，具体步骤为：使能CAN模块时钟；设置CANTX和CANRX作为通信引脚；复位后将CCR位和CCE位置1，允许用户配置位时间配置寄存器；使用适当值对CANBTC进行配置，确认TSEG1和TSEG2不等同于0；编程接收屏蔽寄存器（标准CAN模式）；编程主控制寄存器；清零MSGCTRLn寄存器所有位进行初始化；检查CCE是否清零，假如被清零表明CAN模块配置完成。

eCAN模块消息接收时，挂起寄存器（CANRMP）相应的标志位置位，同时会使相应的中断标志位置位产生中断，然后CPU可以读取接收邮箱数据寄存器中接收到的数据。eCAN模块发送消息过程主要包括系统初始化、邮箱初始化、发送传输设置以及等待传输响应等几个步骤，具体发送流程如图2所示。

图2 CAN通讯消息发送流程图

三、结束语

矿用隔爆型电磁起动器通讯系统将DSP的eCAN通讯模块运用到煤矿井下数据传输技术中，能够实时将DSP控制器采集的电动机状态信息发送给上位机，上位机对数据计算和分析，通过CAN总线将动作指令发送给控制器，提高井下电动机运行的稳定性和安全性，减少井下生产事故，降低安全生产的事故和保障人民生命财产安全具有重要的意义。

参 考 文 献

[1] 李光范，高克利等.智能电网控制技术及其发展.科技导报，2010，28（23）：113-117.

[2] 疏礼春.煤矿顶板动态在线监测系统.煤矿安全，2012（43）10：92-96.

[3] 孟永鹏，贾申利，荣命哲.真空断路器机械特性的在线监测方法.高压电器，2006，42（1）：31-34.