基于CAN与485总线的煤矿通信网络设计

2014-12-18王加加杨钏钏贾伟岗

电子科技 2014年3期

王加加，杨钏钏，贾伟岗

(西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安 710071)

目前煤矿井下矿用安全系统逐步实现了智能化、自动化，及井下环境远程监测与控制。但由于煤矿井下特殊环境及其安全的重要性，目前井下系统均采用有线总线构成通信网络。

系统设计采用CAN总线［1－2］与485总线相结合的方法，构成井下安全系统的通信网络系统［3－4］，该系统具有自动地址分配、状态查询、安全措施控制的功能。且通过适当距离增加中继，实现理论上无限数目模块终端接入网络系统中，提高了井下安全系统的灵活性及易用性。

1 系统结构组成

本系统安全装置主要有8部分组成:井上监控系统、井下工控机兼主机模块、智能输入输出模块、中继模块、皮带急停开关、终端模块、井下各类保护传感器、井下安全措施装置及防爆电话。整体系统结构如图1所示。

煤矿井下随着采煤位置的变化，井下安全装置模块需采取一定的调整，来满足当时井下环境。因此井下安全装置需具有一定的组网灵活性，方便随时更换位置，及其删减、增加安全模块。如图1所示，煤矿井下系统具有自动组网能力，将其所有必要的模块进行入网通信。且本系统具有组网灵活性和数目、位置无限制的特点，因此图1仅展示了井下网络的其中一部分。

基于CAN总线与485总线相结合的自动组网通信系统结构如图2所示，通信系统由局内网与局外网两部分组成。局内网是指由主机模块为中心，具有双CAN总线与双485总线，每条总线均可接入有限个智能输入输出模块、皮带急停模块，且同时位于两中继模块间或中继模块和终端模块之间的所有网段。所有模块均有双485总线，连接入网时需将接入本模块其中之一的485总线接口，并从另一485总线接出。当总线一侧不再连接任何模块时，需接入终端模块。中继也具有双CAN总线用来连接所有局内网，完成局内网互连构成局外网，同时还具有局内网段中的终端功能。

图1 井下煤矿安全系统结构图

图2 通信系统结构图

2 系统硬件设计

主机模块和中继模块主芯片均采用ST公司的stm32f107系列，其具有双CAN、5路串口、USB OTG等丰富内部资源。皮带急停模块［6］、智能输入输出模块、终端模块等模块主芯片采用stm32f103系列，具有CAN总线、3～5路串口等资源。主机模块具有双CAN总线和双485总线，在没有中继的前提下使其传输距离增加1倍，同时也为局内网中心节点的设计提供可能。中继也同时具有双CAN总线，主要目的是连接局内网段。

为保证所有模块正常稳定工作，均采用双电源供电，同时采用光电隔离技术将总线信号与板载处理器进行隔离。同时为保证总线的可靠性及抗干扰性，对总线的设计进行过流保护、过压保护、匹配电阻和TVS管箝制等相关措施。CAN总线收发器的电路设计如图3所示。为增加485总线的灵活性，通过增加三极管作为电子开关，实现了485芯片自动收发使能功能，其总线收发器的电路设计如图4所示。

图3 CAN总线收发器原理图

图4 485总线收发器原理图

此外每台主机模块均配置一台工控机，采用USB HID设备协议与主机模块通信，实现了远程监控，其他所有模块均无操控功能。智能输入输出模块采用低湿液晶显示，可显示当前接入的所有传感器和控制状态。智能输入接口有A/D输入、开关量输入、频率输入，同时开关量和频率输入管脚重合，具有自动识别功能。皮带跑偏/急停模块采用两位数码管显示当前地址，当数码管闪烁时，所有跑偏/急停模块显示同一地址，表明此地址有动作反应，以此提醒所有位置的工作人员。

3 通信方案及其协议制定

主机模块是局内网服务器，其具有自动地址分配、自动查询和自动控制等功能，且本身也带有智能输入输出模块的功能，并具有连接传感器和安全措施等功能，是构成局内网的核心。在局内网段内的所有模块均受主机模块通信控制，且局内网段内模块数目、位置均可调整。这里需强调，主机具有双地址，局内网段内默认均为0，由于所有主机模块均配有工控机，而局外网地址需手动配置。

智能输入输出模块的主要功能是检测并控制连接本模块上所有传感器和安全控制措施。通过自动分配的地址，可与主机通信，及时反馈当前环境或响应主机命令。皮带急停模块是独立于所有模块的较高优先级的手动控制模块，仅采用485总线进行通信，同时可显示其他模块发生急停操作的地址编号。

中继模块既作为局内网的终端装置，同时也有信息转发功能。根据CAN的工作特点可知，CAN总线传输距离受到波特率的限制，同时传输距离仍有限，无法无限制连接所需模块，在增加中继后使其成为可能。同时为方便管理，中继将所有局内网进行隔离，仅使局外网协议包进行转发。

本通信方案中有两条总线，即CAN总线与485总线。其中485总线主要用于实现所有模块的自动地址分配与识别功能、获取总线上所有连接设备数量，同时与所有跑偏/急停传感器通信，获取急停、跑偏状态，而485总线工作范围仅在同一局内网有效。

CAN总线主要用于与所有智能输入输出模块进行通信，获取所有输入传感器状态信息，控制所有输出端口的状态，从而实现数据远程查询及控制功能。通过中继和其他局内网进行通信实现远程操作功能。

图5 工作方案解析

3.1 485总线协议方案说明

485通信方式全部为查询方式，在数据传输过程中，所有从机均不主动自行发送数据，必须收到前一台设备的查询帧时，才能将信息进行返回或继续传递到下一设备上。在485总线中传输均以帧为单位，每帧数据均由帧头、数据和校验位3部分组成。由主机向终端发送帧共有3条命令:地址自动分配帧、动作保护传输帧、动作保护查询帧。由终端或从机向主机方向发送共有4条命令:模块数量返回帧、急停动作返回帧、无动作应答帧、以及超时应答帧。工作方式解析如图5所示。

自动分配帧数据包括输入输出模块当前地址［7］、皮带跑偏/急停当前地址，主机地址默认0，发送时均设为1。当前模块一端接收此帧数据，识别本机地址，并将其地址数据自加，由另一端发送至下一从机，以此达到自动地址分配功能。当碰到终端或中继时，将返回模块数量返回帧回应主机。正常工作时，主机定时进行动作查询，当从机接收到此帧时，先判断有无动作保护:若无，应返回无动作应答帧;否则返回急停动作返回帧。然后继续转发动作查询帧，直至终端或中继结束。当主机接收到动作返回帧时，读取有动作保护的急停模块地址，并发送动作保护传输帧，通知所有急停模块利用数码管闪烁显示。

超时应答帧主要针对线路或连接总线某一模块出现故障时，会自动检测出第几号设备或线路出现故障。由485总线连接方式决定，485网络中所有模块均只能直接与其相邻模块通信。由主机方向传输命令帧，当一模块转发命令帧至下一相邻模块时，正常情况下该模块会立即接收下一模块的回应帧。若在规定时间内仍未收到将重发3次，仍旧未收到，则判断下一模块出现故障。回应超时应答帧，所有模块均进行转发，直至主机，超时应答帧中的数据部分为故障模块的地址。以此实现线路故障自动检测功能［8］。

3.2 CAN总线协议方案说明

CAN网络通信，是以485总线功能为基础。只有在485总线网络正常工作情况下，即所有模块地址正常分配，CAN网络通信才为有效。CAN通信网络主要实现两个功能:(1)局内网的所有智能输入输出模块的信息查询与控制，不含中继器。(2)局外网的所有主机之间通信，包含中继。

CAN传输数据包包括4 ByteCAN ID(最低3 bit固定)和8 Byte数据，通信数据包设计如表1所示。网段标识主要规定此数据包为何种网段数据包，当为局外网数据包时，仅有所有网段内主机和中继具有接收功能，中继仅做转发，主机具有处理功能。当为局内网数据包时，中继进行隔离，其他局内网段内不能接收其数据［9－10］。这也保证了不同网段内的从机模块，可具有相同地址且不冲突。目的地址与源地址也根据局内包和局外包有所区别，局外包其地址代表在外网段内主机地址，局内网地址为自动识别地址。数据类型、帧长度、帧编号可根据需要，进行设置，使用灵活且通用。