基于CAN总线多级网络扩展的井下分站研究

霍跃华

摘 要：矿井安全监控系统为煤矿的安全生产提供了重要保证，井下分站是矿井安全监控系统的重要组成部分。针对目前井下分站常用RS-485总线作为传输协议，存在兼容性差、通讯效率低等缺点，提出了一种基于CAN总线技术的井下分站的设计。介绍了CAN总线的特点，对井下分站功能进行了设计，分析了CAN总线应用于井下应解决的组网结构和井下防爆问题，设计了一种采用微控制器P87C591为主控芯片，通过设计双CAN口通信接口，实现了井下分站的多级CAN总线网络扩展功能，并给出了实现井下分站所有功能的硬件结构和程序结构方案。

关键词：井下分站；CAN总线；双CAN口通信；多级网络扩展

中图分类号：TD76 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.073

矿井安全监控系统在煤矿生产中具有重要作用，井下分站是其重要的组成部分，主要用于接收井下各种感器送来的数据，对这些数据作相应处理（超限判断、声光报警等）之后传送给主站，同时接收来自地面中心站的控制命令，控制该分站相连的执行机构。在目前多数的矿井安全监控系统中，井下分站与主站之间一般采用RS-485总线进行数据传递，RS-485总线是单主节点结构，因此井下分站与主站之间只能通过主从工作方式通信，由于主站的单点故障问题，整个系统可靠性较差；同时RS-485总线的抗干扰能力及纠错能力差、总线效率低、系统的时实性差，可挂接的节点少（不大于32个）。为解决这些问题，结合矿井安全监控系统的实际情况及对分站相关的技术规范进行研究，引入了CAN总线技术，依据煤矿井下巷道特点和分站的功能要求，设计了一种CAN总线多级网络扩展的井下分站。分站设计中引入了双CAN口设计，实现了CAN总线的多级网络扩展，并对其进行了软、硬件实现。该分站既能满足煤矿井下特殊的组网结构特点，又具有抗干扰能力、纠错能力高，总线效率高，系统时实性强，可挂接的节点多等特点。

1 CAN介绍

CAN（Controller Area Network，控制器局域网）由BOSCH公司为解决汽车内部的测量数据与控制中心通信而提出的，随后发展成为应用最广的现场总线技术之一。其具有以下优点：①CAN通信方式灵活，不分主从，可以构成多主机系统或无主机系统。②CAN上的节点可以根据不同的优先级进行数据的传送。③CAN发送或接收数据形式多样。④CAN在速率5K时的直接通讯距离最远为10 km。这个特点非常适合于煤矿井下对传输距离的要求。⑤CAN的通讯速率最高可达1M。⑥CAN上的节点数最多达127个，井下最多可达110个。⑦CAN通过每帧信息的CRC校验及其他检错措施，实现了很高的传输正确率。⑧CAN对传输介质无特殊要求，便于根据实际情况灵活选择传输介质。

矿井井下具有噪声干扰影响大、测量种类多、防爆要求高等特点，而CAN总线具有很多突出优点，使其非常适合应用到煤矿井下环境。

2 CAN井下分站功能设计

井下分站位于煤矿生产中井下位置，主要用于接收来自传感器的信号，并按照接收到的中心站的控制命令控制执行机构。

由于CAN总线设计之初并没有考虑应用到煤矿井下，将 CAN总线应用于井下分站的设计时，还要解决CAN总线的电器防爆和网络结构的问题。

CAN总线不可使用同一电缆向现场设备本质安全供电。对于电器防爆的处理是，通过将井下分站设备的工作电源和传输电源分开（隔离供电法）的方式，即传输电源由总线提供，井下分站的電源就地供给。CAN矿用井下分站在电源模块的设计中，增加光电隔离电路，更好地起到抗干扰的作用。

由于矿井监控系统适宜采用的是树型结构，CAN总线的组网结构是总线型，并不适用于煤矿井下的结构，在煤矿安全监控系统采用CAN总线作为通信技术，必须要对CAN的网络结构组成进行优化改造。CAN矿用井下分站在设计中，为了适用于煤矿井下的巷道特点，采用了双CAN口设计，将CAN总线结构扩展为适用于井下多级网络扩展的树型网络结构。

基于CAN的矿用井下分站除了考虑在电气防爆和网络总线结构方面的功能设计之外，还应实现的主要功能是：开机自检和分站初始化功能，分站之间的相互通讯和控制，实现不少于8路输入量检测和不少于8路输出控制，分站宕机后具有自复位功能并且能将目前的状态通知地面中心站；分站可以接收主站对分站的各种传感器、报警限值等参数初始化设置，分站本身具备超限声光报警功能，分站能够将执行机构的状态定时地传送给地面中心站，支持中心站对分站的波特率进行修改，分站可以显示通讯故障。

3 CAN矿用井下分站硬件设计

3.1 硬件结构设计

根据对分站各个功能划分，可以将分站的硬件电路总体分为5个电路模块，分别是控制单元、CAN通信接口模块、输入采集模块、输出执行模块、外围电路模块。其硬件电路结构如图1所示。

其中，控制单元用于完成对来自传感器或者是下一级网络的信号作相应的处理，同时处理来自于传输接口的各种命令和数据，实现数据处理功能。控制单元由单片机和CAN控制器构成。

CAN通信接口模块用于完成控制单元与两级CAN总线进行物理连接的模块，是由专用的CAN总线驱动器和光电耦合器接口芯片组成的。矿井安全监控系统宜采用树形网络结构，井下分站需要采用2个CAN总线接口，将CAN的总线型网络结构改造成树形结构，也有利于解决矿用分站和传感器或执行机构采用星形结构连接时带来的问题。

输入采集模块主要用于模拟量传感器、开关量传感器的数据采集功能。

输出执行模块主要用于完成地面主站对分站输出执行机构的控制命令，完成与分站相连的执行机构的输出动作。

外围电路模块主要用于实现声光报警、实时数据显示、电源指示、通信状态指示、数据存储、电源输入等功能。

3.2 控制单元设计

在设计控制单元时，除了考虑核心微控制器的性能外，还要其具有双CAN控制器，以满足分站具有双CAN口通信的要求。在设计时，采用了本身包含一个CAN控制器的微控制器P87C591外加独立CAN控制器芯片MCP2510，微控制器P87C591通过SPI总线与MCP2510相连，从而实现双CAN口通信功能。

微控制器P87C591是由Philips半导体公司的推出的8位高性能微控制器，它具有以下3个突出优点：①采用精简指令；②具有很强的抗干扰能力；③本身集成的CAN控制器接口能很好地兼容CAN总线协议旧版本和新版本。该芯片具有良好的产品成熟度，能够很好地控制产品设计的开发成本，提高开发成功率。

3.3 CAN通信接口模块硬件设计

井下分站CAN通信接口模块包含2个独立的CAN通信接口模块，其主要作用是将控制单元中的CAN控制器接收和发送的数据与CAN总线相连，从而实现上下两级数据通信功能。在设计中，每一个CAN通信接口模块是由光电耦合器和CAN总线驱动器组成的，其硬件电路设计如图2所示。

光电耦合器选用了专用光电耦合芯片6N137。将6N137置于P87C591的CAN控制器和CAN收发器PCA82C250之间，能够有效地防止井下的各种电磁干扰、噪声干扰等干扰信号从输入/输出通道窜入控制单元而造成程序出错，其能够有起到有效隔离信号，抗干扰的作用。

PCA82C250芯片是专用的CAN总线驱动器芯片，控制单元的CAN控制器发出的信号是通过它与物理CAN总线连接的。在设计中，PCA82C250采用斜率控制方式，将控制单元中CAN 控制器产生的数字信号转化成为适合CAN总线差分输出的传输信号，最终实现控制单元输出信号的CAN总线传输。通过2个CAN通信接口模块的设计，实现了单台井下分站的上、下两级CAN总线数据传输功能，多台井下分站的多级CAN总线传输功能。

3.4 外围电路硬件功能设计

外围电路模块主要由矿用声光报警器电路、实时数据显示电路、电源指示灯、通信状态指示灯和电源模块组成，用于完成声光报警、实时数据显示、电源指示、通信状态指示、电源输入等功能。其中，声光报警电路的功用是当采集数据超限之后，通过声音和光线提醒工作人员采取必要的安全措施，采用蜂鸣器和LED来共同完成声光报警；实时数据显示电路主要用于显示采集数据相关的信息，选用LCD显示芯片LCM128647（D）来实现数据的实时显示功能；电源指示灯用于指示分站电源的开闭，主要采用二极管实现；通信状态指示灯主要用于指示分站与传输接口之间的通信状态及通信中产生的错误等；矿用电源为分站提供本安电源，其备用电源在断电之后为分站提供2 h的工作电源。

4 CAN矿用井下分站软件设计

分站要实现的功能可以概括为数据采集、数据输出处理、与CAN通讯这3个主要方面。其中，数据采集主要完成对井下各种监测传感器采集信号的收集和处理；数据输出处理包括输出控制、数据显示、超限报警；CAN通讯实现的功能是完成对上一级和下一级的CAN总线数据的接收、发送和网路管理。根据对分站功能的分析，可以看出分站程序是一个多任务的实时系统，按照其特点，对其程序的结构进行了优化设计，其程序结构如图3所示。

分站管理程序主要完成任務的启动、权限分配、结束处理等任务，它根据优先级调用各类型的任务，这样可以很好地保证系统的实时性，同时也利于程序的简化和扩展。

根据分站功能的划分可以确定为6个优先级，其中，最高优先级为第1级，优先级最低的是第6级。通过优先级的划分，可以更好地实现分站功能。优先级是按照分站所产生数据的后果对整个系统产生影响的强弱进行划分的，其中，第1优先级是超限报警功能，第2优先级是数据采集功能，第3优先级是数据显示功能，第4优先级是CAN总线的网络管理功能，第5优先级是接收CAN总线的数据，第6优先级是向CAN总线发送数据。

分站为了要实现这些功能，设置了5个中断，其中，定时中断2个，总线中断3个。2个定时中断分别用于数据的采集和显示，3个总线中断分别用于总线网络管理、接收总线数据和向总线发送数据。3个中断的优先级是：总线网络管理中断优先级最高，接收总线数据中断优先级次之，向总线发送数据的中断优先级最低。

5 结束语

综上所述，本文介绍了基于CAN总线技术的井下分站设计，结合煤矿井下的特殊环境，提出了CAN总线井下分站的双CAN口结构，实现了分站的CAN总线多级网络扩展功能，很好地适应于煤矿井下的树型网络结构，给出了井下分站的硬件电路和软件设计方案。通过设计，该井下分站既能满足煤矿井下特殊的组网结构特点，又具有通信协议兼容好、抗干扰能力强及纠错能力强、扩展性好、通讯故障自诊断等功能，克服了现有矿井安全监控系统的井下分站所采用的RS-485总线存在的缺点，极大地提升了井下分站的可靠性。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕