摘 要:煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)是保證煤礦生產(chǎn)安全的必備設(shè)備，分析國內(nèi)外煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)，提出基于CAN總線煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。著重介紹以P80C592單片機(jī)作為CAN總線煤礦瓦斯智能節(jié)點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)CAN總線通信接口電路、MAX306數(shù)據(jù)采集電路以及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)等。通過研究設(shè)計(jì)表明智能節(jié)點(diǎn)具有簡(jiǎn)單明了、體積小、性能高、成本低廉、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求。

關(guān)鍵詞:CAN總線;瓦斯;傳感器;遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào):TD672;TP336文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)02-099-03

Research and Design of Intelligent Nodes for Coal Mine Gas Based on CAN Bus

SHI Qingjun，JIANG Chongran，CHEN Wenping，XU Binshan

(School of Information and Electronic Technology，Jiamusi University，Jiamusi，154007，China)

Abstract:Coal mine gas monitoring system is a necessary device ensuring production in colliery.The characteristics of coal mine gas monitoring systems at home and abroad are analysed and coal mine gas monitoring network system based on CAN Bus is introduced.Focusing on coal mine gas intelligent node using P80C592 single chip on CAN Bus，CAN Bus communication interface circuits and MAX306 data acquisition circuits together with its application software are researched and designed.Intelligent nodes have been proved with characteristics of simpleness，small volume，high performance，low cost and strong anti_jamming.They can fulfill the demands of coal mine gas monitoring network system.

Keywords:CAN Bus;gas;sensor;remote monitoring

0 引 言

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，也是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能源的國家之一。煤炭中含有大量的甲烷(CH4)等易燃易爆氣體，它是瓦斯形成的主要成分，發(fā)生瓦斯事故后會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，危及礦工的生命。隨著煤礦開采技術(shù)手段的不斷改進(jìn)和開采規(guī)模的擴(kuò)大及開采深度的不斷延伸，安全隱患越來越多，特別是重大、特大瓦斯事故在煤礦事故中所占的比例也越來越高。如果不控制住瓦斯事故，就不能實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)狀況的穩(wěn)定，也就無法保障煤炭工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。所以，對(duì)煤礦井下瓦斯氣體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)顯得尤其重要，對(duì)易燃易爆混合氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)也成為重中之重 [1]。

世界各國也均有煤礦瓦斯氣體監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，如波蘭的DAN640O、法國的TF200、德國的MINOS和英國的Senturion-200等，其中全礦井綜合監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)有代表性的產(chǎn)品有美國MSA公司生產(chǎn)的系統(tǒng)，德國BEBRO公司的PROMOS系統(tǒng)。但是這兩種系統(tǒng)只是基于井下監(jiān)測(cè)，并無數(shù)據(jù)上傳，不能實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控。我國監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚，20世紀(jì)80年代初，從波蘭、法國、德國、英國和美國等引進(jìn)了一批安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，裝備了部分煤礦;在引進(jìn)的同時(shí)，通過消化、吸收并結(jié)合我國煤礦的實(shí)際情況，先后由重慶煤科院、遼寧撫順煤科院等國內(nèi)知名煤礦科學(xué)研究所研制出KJ 2，KJ 4，KJ 5，KJ 10，KJ 13，KJ 19，KJ 38，KJ 66，KJ 75，KJ 80，KJ 92，KJ 95，KJ 101等煤礦有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在我國煤礦已有大量使用，但其中很大一部分儀表的傳輸數(shù)據(jù)是模擬方式，將氣體濃度轉(zhuǎn)化為脈沖量，易受礦井下強(qiáng)電磁設(shè)備干擾，造成監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，易出現(xiàn)誤報(bào)警等現(xiàn)象[2]。

鑒于此提出基于CAN總線研究設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，工作原理如下，每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)測(cè)64點(diǎn)瓦斯，每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)把監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)做出決定。上位機(jī)系統(tǒng)采用PCI總線工業(yè)控制機(jī)和CAN總線接口通信卡，軟件采用VB或組態(tài)軟件編寫應(yīng)用程序，下位機(jī)(也稱遠(yuǎn)程智能節(jié)點(diǎn))采用單片機(jī)設(shè)計(jì)，下面著重研究設(shè)計(jì)智能節(jié)點(diǎn)[3]。

CAN總線直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)到10 km(速率在5 KB/s以下)，在通信距離為40 m以內(nèi)時(shí)，通信速率最高可達(dá)到1 Mb/s。CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)到110個(gè)，如果需要更多節(jié)點(diǎn)，可以利用中繼器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加和傳輸距離的延長(zhǎng)[4，5]。

圖1 分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件組成

CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。硬件組成主要由P80C592單片機(jī)、多路轉(zhuǎn)換器、可燃?xì)鈧鞲衅?、CAN總線電路組成。

圖2 智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖

1.1 智能節(jié)點(diǎn)的CAN總線通信接口電路設(shè)計(jì)

CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)如圖3所示，為 CAN 總線通信硬件電路原理圖。圖3可以看出，電路主要由三部分所構(gòu)成:P80C592芯片、高速CAN 總線收發(fā)器 TJA1050[6]和高速光電耦合器 6N137。

圖3 智能節(jié)點(diǎn)的CAN總線通信接口電路

P80C592是Philips公司采用先進(jìn)的COMS工藝制造的高性能8位單片機(jī)[7]。該單片機(jī)的指令集與80C51完全兼容，但在80C51標(biāo)準(zhǔn)特性的基礎(chǔ)上又增加了一些對(duì)于應(yīng)用具有重要作用的硬件功能。該器件具有下列特性:帶有80C51中央處理單元(CPU);帶2×256 KB的片內(nèi)RAM，外部可擴(kuò)展至64 KB;具有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;新增一個(gè)包括四個(gè)捕獲和三個(gè)比較寄存器的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;具有8路模擬量輸入的10位ADC變換器;帶有兩路分辨率為8位的脈沖寬度調(diào)制輸出;具有兩級(jí)優(yōu)先權(quán)的15個(gè)中斷源(可以有2～6個(gè)外部中斷源);具有五組8位I/O端口和一組與ADC模擬量輸入共用的8位輸入口;帶有與內(nèi)部RAM進(jìn)行DMA數(shù)據(jù)傳送的CAN控制器;內(nèi)含具有總線故障管理功能的1 Mb/s CAN控制器;VDD/2基準(zhǔn)電壓;具有與標(biāo)準(zhǔn)80C51兼容的全雙工UART模式;帶有在片監(jiān)視跟蹤定時(shí)器(WDT);時(shí)鐘頻率為1.2～16 MHz。

1.2 MAX306數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)

MAX306是由Maxim Integrated Products公司生產(chǎn)的16通道CMOS模擬多路轉(zhuǎn)換器，是一款16選1模擬開關(guān)。使用時(shí)注意不用引腳一定要處理，一般通過電阻接地。導(dǎo)通速率0.2 μs，雙電源，漏電流2 nA。由于P80C592單片機(jī)具有8路模擬量輸入的10位ADC變換器，用4個(gè)MAX306和P80C592單片機(jī)4路模擬量輸入的10位ADC306變換器連接，可以組成64點(diǎn)瓦斯監(jiān)測(cè)，MAX306和P80C592單片機(jī)連接如圖4所示。

圖4 MAX306和P80C592單片機(jī)連接電路

1.3 氣體傳感器KGS-20

該設(shè)計(jì)用KGS-20型可燃?xì)鈧鞲衅饕远趸a為基本敏感材料[8]，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，專門用于可燃?xì)鉂舛葯z測(cè)的一種半導(dǎo)體型氣體傳感器。它的基本特征是:極高靈敏度和極快的響應(yīng)速度，且功耗低。KGS-20型可燃?xì)鈧鞲衅鬟m用于對(duì)瓦斯等可燃?xì)鉂舛鹊臋z測(cè)，用于瓦斯報(bào)警器，可燃?xì)鈭?bào)警器，瓦斯檢測(cè)儀等。KGS-20型可燃?xì)鈧鞲衅鹘?jīng)過信號(hào)調(diào)理連接到16選1模擬開關(guān)MAX306。

圖5 KGS-20型可燃?xì)怏w傳感器

2 智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的軟件組成

CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分:CAN節(jié)點(diǎn)的初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。熟悉這三部分的設(shè)計(jì)，就能編寫出利用CAN總線進(jìn)行通信的一般應(yīng)用程序。

當(dāng)然，如果要將CAN統(tǒng)中，還需詳細(xì)了解有關(guān)CAN總線的錯(cuò)誤處理、總線關(guān)閉處理、驗(yàn)收濾波處理、波特率參數(shù)設(shè)置和自動(dòng)檢測(cè)以及CAN總線通信距離和節(jié)點(diǎn)數(shù)的計(jì)算等方面的內(nèi)容[9，10]。CAN智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)流程如圖6所示，按照流程圖利用匯編語言或C51編寫相應(yīng)的程序[11]。

3 結(jié) 語

基于CAN總線64路煤炭瓦斯氣體傳感器可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)技術(shù)是信息采集與CAN網(wǎng)絡(luò)通信相結(jié)合的產(chǎn)物，用以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、分析和通信等多種功能，但是由于CAN總線沒有防爆功能，所以設(shè)計(jì)一定要考慮加防爆隔離柵。

利用P80C592單片機(jī)本身具有模擬量輸入的10位ADC變換器和帶有與內(nèi)部RAM進(jìn)行DMA數(shù)據(jù)傳送的CAN控制器，減小了體積。該設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)單明了、性能高、成本低廉、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

圖6 CAN智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)流程圖

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作者簡(jiǎn)介

史慶軍 男，黑龍江穆棱人，1966年出生，碩士研究生，副教授。主要從事電子信息研究與教學(xué)工作。