李忠奎，姚永輝，溫 良，賈曉娣

（煤炭科學(xué)研究總院 北京 100013）

近些年，煤礦事故災(zāi)害頻發(fā)，已經(jīng)引起了國家領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，明確要求要大力加強(qiáng)安全監(jiān)管監(jiān)控，避免災(zāi)害發(fā)生，確保生命財產(chǎn)安全。在煤礦各類事故中，頂板事故次數(shù)和造成人員死亡人數(shù)分別占煤礦事故總數(shù)的50%和34%以上，總起數(shù)居所有事故類別第一位，死亡人數(shù)僅次于瓦斯[1]。因此，筆者設(shè)計(jì)了采用CAN多主通訊技術(shù)的煤礦頂板監(jiān)測系統(tǒng)，對頂板支架壓力、錨桿（索）應(yīng)力和頂板離層等多參數(shù)實(shí)時監(jiān)測，并進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測預(yù)警，使礦山企業(yè)能夠及時進(jìn)行險情處理，從而避免事故災(zāi)害的發(fā)生，對煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

1 CAN總線技術(shù)特點(diǎn)

CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初，CAN被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境的微控制通信，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。1993年，CAN就已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。

CAN總線有如下特點(diǎn)：CAN具有完善的通信協(xié)議，可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實(shí)現(xiàn)，從而大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期；CAN協(xié)議分為目標(biāo)層、傳輸層、物理層（目標(biāo)層的功能:確定要發(fā)送的報文、確認(rèn)傳輸層接收到的報文、為應(yīng)用層提供接口；傳輸層的功能：幀組織、總線仲裁、檢錯、錯誤報告、錯誤處理；物理層的范圍包括實(shí)際位傳送過程中的電氣特性）；CAN協(xié)議使用2種邏輯位表達(dá)方式，當(dāng)總線上的CAN控制器發(fā)送的都是弱位時，此時總線狀態(tài)是弱位（邏輯1），如果總線上有強(qiáng)位出現(xiàn)，弱位總是讓位于強(qiáng)位，即總線狀態(tài)是強(qiáng)位（邏輯0）；CAN通訊采用短幀結(jié)構(gòu)，規(guī)定了數(shù)據(jù)塊的長度最多為8個字節(jié)，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了通信的實(shí)時性；每幀信息都有CRC?校驗(yàn)及其它檢錯措施，保證數(shù)據(jù)出錯率極低；可工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)，采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)；使用了數(shù)據(jù)塊編碼方式，使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個數(shù)在理論上不受限制，并可使不同的節(jié)點(diǎn)同時接收到相同的數(shù)據(jù)；CAN節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動封閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操縱不受影響；CAN的通訊介質(zhì)選擇靈活，可為雙絞線、普通電纜或光纖。

2 CAN協(xié)議多主通訊的實(shí)現(xiàn)

CAN2.0B技術(shù)規(guī)范中定義了數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀、過載幀和幀間間隔[4]。數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀可以使用標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種格式，它們用一個幀空間與前面的幀分隔。在擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀中，如圖1所示，仲裁字段的前11位為29位標(biāo)識符的最有效位 （基本ID）。緊隨這11位的是替換遠(yuǎn)程請求SRR位，定義為隱性狀態(tài)。SRR位之后是IDE位，該位隱性時表示這是擴(kuò)展的CAN幀。SRR位和IDE位之后是標(biāo)識符的其余18位（擴(kuò)展ID）以及一個遠(yuǎn)程發(fā)送請求位。為使標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀都能在共享網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送，應(yīng)將29位的擴(kuò)展報文標(biāo)識符拆分成最高11位和最低18位兩部分。拆分后可確保IDE位在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀和擴(kuò)展幀中的位置保持不變。仲裁字段之后是6位控制字段?？刂谱侄吻?位為保留位，必須定義為顯性位。其余4位為數(shù)據(jù)長度DLC，說明報文中包含的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀的其他部分（數(shù)據(jù)字段，CRC字段，確認(rèn)字段，幀結(jié)尾和間斷）與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)相同。通過對CAN協(xié)議和幀結(jié)構(gòu)分析，知道CAN以報文為單位進(jìn)行信息傳送，報文中包含標(biāo)識符ID，它也標(biāo)志了報文的優(yōu)先權(quán)。設(shè)計(jì)多主通訊系統(tǒng)時，按照系統(tǒng)中各種消息的重要性，合理安排其優(yōu)先級，即設(shè)置高優(yōu)先級的報文相應(yīng)位標(biāo)示符ID為顯性，低優(yōu)先級的報文相應(yīng)位標(biāo)示符為隱形。當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送消息時，因優(yōu)先級高的報文相應(yīng)位為顯性，則總線的相應(yīng)位的狀態(tài)為顯性，優(yōu)先級低的報文發(fā)送節(jié)點(diǎn)檢測到總線狀態(tài)與發(fā)送報文狀態(tài)不符，自動退出報文發(fā)送，而高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，優(yōu)先級低的報文節(jié)點(diǎn)在檢測到總線空閑時再重新發(fā)送報文。

通過合理安排消息優(yōu)先級，設(shè)置報文標(biāo)示符ID，使CAN總線實(shí)現(xiàn)多主通訊。由于標(biāo)識符ID并不指出報文的目的地址，而是描述數(shù)據(jù)的含義，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都可由ID寄存器和屏蔽寄存器控制來自動決定是否接收該報文。因此，CAN總線可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及廣播方式傳輸數(shù)據(jù)，無需調(diào)度。

CAN總線多主通訊網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高了通訊系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

圖1 CAN擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀F(xiàn)ig.1 Extended data frame of CAN

3 頂板監(jiān)測系統(tǒng)多主通訊方案

煤礦頂板監(jiān)測系統(tǒng)主要由工控機(jī)、監(jiān)控軟件、通訊接口、通訊主站、監(jiān)控分站、頂板離層傳感器、錨桿（索）應(yīng)力傳感器和支架（柱）壓力傳感器等設(shè)備組成。系統(tǒng)采用多主通訊方式，傳感器和分站由電源箱供電，傳感器可以掛接到分站上也可以掛接到總線上，從而使系統(tǒng)布線更加靈活，節(jié)點(diǎn)更加智能。通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the communication system structure

系統(tǒng)中報文信息主要包括：傳感器發(fā)送給分站或上位機(jī)的地址、類型、數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，傳感器發(fā)送給分站的控制信息，分站發(fā)送給上位機(jī)地址、類型信息，分站發(fā)送給上位機(jī)的傳感器的地址、類型、數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，分站發(fā)送給傳感器的控制信息和閾值信息，上位機(jī)發(fā)送給分站的控制信息，上位機(jī)發(fā)送給傳感器的控制信息和閾值信息，上位機(jī)發(fā)送給分站的傳感器的控制信息和閾值信息等?？梢?，系統(tǒng)報文信息類型比較多，優(yōu)先級設(shè)置的好壞，直接會影響系統(tǒng)信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。因此，系統(tǒng)優(yōu)先級設(shè)置按照如下原則進(jìn)行：控制信息級別大于普通數(shù)據(jù)信息級別；下發(fā)信息級別大于上發(fā)信息級別；地址類型信息級別大于數(shù)據(jù)狀態(tài)信息級別。

在MCP2510控制器中有固定的驗(yàn)收濾波器和屏蔽寄存器，通過設(shè)置該寄存器的值，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的報文自動過濾功能。屏蔽寄存器用來確定濾波器對標(biāo)識符中的哪位進(jìn)行校驗(yàn)，過濾器用來與標(biāo)識符中的字段進(jìn)行比較。在設(shè)置了相應(yīng)的驗(yàn)收濾波器后，控制器接收報文時，自動把報文標(biāo)示符字段和過濾寄存器的值進(jìn)行比較，如果兩者匹配，報文才會載入接收緩沖器中，并觸發(fā)中斷，告知CPU收到新消息，如果不匹配，該報文自動丟掉，不會引發(fā)中斷。系統(tǒng)中設(shè)置各節(jié)點(diǎn)對地址和類型進(jìn)行自動過濾，把不屬于本節(jié)點(diǎn)的報文信息自動屏蔽，這樣大大提高了CPU的使用效率，提高了系統(tǒng)性能。

通過以上原則編制好報文信息的優(yōu)先級，并設(shè)置相應(yīng)類型節(jié)點(diǎn)驗(yàn)收濾波器，使節(jié)點(diǎn)自動屏蔽過濾不屬于本節(jié)點(diǎn)的報文信息，大大增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的智能性，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的性能。

4 通訊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

CAN通訊節(jié)點(diǎn)電路圖如圖3所示，控制器采用MCP2510，收發(fā)驅(qū)動器采用CTM8251A[5-6]。MCP2510外接了8 MHz的晶體振蕩器，通過SI、SO、SCK、CS實(shí)現(xiàn)和單片機(jī)的SPI通信模式。通過一個外接的復(fù)位電路，當(dāng)復(fù)位引腳RESET的電平被拉低時，可以實(shí)現(xiàn)MCP2510的復(fù)位。RXCAN端和TXCAN端分別連接到CAN收發(fā)器的RXD和TXD端。

圖3 CAN通訊節(jié)點(diǎn)電路圖Fig.3 Circuit diagram of CAN communication node

SPI通訊以主從方式工作，這種模式通常有一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，需要至少4根線，它們是SI（數(shù)據(jù)輸入），SO（數(shù)據(jù)輸出），SCK（時鐘），CS（片選）。 SPI是串行通訊，由SCK提供時鐘脈沖，數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取，完成一位數(shù)據(jù)傳輸。這樣，在至少8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。SPI與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停。SPI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨(dú)立，所以允許同時完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。

節(jié)點(diǎn)通訊程序采用C語言進(jìn)行編制，在MCP2510控制器初始化程序中設(shè)置屏蔽過濾寄存器對報文信息進(jìn)行過濾，在報文發(fā)送程序中設(shè)置報文優(yōu)先級。MCP2510控制器初始化和報文發(fā)送的程序如下。

5 系統(tǒng)可靠性

煤礦監(jiān)測系統(tǒng)，測點(diǎn)分布廣、分布不均勻，且多數(shù)都在井下潮濕、強(qiáng)電磁輻射環(huán)境中，環(huán)境條件復(fù)雜惡劣，而上位機(jī)一般設(shè)置在調(diào)度室，信號傳輸距離遠(yuǎn)，所以如何保障通訊系統(tǒng)的可靠性是十分重要的課題。為了保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，把可靠性設(shè)計(jì)運(yùn)用到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每個環(huán)節(jié)中，重點(diǎn)從各個儀器設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)、上位機(jī)通訊軟件設(shè)計(jì)、通訊協(xié)議的制定和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布置上下功夫，大大降低了系統(tǒng)的故障率，減少了系統(tǒng)維護(hù)的成本。

在軟件可靠性[7-8]設(shè)計(jì)上主要考慮如下問題：設(shè)計(jì)好報文信息優(yōu)先級，不要使優(yōu)先級高的信息始終占領(lǐng)總線，也不能使優(yōu)先級低的信息發(fā)送間隔時間太長；在信息響應(yīng)或者等待中采用超時機(jī)制，防止陷入死循環(huán)；采用數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的可靠性；硬件故障自診斷；檢測總線錯誤信息，并作相應(yīng)處理；設(shè)計(jì)合理的波特率等。

在硬件可靠性設(shè)計(jì)上主要考慮電磁兼容問題，以保障設(shè)備在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中仍能夠協(xié)調(diào)、有效地進(jìn)行工作。在設(shè)計(jì)上具體做如下處理：針對不同信號，選擇合理的導(dǎo)線寬度，盡量加粗接地線；正確選擇單點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地；將數(shù)字電路與模擬電路分開；采取部分或全部屏蔽措施；采用正確的布線策略；還要考慮去耦電容配置、印制電路板的尺寸、器件的布置和散熱情況等。

系統(tǒng)運(yùn)行可靠，網(wǎng)絡(luò)布置設(shè)計(jì)是重中之重，因此在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上需要注意如下問題：最好采用總線型結(jié)構(gòu)，其它結(jié)構(gòu)需要配以網(wǎng)絡(luò)分配器；可以采用冗余設(shè)計(jì)；總線節(jié)點(diǎn)引出線不宜過長，以免信號反射；傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞線，以抑制電磁干擾；網(wǎng)絡(luò)終端配置匹配電阻，吸收網(wǎng)絡(luò)上的反射波，消除反射波對信號的干擾；在信號線上設(shè)置上拉和下拉電阻，拉高信號的幅度，減少誤碼率；在信號線上并聯(lián)一對方向相反的瞬態(tài)二極管，以防雷擊和瞬態(tài)干擾等。

6 結(jié)束語

采用CAN多主通訊技術(shù)設(shè)計(jì)的煤礦頂板安全監(jiān)測系統(tǒng)，各節(jié)點(diǎn)可任意時間發(fā)送數(shù)據(jù)，可以任意向某一節(jié)點(diǎn)或多個節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，不僅提高了系統(tǒng)實(shí)時性，而且使系統(tǒng)更加智能，系統(tǒng)布置更加靈活方便。系統(tǒng)設(shè)計(jì)上充分考慮可靠性問題，大大增強(qiáng)了監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通訊數(shù)據(jù)的可靠性，減少了系統(tǒng)維護(hù)工作量。應(yīng)用該系統(tǒng)，使礦山企業(yè)能及時了解井下頂板安全狀況，及早發(fā)現(xiàn)和處理安全隱患，從而避免災(zāi)害事故的發(fā)生。

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