王 剛 郭新軍

(河南工程學(xué)院電氣信息工程系，河南 新鄭 451191)

0 引言

隨著工業(yè)化的發(fā)展，人們對(duì)能源的要求越來(lái)越多，作為能源主流之一的煤炭，其需求也日益旺盛。我國(guó)煤炭資源豐富但礦藏條件復(fù)雜，據(jù)資料表明，我國(guó)約47%的礦井是高瓦斯或瓦斯突出礦［1］。這些礦藏的開(kāi)采，若沒(méi)有相應(yīng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，就易出現(xiàn)礦井安全事故。因此，對(duì)礦井里的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境、電氣線(xiàn)路和工作設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行全面而有效的監(jiān)測(cè)和控制，構(gòu)建對(duì)煤礦井上、井下可靠安全預(yù)警和決策管理的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)保障煤礦的安全高效生產(chǎn)具有重大的意義。

目前，礦井中普遍使用由RS-485總線(xiàn)組成的半雙工、巡檢式監(jiān)控系統(tǒng)［2］。這類(lèi)系統(tǒng)存在實(shí)時(shí)性差、數(shù)據(jù)速率低、可靠性不高等缺點(diǎn)。另外還有一些監(jiān)控內(nèi)容比較單一的系統(tǒng)［3－4］，這些監(jiān)控系統(tǒng)很難滿(mǎn)足作業(yè)情況復(fù)雜的礦井對(duì)安全監(jiān)控的要求。為此，本文提出了一種分級(jí)網(wǎng)絡(luò)框架的CAN總線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主干CAN網(wǎng)采用總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，二級(jí)CAN網(wǎng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的不同，主干網(wǎng)和二級(jí)網(wǎng)通信節(jié)點(diǎn)分別采用不同的智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1 CAN總線(xiàn)的通信模型

由CAN總線(xiàn)架構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，遵守開(kāi)放系統(tǒng)互連(open system interconnection，OSI)規(guī)范，結(jié)構(gòu)上采用層次設(shè)計(jì)［5］。作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控底層網(wǎng)絡(luò)，通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求較高，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。因此，CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在通信底層僅采納了開(kāi)放系統(tǒng)互連。

通信模型的最低兩層為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而模型的高層為應(yīng)用層。CAN數(shù)據(jù)鏈路層由邏輯鏈路控制(LLC)子層和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)子層構(gòu)成。物理層決定信號(hào)的傳輸方式，是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間通信的物理電氣線(xiàn)路，用于實(shí)現(xiàn)通信總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)流傳輸;MAC子層是實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議的核心層，它用于約定網(wǎng)絡(luò)上通信數(shù)據(jù)的傳送規(guī)則，即控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)標(biāo)定和故障界定等;LLC子層則實(shí)現(xiàn)報(bào)文濾波、總線(xiàn)超載通知和總線(xiàn)恢復(fù)管理等功能。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能可由網(wǎng)絡(luò)中的CAN接口控制器完成，而應(yīng)用層的功能由微處理器或工控機(jī)上相應(yīng)的進(jìn)程完成。CAN網(wǎng)絡(luò)的通信模型如圖1所示。

圖1 CAN網(wǎng)絡(luò)通信模型Fig.1 CAN network communication model

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

CAN總線(xiàn)為串行總線(xiàn)，因此由其架構(gòu)的分布式工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)按照串行通信式網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 CAN總線(xiàn)分級(jí)網(wǎng)路拓?fù)鋱DFig.2 CAN bus hierarchical network topology

主網(wǎng)絡(luò)采用總線(xiàn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，二級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，CAN網(wǎng)絡(luò)的物理電氣線(xiàn)路采用屏蔽雙絞線(xiàn)。煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備依靠二級(jí)智能節(jié)點(diǎn)模塊，經(jīng)二級(jí)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)掛接在一級(jí)智能節(jié)點(diǎn)上，由一級(jí)智能節(jié)點(diǎn)信息處理后接入主網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)上。主網(wǎng)絡(luò)CAN總線(xiàn)是由工控機(jī)上PCI插槽中的CAN卡引出并驅(qū)動(dòng)。分級(jí)網(wǎng)絡(luò)可以避免主網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目過(guò)多這一問(wèn)題。盡管理論上CAN2.0節(jié)點(diǎn)數(shù)可以有很多，但受實(shí)際工程中電氣負(fù)載的影響，如驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電阻［6］，其節(jié)點(diǎn)數(shù)目受到很大的限制。網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)估計(jì)一般按照以下公式進(jìn)行計(jì)算［7］:

式中:Rdiff.min為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)最小差動(dòng)輸入電阻;RL.min為網(wǎng)絡(luò)中CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的最小負(fù)載電阻;RT.min為網(wǎng)絡(luò)中的最小終端電阻。

另外，CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸采用時(shí)分復(fù)用原則。如果主網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)太多，對(duì)于多主動(dòng)通信的CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，無(wú)疑會(huì)提高網(wǎng)絡(luò)阻塞的幾率;且節(jié)點(diǎn)太多時(shí)，CAN的仲裁機(jī)制會(huì)增加一些節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信的時(shí)延。因此，本系統(tǒng)采用二級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以減小主干網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和堵塞。若主網(wǎng)絡(luò)架設(shè)距離比較長(zhǎng)，根據(jù)實(shí)際工程需要，應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)中接入中繼器，以保證主網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)上較高的通信速率和通信數(shù)據(jù)的可靠性。主網(wǎng)絡(luò)需要在總線(xiàn)的終端接入總線(xiàn)終結(jié)器，以防止通信信號(hào)回波的反射干擾。工程上，一般采用一個(gè)與總線(xiàn)介質(zhì)特性阻抗相匹配的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 通信模塊硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 一級(jí)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

微處理器字長(zhǎng)的選擇與數(shù)據(jù)吞吐量和對(duì)處理數(shù)據(jù)精度的要求等有關(guān)。本文設(shè)計(jì)的CAN通信控制器采用SJA1000［8］，其數(shù)據(jù)接口為8位，這決定了即使選用字長(zhǎng)超過(guò)8位的微處理器，其每次與SJA1000的數(shù)據(jù)交換量也是1 B，所以本系統(tǒng)選用8位的微處理器STC11F60XE。該處理器內(nèi)核采用增強(qiáng)性51內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)35 MHz，數(shù)據(jù)的處理速度是普通51核的8～12倍，具有很強(qiáng)的抗干擾性，完全滿(mǎn)足煤礦現(xiàn)場(chǎng)工程環(huán)境和CAN總線(xiàn)一級(jí)智能節(jié)點(diǎn)的硬件要求。在本設(shè)計(jì)中，STC11F60XE所有外圍等硬件資源都得到了充分的利用。

一級(jí)智能節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 一級(jí)智能節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)Fig.3 Hardware architecture of the 1st level intelligent node

一級(jí)智能節(jié)點(diǎn)模塊由微處理器STC11F60XE、CAN通信控制器SJA1000、CAN總線(xiàn)收發(fā)器PCA82C250、高速光電耦合器6N137、8路輸入的與門(mén)CD4068、譯碼器SN74F138、編碼器CD4532B以及匹配接口電路等部分組成。

3.2 二級(jí)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

二級(jí)智能節(jié)點(diǎn)模塊由微處理器STC11F60XE、CAN通信控制器SJA1000、高速光電耦合器6N137、CAN總線(xiàn)收發(fā)器PCA82C250以及監(jiān)控接口電路等組成。二級(jí)智能節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 二級(jí)智能節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)架Fig.4 Hardware architecture of the 2nd level intelligent node

PCA82C250 CAN總線(xiàn)收發(fā)器用作SJA1000和CAN物理傳輸線(xiàn)路之間的接口芯片［9］。PCA82C250工作在額定電壓為12 V的CAN總線(xiàn)系統(tǒng)中，為總線(xiàn)提供差動(dòng)驅(qū)動(dòng)。PCA82C250數(shù)據(jù)的通信速率由RS腳與地之間連接的電阻值R10決定。當(dāng)R10=0時(shí)，即把該引腳直接接地，PCA82C250處于高速通信方式。這種情況下，應(yīng)避免高頻干擾，為此建議使用屏蔽電纜作為總線(xiàn)的物理通信介質(zhì)。

通常情況下，根據(jù)實(shí)際工程中通信的速率選擇相應(yīng)的阻值，R10的取值范圍一般在16～200 kΩ?？紤]到二級(jí)智能節(jié)點(diǎn)位于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)(有時(shí)距離一級(jí)節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn))，同時(shí)兼顧傳輸速率，本系統(tǒng)二級(jí)節(jié)點(diǎn)電阻R10取47 kΩ。

4 結(jié)束語(yǔ)

CAN作為一種比較實(shí)用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制總線(xiàn)，具有高速率、長(zhǎng)距離、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。它已成為目前工業(yè)控制領(lǐng)域常用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)［10］。本文提出的分級(jí)CAN網(wǎng)架構(gòu)的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)，能夠減少主網(wǎng)的信息堵塞和信息數(shù)據(jù)的延遲，在組網(wǎng)通信試驗(yàn)中，較好地實(shí)現(xiàn)了分級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中智能節(jié)點(diǎn)間以及智能節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)通信。

［1］姚元領(lǐng)，司俊鴻.淺談?dòng)嘘P(guān)瓦斯壓力測(cè)定的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)［J］.能源技術(shù)與管理，2010(2):34－36.

［2］林雪峰，劉勝，李柏均.RS-485總線(xiàn)在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中的可靠性設(shè)計(jì)［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，33(z1):29 －31.

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