王欣峰，任淑萍

（1.山西大學 工程學院 自動化系，山西 太原 030013；2.山西大學 工程學院 電子信息工程系，山西 太原 030013）

0 引言

近年來，因礦燈使用管理不善而引發(fā)的礦山重、特大事故時有發(fā)生，礦燈的信息化管理還很薄弱，本文充分利用CAN總線的強大功能組成通信網(wǎng)絡，使用89C52單片機和SJA1000控制器設計了智能CAN節(jié)點硬件部分，并配以一定的軟件，開發(fā)出了基于CAN總線的智能礦燈充電架系統(tǒng)。可實現(xiàn)從充電、使用到自動統(tǒng)計、考勤等動態(tài)管理，通過局域網(wǎng)還可在辦公室內查詢、統(tǒng)計、打印有關信息等。

1 系統(tǒng)的總體結構

本系統(tǒng)結構如圖1 所示，包括上位監(jiān)控管理計算機、無線數(shù)據(jù)傳輸單元、帶有CAN接口的主控計算機、CAN總線和充電架。礦燈充電架的主要功能是為礦燈充電提供合適的電壓和電流，各個礦燈充電架獨立工作；無線數(shù)據(jù)傳輸單元用于把主控計算機收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機監(jiān)控計算機；帶有CAN接口的主控計算機負責采集各個充電架的信息并進行處理；各個充電架之間的數(shù)據(jù)通過CAN總線進行通信。

2 多功能充電架的硬件設計

2.1 CAN總線智能節(jié)點設計

網(wǎng)絡上信息的接收和發(fā)送是通過節(jié)點來完成的，智能節(jié)點是指節(jié)點本身是由微處理器和可編程CAN控制芯片組成的。該硬件電路主要由微處理器部分、隔離CAN收發(fā)器和CAN控制器三部分組成，如圖2 所示。本設計中所選用作為智能節(jié)點微處理器的是宏晶公司STC系列的STC89C52，負責礦燈的充電狀態(tài)以及礦燈信息的讀取，該系統(tǒng)采用＋5V電源輸入。CAN控制器使用的是Philips公司生產SJA1000，該芯片是一款獨立的控制器，通常用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)，本設計采用的是PeliCAN模式。CAN協(xié)議控制器是通過PCA82C250和物理總線進行接口的，它能夠提供總線的差動發(fā)送和接收能力，具有高速性（最高可達1Mb／s）和抗瞬間干擾能力，且具有降低射頻干擾的斜率控制。

圖1 基于CAN總線的礦燈充電系統(tǒng)結構圖

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設計

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊主要用于把主控機接收到的充電架信息發(fā)送到上位機，以便于管理人員對每個礦燈進行監(jiān)測以及考核礦工的出勤情況。本設計中采用Nordic公司推出的工作于2.4GHz ISM 頻段的nRF2401射頻芯片，該射頻芯片沒有復雜的通信協(xié)議，完全對用戶透明，同種產品之間可以自由通信。nRF2401芯片工作速率為0～1Mb／s，所需外圍元件極少，內置硬件CRC（循環(huán)冗余校驗），集成了頻率合成器、晶體振蕩器和調制解調器。該設計中采用ShockBurst TM收發(fā)模式，該模式系統(tǒng)具有編程簡單、穩(wěn)定性高等特點。配置好后，在nRF2401工作過程中，只需改變其最低一個字節(jié)中的內容，就可實現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間的切換。如圖3 所示為nRF2401的硬件連接圖，需要注意的是nRF2401的工作電壓為1.9V～3.6V，但是可以直接和單片機的I／O引腳相連，為了工作穩(wěn)定，需要進行分壓處理。

圖2 智能節(jié)點

圖3 nRF2401的硬件電路

3 多功能充電架的軟件設計

3.1 上位機軟件設計

在PC機軟件設計中，使用VC＋＋的通信模塊開發(fā)應用程序，該程序負責對充電架上傳輸過來的信號進行最終處理并存入數(shù)據(jù)庫，能實現(xiàn)實時監(jiān)測礦燈充電狀態(tài)、礦工狀態(tài)查詢、考勤管理等各項監(jiān)控功能。

3.2 CAN智能節(jié)點軟件設計

CAN智能節(jié)點的軟件設計部分包括對CAN總線控制器的初始化、報文的發(fā)送和接受三部分。對CAN控制器的初始化過程主要是設置CAN的通信參數(shù)，需要對CAN控制寄存器初始化的有：模式寄存器、時分寄存器、屏蔽寄存器、接收代碼寄存器、輸出控制寄存器、總線定時寄存器等。需要注意的是對這些寄存器的訪問只能在CAN控制器處于復位狀態(tài)下才可進行。圖4 為CAN總線控制器的初始化流程圖。

圖4 CAN總線控制器的初始化流程

初始化子函數(shù)如下：

void init＿can（）／／初始化SJA100主控制器子函數(shù)

｛CR＝0X01；／／控制寄存器為復位

CDR＝0；／／設置時鐘分頻器

ACR＝0；／／驗收碼寄存器

AMR＝0XF；／／驗收屏蔽寄存器

BTR0＝0x31；／／定時總線寄存器0

BTR1＝0X18；／／定時總線寄存器1

Ocr＝0x55；／／輸出控制寄存器

CR＝0X6E；／／控制寄存器進入工作

EA＝1；／／開中斷｝

等發(fā)送緩沖區(qū)清空后，報文發(fā)送子程序從緩沖器中取出要發(fā)送的數(shù)據(jù)，加上標識符等信息，成為信息幀，將信息幀發(fā)送到CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)信息的發(fā)送是在接收到主機的發(fā)送請求后且啟動發(fā)送命令后完成的。把信息由CAN控制器發(fā)送到總線則是由CAN控制器自動完成的。同理，報文接受的時候，從CAN總線把信息傳到CAN控制器的接收緩沖區(qū)，這個過程也是由CAN控制器自動完成的。接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取信息，并將其存儲在數(shù)據(jù)存儲區(qū)。報文的發(fā)送和接收流程圖如圖5 所示。

圖5 報文發(fā)送和接收流程

3.3 無線數(shù)據(jù)傳輸軟件設計

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的軟件設計包括nRF2401的初始化、nRF2401的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。其中對nRF2401的初始化包括對收發(fā)模式、晶振頻率、收發(fā)信道頻率、地址、傳輸速率、CRC校驗、芯片發(fā)射功率等進行配置。該設計中，使用通道1在ShockBurst TM模式下進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)速率為250kb／s，收發(fā)信道頻率2 402MHz，晶振頻率16MHz。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先讓該模塊為發(fā)送工作模式（引腳CE＝1），配置接收端地址和有效數(shù)據(jù)后，啟動發(fā)送（引腳CE＝0），發(fā)送端等待數(shù)據(jù)發(fā)送完成。當發(fā)送完成后模塊進入接收狀態(tài)，接收接收端的應答數(shù)據(jù)。如果接收到數(shù)據(jù)則根據(jù)需要進行相應處理，因此在接收端的主循環(huán)里可以一直判斷發(fā)送標志位DR1是否為1，為1則表示接收到數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議對其進行相應處理。

4 結束語

本文提出了一種利用CAN總線和無線數(shù)據(jù)傳輸技術開發(fā)礦用多功能充電架的設計方案，完成了相應的硬件設計并對軟件流程進行了分析。該系統(tǒng)的成功應用必將大大提高煤礦對礦燈充電的效率和質量，能夠較好地實現(xiàn)現(xiàn)場的監(jiān)測和管理。

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