張 進(jìn)

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與交通學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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基于CAN總線的礦用絞車(chē)信號(hào)組合裝置設(shè)計(jì)

張 進(jìn)

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與交通學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

針對(duì)煤礦絞車(chē)信號(hào)裝置存在的裝置之間語(yǔ)音干擾、信號(hào)點(diǎn)位不清、絞車(chē)臺(tái)設(shè)備過(guò)多等問(wèn)題，研制了一種集成CAN總線接口的絞車(chē)信號(hào)組合裝置.該裝置利用LM3S8962處理器自帶CAN總線的特點(diǎn)，將絞車(chē)啟停、安全燈轉(zhuǎn)換、信號(hào)打點(diǎn)等裝置進(jìn)行合并.試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音傳輸、信號(hào)打點(diǎn)、安全燈自動(dòng)轉(zhuǎn)換及絞車(chē)啟?？刂频裙δ埽瑥浹a(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)備功能單一，操作煩瑣，占用空間較大的不足，提高了煤礦現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)的效率.

CAN總線；LM3S8962處理器；礦用絞車(chē)信號(hào)

0 引言

礦用聲光打點(diǎn)信號(hào)器是煤礦生產(chǎn)企業(yè)的必備設(shè)備，現(xiàn)有礦用絞車(chē)信號(hào)裝置大多采用調(diào)頻動(dòng)力載波來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信號(hào)打點(diǎn)、信號(hào)急停以及語(yǔ)音通話等功能.該裝置在實(shí)際絞車(chē)信號(hào)聯(lián)絡(luò)過(guò)程中存在著以下問(wèn)題：1)近距離音頻干擾較大，語(yǔ)音音質(zhì)較差，相鄰裝置之間干擾非常嚴(yán)重；2)絞車(chē)信號(hào)裝置不能實(shí)現(xiàn)安全燈的自動(dòng)控制，無(wú)法分辨信號(hào)打點(diǎn)的點(diǎn)位；3)礦用絞車(chē)控制臺(tái)上絞車(chē)啟停控制裝置、安全燈轉(zhuǎn)換裝置、信號(hào)打點(diǎn)裝置相互分立，控制操作繁瑣，占用面積大.

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者提出一種基于CAN總線的集礦用絞車(chē)啟停、安全燈轉(zhuǎn)換、聲光信號(hào)打點(diǎn)LED數(shù)字顯示、語(yǔ)音通話一體化組合的裝置，該裝置能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音傳輸、信號(hào)點(diǎn)位、安全燈自動(dòng)轉(zhuǎn)換及絞車(chē)啟停控制等功能，簡(jiǎn)化了操作步驟，減少了設(shè)備占用面積，節(jié)省了建設(shè)成本，提高了工作效率.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該裝置硬件結(jié)構(gòu)分為隔爆腔和本安腔兩部分，采用雙CPU運(yùn)行方式，如圖1所示.本安腔由電源模塊、CAN總線集成單元、信號(hào)打點(diǎn)及顯示模塊、語(yǔ)音放大模塊等部分組成，主要負(fù)責(zé)打點(diǎn)信號(hào)和語(yǔ)音信號(hào)的傳送.隔爆腔由電源轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、絞車(chē)啟停模塊、安全燈轉(zhuǎn)換模塊等部分組成，主要負(fù)責(zé)礦用絞車(chē)的啟停及礦用安全燈的自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作.隔爆腔與本安腔之間采用短距離的RS232通信協(xié)議[1]130-132.

圖1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)上具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：1)采用雙CPU運(yùn)行方式，分任務(wù)式處理，可以同時(shí)響應(yīng)兩個(gè)任務(wù)線程，大大提高工作效率；2)本安腔采用基于TI群星系列Cotex-M3的LM3S8962處理器，該芯片自身集成CAN總線[2]242-268,[3]20-21,[4]120-143，CAN總線處理模式可以實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，利用雙絞線為傳輸介質(zhì)，采用一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播的數(shù)據(jù)收發(fā)方式，傳輸速率高，節(jié)點(diǎn)多，簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]15-16,[6]66-69,[7]97-98.

2 硬件設(shè)計(jì)

該裝置將CAN總線技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)距離煤礦通信系統(tǒng)中，隔爆腔采用宏晶公司的STC12LE5A60S2處理器，本安腔硬件電路采用Stellaris系列的LM3S8962芯片，二者之間通過(guò)RS232通信接口實(shí)現(xiàn)短距離對(duì)接.

2.1 隔爆腔電路設(shè)計(jì)

隔爆腔的電源板部分采用STC12LE5A60S2芯片，繼電器RS4H-S-DC12V實(shí)現(xiàn)安全燈的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，繼電器HK4100F-DC24V-SHG實(shí)現(xiàn)絞車(chē)啟動(dòng)停.隔爆腔電路原理圖如圖2所示.基本工作過(guò)程如下：先將127V交流電壓送至本質(zhì)安全型電源，通過(guò)轉(zhuǎn)換，輸出12V直流電壓信號(hào)；接下來(lái)送入電源轉(zhuǎn)換模塊，將12V本質(zhì)安全型電源轉(zhuǎn)換為3.3V直流電壓；3.3V直流電壓送入隔爆腔為隔爆腔CPU供電，隔爆腔中CPU一方面通過(guò)繼電器HK4100F控制，實(shí)現(xiàn)絞車(chē)啟動(dòng)?？刂?另一方面驅(qū)動(dòng)繼電器RS4H，控制安全燈自動(dòng)轉(zhuǎn)換.

圖2 隔爆腔電路設(shè)計(jì)原理圖

2.2 本安腔電路設(shè)計(jì)

本安腔主控板部分采用基于ARM CORTEX-M3內(nèi)核的微控制器LM3S8962，該芯片內(nèi)部具有256KB FLASH和64KB SRAM，提供36中斷，8個(gè)優(yōu)先等級(jí)內(nèi)部存儲(chǔ)器，4個(gè)通用定時(shí)器，通用I/O口，2個(gè)通道的UART和同步串行接口(SSI)、10/100M以太網(wǎng)控制器等功能，適用于工業(yè)控制與網(wǎng)絡(luò)化儀器儀表領(lǐng)域系統(tǒng).語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸采用AMBE-1000與SCP1027數(shù)字化壓縮編解碼，能夠提供良好的語(yǔ)音音質(zhì)；按鍵打點(diǎn)與LED數(shù)碼顯示采用CH452芯片；CAN口隔離模塊采用符合礦用耐壓等級(jí)的CTM8251T.本安腔電路原理圖如圖3所示.基本工作過(guò)程如下：另一路3.3V直流電壓信號(hào)送入本安腔為CPU供電， CPU一方面驅(qū)動(dòng)功放TDA7377，將受話器送來(lái)的人工語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行放音；另一方面驅(qū)動(dòng)按鍵打點(diǎn)與LED數(shù)碼顯示芯片及語(yǔ)音數(shù)字化壓縮編解碼芯片，將打點(diǎn)信號(hào)及人工話音信號(hào)數(shù)字化，通過(guò)CAN總線模塊實(shí)時(shí)傳輸打點(diǎn)信號(hào)及人工話音信號(hào)，使得整條工作線上的設(shè)備都能同步接收.

圖3 本安腔電路設(shè)計(jì)原理圖

2.3 主控板與隔爆腔電源電路設(shè)計(jì)

主控板與隔爆腔電源板之間采用短距離RS232協(xié)議通訊，本安腔主控板的12V電源由隔爆腔電源板提供.在圖3中，隔爆腔中的12V礦用本質(zhì)安全型電源會(huì)提供本質(zhì)安全12V的電壓，12V電壓經(jīng)過(guò)電源轉(zhuǎn)換，可得3.3V直流電壓，給CPU芯片供電，分別接3.3V正極與3.3V負(fù)極， 同時(shí)12V礦用本質(zhì)安全型電源會(huì)提供12V電壓給本安腔；隔爆腔的CPU芯片通過(guò)RS232正、RS232負(fù)與本安腔的CPU芯片相連；本安腔中的12V電壓經(jīng)電源轉(zhuǎn)換模塊，可得3.3V正極、3.3V負(fù)極給CPU芯片供電，可得5V正極、5V負(fù)極給CAN總線模塊供電；本安腔中的12V電壓還直接給功放TDA7377供電.

3 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程如圖4所示：系統(tǒng)加電初始化，開(kāi)始完成絞車(chē)啟?？刂?、信號(hào)打點(diǎn)，語(yǔ)音通話等功能，同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)，檢測(cè)正確返回.否則報(bào)錯(cuò)后，啟動(dòng)中斷服務(wù)程序，進(jìn)行中斷條件判斷，同時(shí)檢測(cè)絞車(chē)控制、信號(hào)打點(diǎn)、語(yǔ)音通話狀態(tài)，保護(hù)現(xiàn)有狀態(tài)，系統(tǒng)返回.

圖4 主程序及中斷服務(wù)程序流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，作者采用一根四芯雙絞線電纜，將沿路的信號(hào)組合裝置逐個(gè)級(jí)聯(lián)在一起，同時(shí)將絞車(chē)控制臺(tái)上絞車(chē)啟?？刂?、安全燈轉(zhuǎn)換、信號(hào)打點(diǎn)、絞車(chē)啟停裝置等設(shè)備組合在一起，結(jié)果證明：1)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化傳輸，保證了語(yǔ)音音質(zhì)清晰可靠；2)完成打點(diǎn)信號(hào)的LED數(shù)字顯示，能清晰地顯示打點(diǎn)所在點(diǎn)位；3)實(shí)現(xiàn)安全燈的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，將原有的絞車(chē)啟停裝置進(jìn)行合并.該裝置實(shí)現(xiàn)單根電纜串接全部設(shè)備，節(jié)省安裝維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)；提高實(shí)時(shí)性，信息可共享；提高多控制器系統(tǒng)的檢測(cè)、診斷和控制性能.

5 結(jié)語(yǔ)

該裝置結(jié)合CAN技術(shù)和通信技術(shù)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有信號(hào)裝置進(jìn)行硬件改進(jìn)和軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)信號(hào)裝置的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)礦用語(yǔ)音通話、聲光信號(hào)打點(diǎn)LED數(shù)字顯示、安全燈轉(zhuǎn)換及絞車(chē)啟停等功能的一體化結(jié)構(gòu)裝置.利用CAN總線技術(shù)突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，無(wú)須另外架線，就實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化傳輸，同時(shí)解決了原有絞車(chē)信號(hào)裝置存在的語(yǔ)音干擾、信號(hào)點(diǎn)位不清晰的問(wèn)題.節(jié)省安全燈自動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)所耗費(fèi)的電纜，節(jié)減電纜成本，減少了設(shè)備占用面積，完全可以替代目前市場(chǎng)上所使用的礦用隔爆兼本安型打點(diǎn)信號(hào)器，應(yīng)用前景十分可觀.

[1] 馬洪連，丁 男，李屹璐.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

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[責(zé)任編輯 梧桐雨]

2016-04-29

江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院2014年度校級(jí)科研課題“一種基于CAN總線的礦用絞車(chē)信號(hào)組合裝置的設(shè)計(jì)”(項(xiàng)目編號(hào)：JYA14-23)

張 進(jìn)(1971- )，女，河南新野人，江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要從事通信技術(shù)及電子信息技術(shù)教學(xué)與研究。

1671-8127(2016)05-0060-03

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