王加加，楊釧釧，賈偉崗

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

目前煤礦井下礦用安全系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)了智能化、自動(dòng)化，及井下環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。但由于煤礦井下特殊環(huán)境及其安全的重要性，目前井下系統(tǒng)均采用有線(xiàn)總線(xiàn)構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用CAN總線(xiàn)［1－2］與485總線(xiàn)相結(jié)合的方法，構(gòu)成井下安全系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［3－4］，該系統(tǒng)具有自動(dòng)地址分配、狀態(tài)查詢(xún)、安全措施控制的功能。且通過(guò)適當(dāng)距離增加中繼，實(shí)現(xiàn)理論上無(wú)限數(shù)目模塊終端接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，提高了井下安全系統(tǒng)的靈活性及易用性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)安全裝置主要有8部分組成:井上監(jiān)控系統(tǒng)、井下工控機(jī)兼主機(jī)模塊、智能輸入輸出模塊、中繼模塊、皮帶急停開(kāi)關(guān)、終端模塊、井下各類(lèi)保護(hù)傳感器、井下安全措施裝置及防爆電話(huà)。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

煤礦井下隨著采煤位置的變化，井下安全裝置模塊需采取一定的調(diào)整，來(lái)滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)井下環(huán)境。因此井下安全裝置需具有一定的組網(wǎng)靈活性，方便隨時(shí)更換位置，及其刪減、增加安全模塊。如圖1所示，煤礦井下系統(tǒng)具有自動(dòng)組網(wǎng)能力，將其所有必要的模塊進(jìn)行入網(wǎng)通信。且本系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活性和數(shù)目、位置無(wú)限制的特點(diǎn)，因此圖1僅展示了井下網(wǎng)絡(luò)的其中一部分。

基于CAN總線(xiàn)與485總線(xiàn)相結(jié)合的自動(dòng)組網(wǎng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，通信系統(tǒng)由局內(nèi)網(wǎng)與局外網(wǎng)兩部分組成。局內(nèi)網(wǎng)是指由主機(jī)模塊為中心，具有雙CAN總線(xiàn)與雙485總線(xiàn)，每條總線(xiàn)均可接入有限個(gè)智能輸入輸出模塊、皮帶急停模塊，且同時(shí)位于兩中繼模塊間或中繼模塊和終端模塊之間的所有網(wǎng)段。所有模塊均有雙485總線(xiàn)，連接入網(wǎng)時(shí)需將接入本模塊其中之一的485總線(xiàn)接口，并從另一485總線(xiàn)接出。當(dāng)總線(xiàn)一側(cè)不再連接任何模塊時(shí)，需接入終端模塊。中繼也具有雙CAN總線(xiàn)用來(lái)連接所有局內(nèi)網(wǎng)，完成局內(nèi)網(wǎng)互連構(gòu)成局外網(wǎng)，同時(shí)還具有局內(nèi)網(wǎng)段中的終端功能。

圖1 井下煤礦安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主機(jī)模塊和中繼模塊主芯片均采用ST公司的stm32f107系列，其具有雙CAN、5路串口、USB OTG等豐富內(nèi)部資源。皮帶急停模塊［6］、智能輸入輸出模塊、終端模塊等模塊主芯片采用stm32f103系列，具有CAN總線(xiàn)、3～5路串口等資源。主機(jī)模塊具有雙CAN總線(xiàn)和雙485總線(xiàn)，在沒(méi)有中繼的前提下使其傳輸距離增加1倍，同時(shí)也為局內(nèi)網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供可能。中繼也同時(shí)具有雙CAN總線(xiàn)，主要目的是連接局內(nèi)網(wǎng)段。

為保證所有模塊正常穩(wěn)定工作，均采用雙電源供電，同時(shí)采用光電隔離技術(shù)將總線(xiàn)信號(hào)與板載處理器進(jìn)行隔離。同時(shí)為保證總線(xiàn)的可靠性及抗干擾性，對(duì)總線(xiàn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、匹配電阻和TVS管箝制等相關(guān)措施。CAN總線(xiàn)收發(fā)器的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。為增加485總線(xiàn)的靈活性，通過(guò)增加三極管作為電子開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了485芯片自動(dòng)收發(fā)使能功能，其總線(xiàn)收發(fā)器的電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 CAN總線(xiàn)收發(fā)器原理圖

圖4 485總線(xiàn)收發(fā)器原理圖

此外每臺(tái)主機(jī)模塊均配置一臺(tái)工控機(jī)，采用USB HID設(shè)備協(xié)議與主機(jī)模塊通信，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，其他所有模塊均無(wú)操控功能。智能輸入輸出模塊采用低濕液晶顯示，可顯示當(dāng)前接入的所有傳感器和控制狀態(tài)。智能輸入接口有A/D輸入、開(kāi)關(guān)量輸入、頻率輸入，同時(shí)開(kāi)關(guān)量和頻率輸入管腳重合，具有自動(dòng)識(shí)別功能。皮帶跑偏/急停模塊采用兩位數(shù)碼管顯示當(dāng)前地址，當(dāng)數(shù)碼管閃爍時(shí)，所有跑偏/急停模塊顯示同一地址，表明此地址有動(dòng)作反應(yīng)，以此提醒所有位置的工作人員。

3 通信方案及其協(xié)議制定

主機(jī)模塊是局內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，其具有自動(dòng)地址分配、自動(dòng)查詢(xún)和自動(dòng)控制等功能，且本身也帶有智能輸入輸出模塊的功能，并具有連接傳感器和安全措施等功能，是構(gòu)成局內(nèi)網(wǎng)的核心。在局內(nèi)網(wǎng)段內(nèi)的所有模塊均受主機(jī)模塊通信控制，且局內(nèi)網(wǎng)段內(nèi)模塊數(shù)目、位置均可調(diào)整。這里需強(qiáng)調(diào)，主機(jī)具有雙地址，局內(nèi)網(wǎng)段內(nèi)默認(rèn)均為0，由于所有主機(jī)模塊均配有工控機(jī)，而局外網(wǎng)地址需手動(dòng)配置。

智能輸入輸出模塊的主要功能是檢測(cè)并控制連接本模塊上所有傳感器和安全控制措施。通過(guò)自動(dòng)分配的地址，可與主機(jī)通信，及時(shí)反饋當(dāng)前環(huán)境或響應(yīng)主機(jī)命令。皮帶急停模塊是獨(dú)立于所有模塊的較高優(yōu)先級(jí)的手動(dòng)控制模塊，僅采用485總線(xiàn)進(jìn)行通信，同時(shí)可顯示其他模塊發(fā)生急停操作的地址編號(hào)。

中繼模塊既作為局內(nèi)網(wǎng)的終端裝置，同時(shí)也有信息轉(zhuǎn)發(fā)功能。根據(jù)CAN的工作特點(diǎn)可知，CAN總線(xiàn)傳輸距離受到波特率的限制，同時(shí)傳輸距離仍有限，無(wú)法無(wú)限制連接所需模塊，在增加中繼后使其成為可能。同時(shí)為方便管理，中繼將所有局內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行隔離，僅使局外網(wǎng)協(xié)議包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

本通信方案中有兩條總線(xiàn)，即CAN總線(xiàn)與485總線(xiàn)。其中485總線(xiàn)主要用于實(shí)現(xiàn)所有模塊的自動(dòng)地址分配與識(shí)別功能、獲取總線(xiàn)上所有連接設(shè)備數(shù)量，同時(shí)與所有跑偏/急停傳感器通信，獲取急停、跑偏狀態(tài)，而485總線(xiàn)工作范圍僅在同一局內(nèi)網(wǎng)有效。

CAN總線(xiàn)主要用于與所有智能輸入輸出模塊進(jìn)行通信，獲取所有輸入傳感器狀態(tài)信息，控制所有輸出端口的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程查詢(xún)及控制功能。通過(guò)中繼和其他局內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作功能。

圖5 工作方案解析

3.1 485總線(xiàn)協(xié)議方案說(shuō)明

485通信方式全部為查詢(xún)方式，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，所有從機(jī)均不主動(dòng)自行發(fā)送數(shù)據(jù)，必須收到前一臺(tái)設(shè)備的查詢(xún)幀時(shí)，才能將信息進(jìn)行返回或繼續(xù)傳遞到下一設(shè)備上。在485總線(xiàn)中傳輸均以幀為單位，每幀數(shù)據(jù)均由幀頭、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位3部分組成。由主機(jī)向終端發(fā)送幀共有3條命令:地址自動(dòng)分配幀、動(dòng)作保護(hù)傳輸幀、動(dòng)作保護(hù)查詢(xún)幀。由終端或從機(jī)向主機(jī)方向發(fā)送共有4條命令:模塊數(shù)量返回幀、急停動(dòng)作返回幀、無(wú)動(dòng)作應(yīng)答幀、以及超時(shí)應(yīng)答幀。工作方式解析如圖5所示。

自動(dòng)分配幀數(shù)據(jù)包括輸入輸出模塊當(dāng)前地址［7］、皮帶跑偏/急停當(dāng)前地址，主機(jī)地址默認(rèn)0，發(fā)送時(shí)均設(shè)為1。當(dāng)前模塊一端接收此幀數(shù)據(jù)，識(shí)別本機(jī)地址，并將其地址數(shù)據(jù)自加，由另一端發(fā)送至下一從機(jī)，以此達(dá)到自動(dòng)地址分配功能。當(dāng)碰到終端或中繼時(shí)，將返回模塊數(shù)量返回幀回應(yīng)主機(jī)。正常工作時(shí)，主機(jī)定時(shí)進(jìn)行動(dòng)作查詢(xún)，當(dāng)從機(jī)接收到此幀時(shí)，先判斷有無(wú)動(dòng)作保護(hù):若無(wú)，應(yīng)返回?zé)o動(dòng)作應(yīng)答幀;否則返回急停動(dòng)作返回幀。然后繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作查詢(xún)幀，直至終端或中繼結(jié)束。當(dāng)主機(jī)接收到動(dòng)作返回幀時(shí)，讀取有動(dòng)作保護(hù)的急停模塊地址，并發(fā)送動(dòng)作保護(hù)傳輸幀，通知所有急停模塊利用數(shù)碼管閃爍顯示。

超時(shí)應(yīng)答幀主要針對(duì)線(xiàn)路或連接總線(xiàn)某一模塊出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)自動(dòng)檢測(cè)出第幾號(hào)設(shè)備或線(xiàn)路出現(xiàn)故障。由485總線(xiàn)連接方式?jīng)Q定，485網(wǎng)絡(luò)中所有模塊均只能直接與其相鄰模塊通信。由主機(jī)方向傳輸命令幀，當(dāng)一模塊轉(zhuǎn)發(fā)命令幀至下一相鄰模塊時(shí)，正常情況下該模塊會(huì)立即接收下一模塊的回應(yīng)幀。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)仍未收到將重發(fā)3次，仍舊未收到，則判斷下一模塊出現(xiàn)故障?；貞?yīng)超時(shí)應(yīng)答幀，所有模塊均進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，直至主機(jī)，超時(shí)應(yīng)答幀中的數(shù)據(jù)部分為故障模塊的地址。以此實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路故障自動(dòng)檢測(cè)功能［8］。

3.2 CAN總線(xiàn)協(xié)議方案說(shuō)明

CAN網(wǎng)絡(luò)通信，是以485總線(xiàn)功能為基礎(chǔ)。只有在485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)正常工作情況下，即所有模塊地址正常分配，CAN網(wǎng)絡(luò)通信才為有效。CAN通信網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能:(1)局內(nèi)網(wǎng)的所有智能輸入輸出模塊的信息查詢(xún)與控制，不含中繼器。(2)局外網(wǎng)的所有主機(jī)之間通信，包含中繼。

CAN傳輸數(shù)據(jù)包包括4 ByteCAN ID(最低3 bit固定)和8 Byte數(shù)據(jù)，通信數(shù)據(jù)包設(shè)計(jì)如表1所示。網(wǎng)段標(biāo)識(shí)主要規(guī)定此數(shù)據(jù)包為何種網(wǎng)段數(shù)據(jù)包，當(dāng)為局外網(wǎng)數(shù)據(jù)包時(shí)，僅有所有網(wǎng)段內(nèi)主機(jī)和中繼具有接收功能，中繼僅做轉(zhuǎn)發(fā)，主機(jī)具有處理功能。當(dāng)為局內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)包時(shí)，中繼進(jìn)行隔離，其他局內(nèi)網(wǎng)段內(nèi)不能接收其數(shù)據(jù)［9－10］。這也保證了不同網(wǎng)段內(nèi)的從機(jī)模塊，可具有相同地址且不沖突。目的地址與源地址也根據(jù)局內(nèi)包和局外包有所區(qū)別，局外包其地址代表在外網(wǎng)段內(nèi)主機(jī)地址，局內(nèi)網(wǎng)地址為自動(dòng)識(shí)別地址。數(shù)據(jù)類(lèi)型、幀長(zhǎng)度、幀編號(hào)可根據(jù)需要，進(jìn)行設(shè)置，使用靈活且通用。

表1 CAN通信數(shù)據(jù)包定義

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種基于485總線(xiàn)和CAN總線(xiàn)相結(jié)合的通信網(wǎng)絡(luò)，具有自動(dòng)地址分配、故障自動(dòng)檢測(cè)、通用性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試表明，本通信網(wǎng)絡(luò)使用方便、性能良好、簡(jiǎn)單易用，適合井下復(fù)雜環(huán)境的遠(yuǎn)距離傳輸。

［1］杜尚豐.CAN總線(xiàn)測(cè)控技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［2］楊春杰.CAN總線(xiàn)技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［3］陳民龍.礦用電子技術(shù)［M］.北京:北京煤炭工業(yè)出版社，1988.

［4］史麗萍，溫樹(shù)峰，黃延慶.基于CAN網(wǎng)通信的選擇性短路保護(hù)的研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(8):139－142.

［5］李淮江，苗曙光.基于CAN和WSNs的井下皮帶機(jī)打滑保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(12):40－42.

［6］梁紅巖，馬亮，徐琳君.井下皮帶跑偏保護(hù)損壞頻繁問(wèn)題的分析［J］.科技致富向?qū)В?011，29(20):314.

［7］孟趙劉.皮帶機(jī)跑偏原因分析及對(duì)策［J］.科技信息，2010(3):104－154.

［8］廖義奎.Cortex－M3之STM32嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2012.

［9］盧志剛，劉建華，劉寶旭，等.基于HID的USB監(jiān)控技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2010，36(4):1 －3

［10］晁建剛，魏安陽(yáng)，邱淑范.通用串行總線(xiàn)(USB)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2001，27(5):14 －16.