基于CAN總線煤礦瓦斯智能節(jié)點(diǎn)的研究與設(shè)計(jì)

摘要：煤礦瓦斯氣體監(jiān)測的系統(tǒng)是保證煤礦生產(chǎn)安全的必備設(shè)備，分析國內(nèi)外煤礦瓦斯氣體監(jiān)測系統(tǒng)特點(diǎn)，提出基于CAN總線煤礦瓦斯氣體監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。著重介紹以P80C592單片機(jī)作為CAN總線煤礦瓦斯智能節(jié)點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)CAN總線通信接口電路、MAX306數(shù)據(jù)采集電路以及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)等。通過研究設(shè)計(jì)表明智能節(jié)點(diǎn)具有簡單明了、體積小、性能高、成本低廉、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足煤礦瓦斯氣體監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求。
關(guān)鍵詞：CAN總線；瓦斯；傳感器；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言
    我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，也是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能源的國家之一。煤炭中含有大量的甲烷(CH4)等易燃易爆氣體，它是瓦斯形成的主要成分，發(fā)生瓦斯事故后會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，危及礦工的生命。隨著煤礦開采技術(shù)手段的不斷改進(jìn)和開采規(guī)模的擴(kuò)大及開采深度的不斷延伸，安全隱患越來越多，特別是重大、特大瓦斯事故在煤礦事故中所占的比例也越來越高。如果不控制住瓦斯事故，就不能實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)狀況的穩(wěn)定，也就無法保障煤炭工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。所以，對煤礦井下瓦斯氣體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的監(jiān)測顯得尤其重要，對易燃易爆混合氣體監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)也成為重中之重。
    世界各國也均有煤礦瓦斯氣體監(jiān)測的系統(tǒng)，如波蘭的DAN6400、法國的TF200、德國的MINOS和英國的Senturion-200等，其中全礦井綜合監(jiān)測控制系統(tǒng)有代表性的產(chǎn)品有美國MSA公司生產(chǎn)的系統(tǒng)，德國BEBRO公司的PROMOS系統(tǒng)。但是這兩種系統(tǒng)只是基于井下監(jiān)測，并無數(shù)據(jù)上傳，不能實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控。我國監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚，20世紀(jì)80年代初，從波蘭、法國、德國、英國和美國等引進(jìn)了一批安全監(jiān)測系統(tǒng)，裝備了部分煤礦；在引進(jìn)的同時(shí)，通過消化、吸收并結(jié)合我國煤礦的實(shí)際情況，先后由重慶煤科院、遼寧撫順煤科院等國內(nèi)知名煤礦科學(xué)研究所研制出KJ2，KJ4，KJ5，KJ10，KJ13，KJ19，KJ38，KJ66，KJ75，KJ80，KJ92，KJ95，KJ101等煤礦有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)，在我國煤礦已有大量使用，但其中很大一部分儀表的傳輸數(shù)據(jù)是模擬方式，將氣體濃度轉(zhuǎn)化為脈沖量，易受礦井下強(qiáng)電磁設(shè)備干擾，造成監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確，易出現(xiàn)誤報(bào)警等現(xiàn)象。
    鑒于此提出基于CAN總線研究設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，工作原理如下，每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)測64點(diǎn)瓦斯，每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)把監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)做出決定。上位機(jī)系統(tǒng)采用PCI總線工業(yè)控制機(jī)和CAN總線接口通信卡，軟件采用VB或組態(tài)軟件編寫應(yīng)用程序，下位機(jī)(也稱遠(yuǎn)程智能節(jié)點(diǎn))采用單片機(jī)設(shè)計(jì)，下面著重研究設(shè)計(jì)智能節(jié)點(diǎn)。

    CAN總線直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)到10 km(速率在5KB／s以下)，在通信距離為40 m以內(nèi)時(shí)，通信速率最高可達(dá)到1Mb／s。CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)到110個(gè)，如果需要更多節(jié)點(diǎn)，可以利用中繼器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加和傳輸距離的延長。

1 智能測控節(jié)點(diǎn)的硬件組成
    CAN總線智能測控節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。硬件組成主要由P80C592單片機(jī)、多路轉(zhuǎn)換器、可燃?xì)鈧鞲衅鳌AN總線電路組成。

1．1 智能節(jié)點(diǎn)的CAN總線通信接口電路設(shè)計(jì)
    CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)如圖3所示，為CAN總線通信硬件電路原理圖。圖3可以看出，電路主要由三部分所構(gòu)成：P80C592芯片、高速CAN總線收發(fā)器TJAl050和高速光電耦合器6N137。

    P80C592是Philips公司采用先進(jìn)的COMS工藝制造的高性能8位單片機(jī)。該單片機(jī)的指令集與80C51完全兼容，但在80C51標(biāo)準(zhǔn)特性的基礎(chǔ)上又增加了一些對于應(yīng)用具有重要作用的硬件功能。該器件具有下列特性：帶有80C51中央處理單元(CPU)；帶2×256 KB的片內(nèi)RAM，外部可擴(kuò)展至64 KB；具有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；新增一個(gè)包括四個(gè)捕獲和三個(gè)比較寄存器的16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；具有8路模擬量輸入的10位ADC變換器；帶有兩路分辨率為8位的脈沖寬度調(diào)制輸出；具有兩級優(yōu)先權(quán)的15個(gè)中斷源(可以有2～6個(gè)外部中斷源)；具有五組8位I／O端口和一組與ADC模擬量輸入共用的8位輸入口；帶有與內(nèi)部RAM進(jìn)行DMA數(shù)據(jù)傳送的CAN控制器；內(nèi)含具有總線故障管理功能的1 Mb／s CAN控制器；VDD／2基準(zhǔn)電壓；具有與標(biāo)準(zhǔn)80C51兼容的全雙工UART模式；帶有在片監(jiān)視跟蹤定時(shí)器(WDT)；時(shí)鐘頻率為1．2～16 MHz。
1．2 MAX306數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)
    MAX306是由Maxim Integrated Products公司生產(chǎn)的16通道CMOS模擬多路轉(zhuǎn)換器，是一款16選1模擬開關(guān)。使用時(shí)注意不用引腳一定要處理，一般通過電阻接地。導(dǎo)通速率O．2μs，雙電源，漏電流2 nA。由于P80C592單片機(jī)具有8路模擬量輸入的10位ADC變換器，用4個(gè)MAX306和P80C592單片機(jī)4路模擬量輸入的10位ADC306變換器連接，可以組成64點(diǎn)瓦斯監(jiān)測，MAX306和P80C592單片機(jī)連接如圖4所示。

1．3 氣體傳感器KGS-20
    該設(shè)計(jì)用KGS-20型可燃?xì)鈧鞲衅饕远趸a為基本敏感材料，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，專門用于可燃?xì)鉂舛葯z測的一種半導(dǎo)體型氣體傳感器。它的基本特征是：極高靈敏度和極快的響應(yīng)速度，且功耗低。KGS-20型可燃?xì)鈧鞲衅鬟m用于對瓦斯等可燃?xì)鉂舛鹊臋z測，用于瓦斯報(bào)警器，可燃?xì)鈭?bào)警器，瓦斯檢測儀等。KGS-20型可燃?xì)鈧鞲衅鹘?jīng)過信號調(diào)理連接到16選1模擬開關(guān)MAX306。

2 智能測控節(jié)點(diǎn)的軟件組成
    CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分：CAN節(jié)點(diǎn)的初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。熟悉這三部分的設(shè)計(jì)，就能編寫出利用CAN總線進(jìn)行通信的一般應(yīng)用程序。
    當(dāng)然，如果要將CAN統(tǒng)中，還需詳細(xì)了解有關(guān)CAN總線的錯(cuò)誤處理、總線關(guān)閉處理、驗(yàn)收濾波處理、波特率參數(shù)設(shè)置和自動(dòng)檢測以及CAN總線通信距離和節(jié)點(diǎn)數(shù)的計(jì)算等方面的內(nèi)容。CAN智能測控節(jié)點(diǎn)流程如圖6所示，按照流程圖利用匯編語言或C51編寫相應(yīng)的程序。

3 結(jié)語
    基于CAN總線64路煤炭瓦斯氣體傳感器可燃?xì)怏w監(jiān)測技術(shù)是信息采集與CAN網(wǎng)絡(luò)通信相結(jié)合的產(chǎn)物，用以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、分析和通信等多種功能，但是由于CAN總線沒有防爆功能，所以設(shè)計(jì)一定要考慮加防爆隔離柵。
    利用P80C592單片機(jī)本身具有模擬量輸入的10位ADC變換器和帶有與內(nèi)部RAM進(jìn)行DMA數(shù)據(jù)傳送的CAN控制器，減小了體積。該設(shè)計(jì)具有簡單明了、性能高、成本低廉、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。