引言

在煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中，井下監(jiān)控分站擔(dān)負(fù)著非常重要的作用。本設(shè)計(jì)研制的安全監(jiān)控分站，以微處理機(jī)AT89S52為核心，配置8路頻率量入口，與礦用傳感器連接，以采集各種測量數(shù)據(jù)。監(jiān)控分站的8路開關(guān)量輸出口與執(zhí)行器連接可實(shí)行自動(dòng)斷電控制。監(jiān)控分站通過CAN總線與中心站計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，克服了傳統(tǒng)煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)總線的缺陷，能夠滿足礦井監(jiān)控系統(tǒng)對監(jiān)控分站的要求。

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)由地面中心站、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)站、分支中繼器、井下監(jiān)控分站和各種傳感器，以及通信介質(zhì)六部分組成。其中中心站負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)和顯示從井下監(jiān)控分站傳來的各種井下生產(chǎn)環(huán)境安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并通過各個(gè)井下分站發(fā)送各種配置命令和對現(xiàn)場設(shè)備的控制命令;網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線協(xié)議和中心站計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換;分支中繼器在需要的地方完成通信線路的分支、中繼和介質(zhì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換;傳感器負(fù)責(zé)收集各種現(xiàn)場環(huán)境安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù);通信介質(zhì)負(fù)責(zé)安全監(jiān)控系統(tǒng)各設(shè)備的連接和信息的傳遞。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)分三級結(jié)構(gòu)：中心站—井下分站—傳感器。傳輸介質(zhì)根據(jù)傳輸距離不同，可分段采用不同線纜，長距離用光纖不加中繼器，或用電纜加中繼器，短距離則可只用電纜不加中繼器。如果連接的節(jié)點(diǎn)總數(shù)大于110個(gè)，則也需加中繼器。圖1是帶有中繼器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)組成原理圖。

圖1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

圖2監(jiān)控分站硬件框圖

圖3 安全監(jiān)控分站軟件流程圖

安全監(jiān)控分站硬件結(jié)構(gòu)

井下安全監(jiān)控分站是安全監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)采集和處理現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)等方面的安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并能實(shí)時(shí)地控制設(shè)備。同時(shí)它也是傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施，各種數(shù)據(jù)都要通過它與地面中心站進(jìn)行通訊。圖2是監(jiān)控分站的原理圖。

在圖2中，二線制輸入電路和三線制輸入電路負(fù)責(zé)對來自傳感器的8路頻率信號(hào)（200Hz~1000Hz）進(jìn)行整形，從而得到波形、電平規(guī)范的方波信號(hào)。光耦電路則主要負(fù)責(zé)信號(hào)的隔離，消除共模電壓的影響并遏制過程通道上的一些脈沖干擾，從而提高系統(tǒng)的信噪比。單片機(jī)通過多路選擇器（8選1開關(guān)）定時(shí)巡檢8路信號(hào)，對得到的數(shù)字量進(jìn)行判斷和運(yùn)算，進(jìn)而用得到的控制量，去自動(dòng)控制繼電器的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對井下設(shè)備的控制。利用CH451L芯片驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管循環(huán)顯示8路信號(hào)的頻率、通道號(hào)、通道類型以及線路狀態(tài)等。CAN總線和RS-232總線把單片機(jī)根據(jù)主站命令采集的安全監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。74HC373除了擴(kuò)展片外RAM，以用來存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)外，還進(jìn)行了P0口擴(kuò)展，從而使分站能夠根據(jù)主站發(fā)來的命令允許對繼電器的狀態(tài)進(jìn)行手動(dòng)控制。系統(tǒng)中的紅外接口，主要用來實(shí)現(xiàn)對分站的就地遙控、更改分站通道號(hào)，以及對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位等。

安全監(jiān)控分站軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。在整個(gè)軟件流程中，測頻中斷的優(yōu)先級最高，以保證測頻的精度。CAN通信的中斷優(yōu)先級次之，RS-232中斷的優(yōu)先級最低。

為保證主站與分站通信的實(shí)效性，本設(shè)計(jì)完成測頻中斷服務(wù)僅需13個(gè)機(jī)器周期，而信號(hào)的周期比機(jī)器周期大數(shù)千倍，從而大大減小了主站在測頻中斷服務(wù)期間與分站進(jìn)行通信的概率。

在本設(shè)計(jì)中，已知來自傳感器的信號(hào)的頻率范圍為200Hz~1000Hz，信號(hào)的周期為1ms~5ms，而機(jī)器周期為0.0005ms，故主站與分站在測頻中斷響應(yīng)期間進(jìn)行通信的概率為0.12~0.60%，即主站與分站進(jìn)行通信的實(shí)效率為99.40~99.88%，完全能夠滿足安全生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

測頻技術(shù)

通常使用的單片機(jī)的測頻方法有兩種：直接測頻法和測周期的方法。本設(shè)計(jì)中選用了測周期的方法，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中被測信號(hào)的頻率較低，用測周期的方法精度較高，而且實(shí)時(shí)性強(qiáng)、測頻時(shí)間短，即使主站與分站每隔400ms通信一次，也能夠完成測頻的功能。

根據(jù)頻率計(jì)算公式得到周期法測頻公式，式中，TO為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖周期時(shí)間，由單片機(jī)主脈沖經(jīng)12分頻得到，N為計(jì)數(shù)器在測周期期間的計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)晶振振蕩頻率為24MHz時(shí)，定時(shí)器的計(jì)數(shù)脈沖周期時(shí)間為0.5?s，測量最大絕對誤差為信號(hào)前后邊界之差共1?s。對于周期為1ms~5ms（頻率200Hz~1000Hz）的信號(hào)，最大誤差折算成頻率約為0.002Hz~0.01Hz，所以，頻率測量精度可達(dá)到0.001Hz~0.01 Hz。

CAN總線通訊技術(shù)

CAN 總線通信是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的重要部分。通信過程主要包括發(fā)送和接收部分，本設(shè)計(jì)中兩部分都設(shè)置成了中斷方式而不是查詢方式，可以把它們做成模塊，采用調(diào)用子程序的方式來訪問。

發(fā)送子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的發(fā)送，發(fā)送時(shí)用戶只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成一幀報(bào)文送入SJA1000發(fā)送緩存區(qū)中，然后啟動(dòng)SJA1000發(fā)送即可。但在往SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)送報(bào)文之前，必須先作一些判斷。程序如下：

MOV DPTR，#CAN_SR ;狀態(tài)寄存器

WS0： MOVX A，@DPTR ;從SJA1000讀出狀態(tài)寄存器值

JNB ACC.3，WS0 ;判斷上次發(fā)送是否完成

WS1： MOVX A，@DPTR ;

JNB ACC.2，WS1 ;判斷發(fā)送區(qū)是否鎖定

CAN總線通訊的發(fā)送模塊根據(jù)用戶制定的應(yīng)用層協(xié)議，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)分類、拆解、合并，確定發(fā)送對象，然后根據(jù)CAN的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議填寫到CAN數(shù)據(jù)幀的各個(gè)場，并發(fā)送出去。發(fā)送程序分為發(fā)送遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀兩種，遠(yuǎn)程幀無數(shù)據(jù)場。

接收子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的接收以及其它情況。接收子程序比發(fā)送子程序要復(fù)雜一些，因?yàn)樵谔幚斫邮請?bào)文的過程中，同時(shí)要對諸如總線脫離、錯(cuò)誤報(bào)警、接收溢出等情況進(jìn)行處理。SJA1000報(bào)文的接收主要有兩種方式：中斷接收和查詢接收，考慮到對通信的實(shí)時(shí)性要求很強(qiáng)，本設(shè)計(jì)采用中斷接收方式。

接收模塊的工作與發(fā)送模塊相反，首先進(jìn)行接收濾波，確認(rèn)該幀數(shù)據(jù)是否接收。如果接收，先按照數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議拆解數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)提取出來，再根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議確定數(shù)據(jù)的具體含義，進(jìn)行相應(yīng)的處理。CAN信息幀共有4種：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀和超載幀。其中，數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)由發(fā)送器傳至接收器。一個(gè)數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同場構(gòu)成。其中仲裁場由標(biāo)識(shí)符ID和RTR構(gòu)成。

結(jié)語

本文以微處理器AT89S52為核心，設(shè)計(jì)的KJ122型煤礦安全監(jiān)控分站，通過CAN總線、RS-232總線，在定制的KJ122型煤礦監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)議下與中心站計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、互操作性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，目前已投入實(shí)用。

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