1、引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及應(yīng)用，人們從過(guò)去主要是對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控功能的關(guān)注，轉(zhuǎn)移到對(duì)其數(shù)據(jù)傳輸功能的關(guān)注。人們?cè)絹?lái)越重視數(shù)據(jù)的傳輸，人們希望通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)能在世界的任何角落及時(shí)觀察到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)。目前主要是基于Profibus總線的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，雖然這種常規(guī)的傳輸技術(shù)具有相對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但是它有如下一些缺點(diǎn)不很適于作井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸總線。第一，它是主從結(jié)構(gòu)，不能實(shí)現(xiàn)多主傳輸；第二，它的從節(jié)點(diǎn)都是固定地址，而且只能靜態(tài)設(shè)置；第三，它的節(jié)點(diǎn)的加入不能隨意動(dòng)態(tài)進(jìn)行；第四，它能夠連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量末段最多32個(gè)，加中繼的情況下也最多只能有三段，對(duì)于一些大礦，應(yīng)用受到限制。相比之下，CAN總線技術(shù)具有的結(jié)構(gòu)靈活性，以及它的節(jié)點(diǎn)容量（理論上是無(wú)限制的）十分適用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成特點(diǎn)和使用特點(diǎn)。所以我們選擇CAN總線作為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸技術(shù)。

本文將對(duì)應(yīng)用發(fā)展比較成熟的先進(jìn)的CAN總線技術(shù)，進(jìn)行了深入的研究。在此基礎(chǔ)上提出一個(gè)基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案，并在最后給出實(shí)現(xiàn)該方案的分站通信電路、分支中繼電路的設(shè)計(jì)。

2、CAN總線

CAN （Controller Area Network） 總線，又稱(chēng)控制器局域網(wǎng)，CAN 已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線規(guī)范已被ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，CAN 協(xié)議也是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型基礎(chǔ)上的，主要工作在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。用戶可在其基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)適合系統(tǒng)實(shí)際需要的應(yīng)用層通信協(xié)議，但由于CAN總線極高的可靠性，從而使應(yīng)用層通信協(xié)議得以大大簡(jiǎn)化。

CAN總線采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。各節(jié)點(diǎn)可以像以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)那樣直接掛接在一條主干線上。CAN采用兩芯線纜，有極性連接。CAN總線網(wǎng)絡(luò)也可以通過(guò)一個(gè)三通節(jié)點(diǎn)構(gòu)成層次結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)樹(shù)型拓?fù)?。?duì)于采用電纜介質(zhì)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，總線末端要設(shè)有匹配阻抗，防止反射產(chǎn)生駐波。

CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層決定了實(shí)際位傳送過(guò)程中的電氣特性，在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)的物理層必須保持一致，但可以采用不同方式的物理層。CAN的數(shù)據(jù)鏈路層功能包括幀組織形式，總線仲裁和檢錯(cuò)、錯(cuò)誤報(bào)告及處理，確認(rèn)哪個(gè)信息要發(fā)送的，確認(rèn)接收到的信息及為應(yīng)用層提供了接口。

CAN總線與其他總線相比有如下特點(diǎn)：

（1）、它是一種多主總線，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)均可成為主機(jī)，且節(jié)點(diǎn)機(jī)之間也可進(jìn)行通信；

（2）、通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1Mbps；

（3）、CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作；

（4）、CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接受到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分步式控制中非常重要；

（5）、數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令，工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性；

（6）、CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

基于CAN總線技術(shù)的遠(yuǎn)程分布式智能控制系統(tǒng)，可運(yùn)用在被監(jiān)控單元設(shè)備分散而且間距相對(duì)較遠(yuǎn)，如幾公里范圍內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)監(jiān)控上。主機(jī)與多個(gè)智能終端組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可有效地滿足工業(yè)過(guò)程的自動(dòng)控制需要。

3、CAN總線技術(shù)在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)存在的問(wèn)題

煤礦生產(chǎn)場(chǎng)所的分布大都在幾公里到幾十公里的范圍，對(duì)煤礦生產(chǎn)過(guò)程的安全監(jiān)控遍布各個(gè)生產(chǎn)場(chǎng)所。對(duì)傳輸距離和傳輸速率的改進(jìn)，將提供一個(gè)從根本上保障煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控的時(shí)效性的技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)真正意義的能夠滿足措施及時(shí)落實(shí)到位的實(shí)時(shí)監(jiān)控。從而極大地提高煤礦安全生產(chǎn)的監(jiān)控力度和監(jiān)控效力，保障人民的生命財(cái)產(chǎn)不受損失。

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)在我國(guó)已經(jīng)有多年的研究及應(yīng)用，但其傳輸技術(shù)一直是系統(tǒng)研究中的薄弱環(huán)節(jié)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾匀找嫱怀觥Ｄ壳皣?guó)內(nèi)外煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中所采用的傳輸技術(shù)，存在著以下幾個(gè)方面的問(wèn)題需要進(jìn)一步解決：

（1）、傳輸速率慢

（2）、非標(biāo)準(zhǔn)化

（3）、高速傳輸時(shí)的傳輸距離短

（4）、無(wú)中繼連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)少

（5）、傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性差

3.2 基于CAN總線技術(shù)的問(wèn)題解決方案

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，是一種典型的工業(yè)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。與一般工控系統(tǒng)相比，它具有這樣的特點(diǎn)：系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備分散距離遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備動(dòng)態(tài)變化頻繁，環(huán)境要求防爆。

CAN的多主結(jié)構(gòu)、理論無(wú)限的節(jié)點(diǎn)容量（不存在物理站點(diǎn)編號(hào)問(wèn)題）、位仲裁的總線分配和介質(zhì)訪問(wèn)技術(shù)和額定最大速率1Mbit/s的傳輸速率（實(shí)際傳輸速率在器件和線纜性能允許的情況下可以超過(guò)這個(gè)速率）以及在5Kbit/s傳輸速率下可無(wú)中繼傳輸10公里的傳輸距離等特點(diǎn)，都非常適用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成特點(diǎn)和傳輸要求。

基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、監(jiān)控分站節(jié)點(diǎn)內(nèi)傳輸電路設(shè)計(jì)、分支中繼電路設(shè)計(jì)和傳輸程序設(shè)計(jì)。

3.2.1 基于CAN總線的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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)，共六個(gè)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(lái)的各種井下生產(chǎn)環(huán)境安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并通過(guò)各個(gè)井下分站發(fā)送各種配置命令和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制命令；井下分站負(fù)責(zé)從傳感器收集數(shù)據(jù)、和地面中心站通信、輸出各種控制信號(hào)和在需要的地方同時(shí)充當(dāng)分支中繼器；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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)系統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)采用CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)分三級(jí)結(jié)構(gòu)：中心站——井下分站——傳感器。

圖3 是帶有中繼器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成原理圖。圖中的傳輸系統(tǒng)采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。通信光纖/電纜上傳輸基帶信號(hào)，節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸采用CAN協(xié)議。

圖3 帶有中繼器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成原理圖

3.2.2 安全監(jiān)控分站中CAN總線傳輸電路的設(shè)計(jì)

井下安全監(jiān)控分站是整個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)收集和處理現(xiàn)場(chǎng)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)現(xiàn)就地控制設(shè)備。它更是傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施，各種數(shù)據(jù)的收發(fā)都要通過(guò)它的傳輸電路進(jìn)行。圖4是整個(gè)監(jiān)控分站的原理設(shè)計(jì)。

3.2.3 基于CAN總線的多功能分支中繼電路的設(shè)計(jì)

分支中繼電路完全工作于CAN總線傳輸網(wǎng)絡(luò)的物理層，就是負(fù)責(zé)CAN信號(hào)（NRZ碼）的分接、中繼和光電轉(zhuǎn)換。

由于要滿足CAN總線的按位仲裁功能的實(shí)現(xiàn)，所以在分支中繼電路中要包含能夠?qū)崿F(xiàn)差分輸入輸出并能實(shí)現(xiàn)信號(hào)“線與”的CAN驅(qū)動(dòng)電路，本電路設(shè)計(jì)中選用最常用的CAN驅(qū)動(dòng)電路PC82C250芯片。由于“線與”功能是靠電氣連接實(shí)現(xiàn)的，所以在設(shè)計(jì)光/電分支中繼的時(shí)候，必須將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)兩片CAN驅(qū)動(dòng)電路PC82C250的連接實(shí)現(xiàn)“線與”。

4、總結(jié)

本文根據(jù)目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了用CAN總線構(gòu)建煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)的思想，并實(shí)際完成了基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。經(jīng)模擬比較表明，其傳輸品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)的基于Profibus總線的傳輸技術(shù)。

本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn)：本文提出的基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案，它具有的靈活性結(jié)構(gòu)，以及它的節(jié)點(diǎn)容量（理論上是無(wú)限制的）十分適用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成特點(diǎn)和使用特點(diǎn)，其傳輸品質(zhì)和整體性能優(yōu)于常規(guī)的基于Profibus總線的傳輸技術(shù)。

責(zé)任編輯：gt