基于CAN與485總線的煤礦通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

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)逐步實現(xiàn)了智能化、自動化，及井下環(huán)境遠程監(jiān)測與控制。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)均采用有線總線構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)設(shè)計采用CAN總線［1－2］與485總線相結(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)具有自動地址分配、狀態(tài)查詢、安全措施控制的功能。且通過適當距離增加中繼，實現(xiàn)理論上無限數(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)、井下工控機兼主機模塊、智能輸入輸出模塊、中繼模塊、皮帶急停開關(guān)、終端模塊、井下各類保護傳感器、井下安全措施裝置及防爆電話。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，來滿足當時井下環(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)具有自動組網(wǎng)能力，將其所有必要的模塊進行入網(wǎng)通信。且本系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活性和數(shù)目、位置無限制的特點，因此圖1僅展示了井下網(wǎng)絡(luò)的其中一部分。

基于CAN總線與485總線相結(jié)合的自動組網(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)是指由主機模塊為中心，具有雙CAN總線與雙485總線，每條總線均可接入有限個智能輸入輸出模塊、皮帶急停模塊，且同時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，連接入網(wǎng)時需將接入本模塊其中之一的485總線接口，并從另一485總線接出。當總線一側(cè)不再連接任何模塊時，需接入終端模塊。中繼也具有雙CAN總線用來連接所有局內(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

主機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、3～5路串口等資源。主機模塊具有雙CAN總線和雙485總線，在沒有中繼的前提下使其傳輸距離增加1倍，同時也為局內(nèi)網(wǎng)中心節(jié)點的設(shè)計提供可能。中繼也同時具有雙CAN總線，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，同時采用光電隔離技術(shù)將總線信號與板載處理器進行隔離。同時為保證總線的可靠性及抗干擾性，對總線的設(shè)計進行過流保護、過壓保護、匹配電阻和TVS管箝制等相關(guān)措施。CAN總線收發(fā)器的電路設(shè)計如圖3所示。為增加485總線的靈活性，通過增加三極管作為電子開關(guān)，實現(xiàn)了485芯片自動收發(fā)使能功能，其總線收發(fā)器的電路設(shè)計如圖4所示。

圖3 CAN總線收發(fā)器原理圖

圖4 485總線收發(fā)器原理圖

此外每臺主機模塊均配置一臺工控機，采用USB HID設(shè)備協(xié)議與主機模塊通信，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控，其他所有模塊均無操控功能。智能輸入輸出模塊采用低濕液晶顯示，可顯示當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、開關(guān)量輸入、頻率輸入，同時開關(guān)量和頻率輸入管腳重合，具有自動識別功能。皮帶跑偏/急停模塊采用兩位數(shù)碼管顯示當前地址，當數(shù)碼管閃爍時，所有跑偏/急停模塊顯示同一地址，表明此地址有動作反應(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

主機模塊是局內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，其具有自動地址分配、自動查詢和自動控制等功能，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。這里需強調(diào)，主機具有雙地址，局內(nèi)網(wǎng)段內(nèi)默認均為0，由于所有主機模塊均配有工控機，而局外網(wǎng)地址需手動配置。

智能輸入輸出模塊的主要功能是檢測并控制連接本模塊上所有傳感器和安全控制措施。通過自動分配的地址，可與主機通信，及時反饋當前環(huán)境或響應(yīng)主機命令。皮帶急停模塊是獨立于所有模塊的較高優(yōu)先級的手動控制模塊，僅采用485總線進行通信，同時可顯示其他模塊發(fā)生急停操作的地址編號。

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

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

CAN總線主要用于與所有智能輸入輸出模塊進行通信，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)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程查詢及控制功能。通過中繼和其他局內(nèi)網(wǎng)進行通信實現(xiàn)遠程操作功能。

圖5 工作方案解析

3.1 485總線協(xié)議方案說明

485通信方式全部為查詢方式，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，所有從機均不主動自行發(fā)送數(shù)據(jù)，必須收到前一臺設(shè)備的查詢幀時，才能將信息進行返回或繼續(xù)傳遞到下一設(shè)備上。在485總線中傳輸均以幀為單位，每幀數(shù)據(jù)均由幀頭、數(shù)據(jù)和校驗位3部分組成。由主機向終端發(fā)送幀共有3條命令:地址自動分配幀、動作保護傳輸幀、動作保護查詢幀。由終端或從機向主機方向發(fā)送共有4條命令:模塊數(shù)量返回幀、急停動作返回幀、無動作應(yīng)答幀、以及超時應(yīng)答幀。工作方式解析如圖5所示。

自動分配幀數(shù)據(jù)包括輸入輸出模塊當前地址［7］、皮帶跑偏/急停當前地址，主機地址默認0，發(fā)送時均設(shè)為1。當前模塊一端接收此幀數(shù)據(jù)，識別本機地址，并將其地址數(shù)據(jù)自加，由另一端發(fā)送至下一從機，以此達到自動地址分配功能。當碰到終端或中繼時，將返回模塊數(shù)量返回幀回應(yīng)主機。正常工作時，主機定時進行動作查詢，當從機接收到此幀時，先判斷有無動作保護:若無，應(yīng)返回無動作應(yīng)答幀;否則返回急停動作返回幀。然后繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)動作查詢幀，直至終端或中繼結(jié)束。當主機接收到動作返回幀時，讀取有動作保護的急停模塊地址，并發(fā)送動作保護傳輸幀，通知所有急停模塊利用數(shù)碼管閃爍顯示。

超時應(yīng)答幀主要針對線路或連接總線某一模塊出現(xiàn)故障時，會自動檢測出第幾號設(shè)備或線路出現(xiàn)故障。由485總線連接方式?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。由主機方向傳輸命令幀，當一模塊轉(zhuǎn)發(fā)命令幀至下一相鄰模塊時，正常情況下該模塊會立即接收下一模塊的回應(yīng)幀。若在規(guī)定時間內(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。回應(yīng)超時應(yīng)答幀，所有模塊均進行轉(zhuǎn)發(fā)，直至主機，超時應(yīng)答幀中的數(shù)據(jù)部分為故障模塊的地址。以此實現(xiàn)線路故障自動檢測功能［8］。

3.2 CAN總線協(xié)議方案說明

CAN網(wǎng)絡(luò)通信，是以485總線功能為基礎(chǔ)。只有在485總線網(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)主要實現(xiàn)兩個功能:(1)局內(nèi)網(wǎng)的所有智能輸入輸出模塊的信息查詢與控制，不含中繼器。(2)局外網(wǎng)的所有主機之間通信，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)計如表1所示。網(wǎng)段標識主要規(guī)定此數(shù)據(jù)包為何種網(wǎng)段數(shù)據(jù)包，當為局外網(wǎng)數(shù)據(jù)包時，僅有所有網(wǎng)段內(nèi)主機和中繼具有接收功能，中繼僅做轉(zhuǎn)發(fā)，主機具有處理功能。當為局內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)包時，中繼進行隔離，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)主機地址，局內(nèi)網(wǎng)地址為自動識別地址。數(shù)據(jù)類型、幀長度、幀編號可根據(jù)需要，進行設(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

介紹了一種基于485總線和CAN總線相結(jié)合的通信網(wǎng)絡(luò)，具有自動地址分配、故障自動檢測、通用性較強等優(yōu)點。經(jīng)測試表明，本通信網(wǎng)絡(luò)使用方便、性能良好、簡單易用，適合井下復(fù)雜環(huán)境的遠距離傳輸。

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