基于Can总线瓦斯智能传感器的通信应用研究

基于Can总线瓦斯智能传感器的通信应用研究[摘要]目前制约煤炭发展的主要问题是煤矿安全问题。

而瓦斯事故又是煤矿
安全中的重中之重。

煤矿瓦斯气体监测的系统是保证煤矿生产安全的必备设备，本文针对矿井瓦斯监控的特点，分析了当前流行的现场总线特点，提出基于CAN 总线煤矿瓦斯气体监测的网络系统。

着重介绍智能传感器的中央处理单元所用单片机为AT89S51作为CAN总线煤矿瓦斯智能节点，研究设计CAN总线通信接口与智能节点的接口设计等。

通过研究设计表明智能节点具有简单明了、体积小、性能高、成本低廉、抗干扰能力强等特点，能够满足煤矿瓦斯气体监测的网络系统要求。

[关键词]传感器；can总线；网桥；单片机
现场总线是应用于过程自动化和制造自动化中的，实现现场智能化设备与高层设备之间互联的，全数字、串行、双向的通信网络，通过该技术可以实现跨网络的分布式控制。

现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，其作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。

现场总线不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布式的控制系统。

现场总线是以智能传感器、控制、计算机、数据通信等为主要内容的综合技术具有节省硬件数量和投资、节省安装费用、节省维护开销、使用户具有高度的系统集成主动权以及提高了系统的准确性和可靠性等优点。

所以其受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。

目前，现场总线种类众多而且没有统一的标准，根据瓦斯监测监控系统要求，在众多现场总线中，以下几种比较适合矿井应用：
（1）RS-485总线
RS-485总线协议是目前工业现场常用的总线之一。

该总线数据信号采用差分传输方式，最大传输距离约为1.2km（速率100kb／s），最大传输速率为10Mb ／s。

RS-485工作模式为半双工，同一时刻总线上只能有一个节点发送数据，不能实现多主结构，如果有两个以上节点同时发送数据，总线将会因“短路”而出现问题。

所以，RS-485协议只能用于构建较小的实时性要求较低的网络。

（2）基金会现场总线
现场总线基金会制定的现场总线，是世界公认的现场总线标准，分为低速网络和高速网络两种。

基金会现场总线具有网络结构灵活、传输介质多样、实时性强、速率高等优点，但是其最大传输距离仅为1900m，所以只可用于规模较小的矿井瓦斯监控系统。

（3）局域操作网络LONWORKS
LONWORKS是美国Echelon公司推出的监控网络，在工业控制领域获得了广泛应用。

其具有灵活的网络结构、开放的传输介质、较长的传输距离等优点，所以较适合煤矿使用。

（4）控制器局域网络CAN
CAN是一种无主局域网络，其具有优良的性能，现已被广泛应用于监控领域，并已成为国际标准化组织15011898标准。

该总线从传输距离、抗干扰性、传输介质等方面都与矿井监控系统要求接近，相对前面几种是最适合煤矿领域使用的。

通过对比以上几种现场总线，从安全性、可靠性、方便性、经济性、及时性等多角度出发，本文选用CAN总线技术来实现智能传感器与上位机的通信功能。

基于CAN总线的矿井瓦斯监测网络结构
本文在解决智能网桥工作可靠性的情况下采用了分段型网络结构。

CAN总线在传输速率为5kbps时，传输距离达10km，这是其它任何总线技术无法比拟的，尽管很优越，但在有些场合下，如传输距离在几十公里时，仍然难以满足要求。

例如在煤矿井下，特别是一些老矿井，最远的工作面距离井筒位置可达四五十多公里。

另外，一个CAN总线驱动器所允许节点最多为110点，在复杂、大型的监控系统中，这显然是难以满足需要的。

所以，为了解决CAN总线远距离通信问题，本方案采用了CAN网桥优化通信网络，进而大大扩展了通讯距离。

与中继器相比，网桥能检查出一些故障，如果由于闪电而导致其中一个网段上有电干扰网桥会接收到一个不正确的帧，就会丢弃该帧。

类似地，网桥不会把从一个网段传送来的冲突信号传送到另一个网段。

因此，网桥会把故障控制在一个网段中而不会影响到另一个网段。

系统网络结构图如图1：
在保证网络可靠工作的和降低成本的条件下，考虑到通用性、实时性和可扩展『生等特点，网络主要由上位PC机、网桥和智能模糊瓦斯传感器系统组成。

通讯介质采用双绞线。

根据巷道分布情况，布置了多个智能模糊瓦斯传感器，分别位于大巷、槽、综采工作面和连采掘进工作面等地。

智能模糊瓦斯传感器通过CAN总线将信息传送给上位机。

CAN网桥设计
由前所述可知，为了解决CAN总线远距离通信问题，本文使用了CAN网桥。

网桥硬件结构图如下图2所示。

CAN网桥主要由AT89S51和两路CAN控制器接口组成。

AT89S51作为CAN 网桥的中央控制器，负责整个网桥的监控任务。

两路CAN控制器接口电路基本相同，都是由CAN通信控制器SJA1000、光耦6N137电路和CAN总线收发器PCA82C250组成。

CAN总线驱动器都采用带隔离的DC／DC模块单独供电，不仅实现了两路CAN接口之间的电气隔离，也实现了网桥与CAN总线的隔离。

智能瓦斯传感器与CAN总线接口设计：
智能模糊瓦斯传感器通讯单元接口模块如图5.3所示。

由于智能传感器的中央处理单元所用单片机为AT89S51自身不带有CAN控制器模块，所以需要外部扩展CAN控制器。

CAN控制器模块经高速光耦隔离后与CAN收发器相连，进而连接到CAN总线上与上位机通信。

智能传感器通讯单元硬件接口电路如图4所示。

CAN协议控制器采用SJA1000芯片。

SJA1000的串行数据输出线（TX）和串行数据输入线（RX）分别通过光电隔离电路连接到收发器PCA82C250。

PCA82C250通过有差动发送和接收功能的两个总线终端CANH和CANL连接到总线电缆。

输出Rs用于模式控制。

参考电压输出V的输出电压是0.5*额定V。

其中，PCA82C250的额定电源电压是5V。

本文基于CAN总线实现了智能模糊瓦斯传感器与上位机的通讯功能。

首先介绍了总线技术的技术特点及优势，并通过对比几种常用的总线技术选择了CAN总线技术，之后重点设计了系统总体网络结构CAN网桥和智能传感器与CAN的接口单元。

通过CAN总线智能模糊瓦斯传感器与上位机之间通信率高，出错率也极低，实时性好，极大地增强系统的可靠性，使系统的性价比有较大的提高。

利用P80C592单片机本身具有模拟量输入的10位ADC变换器和带有与内部RAM进行DMA数据传送的CAN控制器，减小了体积。

该设计具有简单明了、性能高、成本低廉、抗干扰能力强等特点。

基于CAN总线64路煤炭瓦斯气体传感器可燃气体监测技术是信息采集与CAN网络通信相结合的产物，用以实现现场数据的采集、分析和通信等多种功能，但是由于CAN总线没有防爆功能，所以设计一定要考虑加防爆隔离栅。

综上所述，CAN总线技术必是煤矿监测监控系统互联网的发展趋势。