基于CAN总线的煤矿安全监控系统设计

doi ：10.11799/ce201903007
收稿日期：2018－05－18
作者简介：王其轩（1996—），男，江苏镇江人，研究方向：嵌入式微计算机控制系统设计，E －mail ：wzyjsdx@ 。

通讯作者：陈北辰（1980—），男，辽宁西丰人，硕士，讲师，主要从事油田、煤矿领域智能检测与控制、光电技术科研
和教学工作。

引用格式：王其轩，陈北辰．基于CAN 总线的煤矿安全监控系统设计［
J ］．煤炭工程，2019，51（3）：28－32．基于CAN 总线的煤矿安全监控系统设计
王其轩，陈北辰
（吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林
132022）
摘要：提出了一种以CAN 总线为各现场设备之间的通信网络、以AT89C51为智能节点控制
芯片的煤矿安全监控系统；设计了该系统的整体结构，重点阐述了CAN 总线智能节点的硬件电路实现和软件设计的过程。

实验调试结果表明，文中所设计的系统具有结构简单、易于扩充、可靠性高等特点，因此具有一定的工程实际应用价值。

关键词：远程监控；CAN 总线；智能节点；AT89C51中图分类号：TD76
文献标识码：A
文章编号：1671－0959（2019）03－0028－05
Design of Monitoring and Control System of Coal Mine
Safety Based on CAN Field Bus
WANG Qi －xuan ，CHEN Bei －chen
（College of Information and Control Engineering ，Jilin Institute of Chemical Technology ，Jilin 132022，China ）
Abstract ：A coal －mine safety monitoring and control system is put forward ，which takes CAN bus as the communication network among field equipment ，and AT89C51as controller of intelligent node．The overall system architecture is presented ，and the hardware circuit realization of intelligent node as well as the software design process is introduced．The designed system is simple ，flexible and reliable ，which has application value in engineering practice．
Keywords ：remote monitoring and controlling ；CAN field bus ；intelligent node ；AT89C51
煤矿安全监控系统的主要任务是及时、准确地对井下甲烷、风速、一氧化碳、温度、负压、含水层水位等环境参数及有关生产环节的机电设备运行状态（如设备开停、风扇转速及风门风量等）的实时监测、报警，并在紧急情况下使煤矿井下某些电器设备断电，停止运行。

煤矿安监系统的运行环境尤其是井下部分非常恶劣，监测点分散、监测种类多、测点数量大、通信距离远，且对系统的实时性和可靠性要求极高。

而CAN （Controller Area Network ）总线是一种现场设备与控制室之间的全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点和多站的通信系统，适合构建以多点工作方式、设备布局分散、监控测点多、参数多的分布式控制系统
［1，2］。

CAN 总线系统具有很高的实
时性和可靠性，可以满足煤矿安全监控的要求。

论文提出一种基于CAN 总线的煤矿安监系统的设计方案。

该方案采用AT89C51单片机为主控芯片，设计现场智能节点，对井下环境参数和工矿参数进行实时采集、就地数据处理并显示以及设备控制等，通过CAN 总线实现对采集到的参数进行远距离传输，地面监控计算机完成对各节点传来的参数显示、报警和故障分析等项工作。

1监控系统的总体结构
根据欲实现的安监功能，设计该系统的整体结
构如图1所示。

由图1可见，该系统主要由地面监控系统、现场智能节点、通信介质、USBCAN 接口卡等组成。

地面监控系统包括监控室PC 监测子系统和地面远程中心站监测系统等；现场智能节点是该系统的关键部分，完成数据采集、处理和数据收发，
第51卷第3期
煤
炭工程
COAL ENGINEEＲING
Vol.51，No.3
由单片机和CAN通信控制器组成，通过编程设置工作方式、ID地址、波特率等参数；CAN总线采用双绞线作为通信介质，通信距离可达10km［3］。

位于矿井下的各智能节点采集来自各种矿用传感器的输出参数，参数经运算后就地显示、报警并控制，同时通过节点数据收发电路送到CAN总线，向井上监控室PC传输信息。

监控PC对节点传来的数据进行处理和分析并显示给操作人员，还完成各种参数的记录和回放，并进一步发送到远处的监控中心站，实现各矿井的集中监控和信息共享［4］。

图1系统整体结构图
2硬件核心单元设计
2.1智能数据采集、控制系统的设计
现场数据采集及就地显示并控制，由智能节点中的AT89C51与外围模拟、数字量采集电路组成，用单片机小型测控系统得以实现。

采集系统的结构如图2所示，节点主控单片机AT89C51采集到来自各现场传感器的模拟量、开关量信号后，经过处理和分析，以两种方式输出：一是送给液晶显示器显示；二是用CAN总线发送给井口的数据收发器。

在紧急情况下，控制输出模块通过接触器切断井下设备的电源。

图2采集系统的结构框图
2.1.1模拟量的采集
用多路开关CD4051控制对16路模拟输入信号轮流扫描检测，并送到12位逐次逼近型快速A－D 转换器AD574进行模－数转换，模－数转换后的12位数字量送到单片机P1口。

甲烷等电流输出型传感器输出4 20mA的电流，然后通过电流、电压变送器，转变为0 5V的电压信号后，再输入CD4051，送入单片机的数字量，与该通道的浓度给定值相比较。

当甲烷浓度超过给定值时，系统发出声光报警，并显示此时的浓度值，同时打开相应的大功率排风机，以降低甲烷的浓度，防止事故的发生。

2.1.2开关量的采集
为了对井下机电设备的开停状态进行监测，需要采集来自机电设备的开停传感器的开关量信号。

矿用开停传感器输出信号为恒流0/5mA，设计的开关量信号的采集电路如图3所示。

2.1.3现场显示与控制输出电路
显示与控制框图如图4所示，现场采集到的参数值不但用液晶显示器显示，而且当参数值超限时，及时报警。

当参数显示时，选用的是16ˑ4字符型液晶显示屏SVM1604，它有8位数据线。

为了节省单片机I/O口资源，设计时引入串入－并出数据移位寄存器74HC164，作为AT89C51串口引脚（10脚、11脚）和SVM1604的扩展接口。

如果数据采集工作正常，LED指示灯会有规律的闪烁；但若参数超限，则蜂鸣器发出报警声。

当发生紧急状况时，单片机经过MC1413对继电－接触器进行操作，使危险设备断电。

图3开关量采集电路
图4显示与控制框图
2.1.4现场传感器的选择
所设计系统采集各种环境参数和工矿参数，离不开各类矿用传感器。

由于该系统检测的参数较多，所以需要选择较多类型的矿用传感器。

1）甲烷传感器。

选用JWC－1型甲烷传感器，用于井下巷道、工作面空气中甲烷含量的连续监测。

2019年第3期煤炭工程设计技术
主要技术参数为：①测量范围：0 4.0%CH4；②输出信号：1 5mA；③响应时间≤30s。

2）风筒风量开关传感器。

选用KGV6型风筒风量开关传感器，它无需供电，用于检测井下掘进工作面或采煤工作面局部通风机的风筒内的风量是否充足。

其主要技术参数如下：①输出接点接触电阻小于1Ω；②输入本安直流小于10mA；③输出信号为无源开关量信号；④信号传输距离：2km。

3）一氧化碳传感器。

选择KGA3型电化学式一氧化碳传感器，实时检测井下一氧化碳浓度。

它的主要技术参数为：①测量范围：0 1000ˑ10－6；②响应时间≤35s；③输出频率为200 1000Hz，加1kΩ电阻，输出电压幅度大于5V。

4）温度传感器。

选择KGW5型数字式温度传感器，测量煤矿井下的环境温度。

其主要技术参数为：①测量范围：0 50ħ、0 100ħ、－20 +60ħ、－55 +125ħ；②输出电流：1 5mA、4 20mA。

5）负压传感器。

选用KGY4型负压传感器对矿井风机、风门密闭、通风巷道等地的差压连续监测。

其主要技术参数如下：①测量范围：0 5kPa；②输出信号：1 5mA、4 20mA。

6）烟雾传感器。

选择烟雾传感器监测井下因机械磨擦、电缆发热、煤层自燃等原因引起的烟雾。

它的主要技术参数是：①响应时间＜60s；②输出信号：开关量0/5mA。

7）设备开停传感器。

选用GKT18型设备开停传感器，用来监测供电电流大于5A的各种交流驱动机电设备。

其主要技术参数是：①被测设备电流≥5A；②输出信号：开关量0/5mA。

8）水位传感器。

选用KGU9型水位传感器，用于连续测量煤矿水仓的水深水位。

主要技术参数为：①测量范围：0 10m；②分辨率：0.01m；③输出信号：1 5mA。

该系统设计选用的所有的井下矿用传感器均为本质安全兼隔爆型设备，供电电源都是本质安全电源；井下采煤、掘进工作面及巷道等区域中各类传感器的设置，严格按照《煤矿安全规程》的规定设计安放。

2.2CAN总线收发器
智能节点与总线上其它节点和上位PC机的通信，通过CAN接口电路—CAN总线收发器进行线路连线。

收发器电路由微控制器AT89C51、独立CAN 通信控制器SJA1000、高速光电耦合器6N137和CAN总线驱动器PCA82C250构成，如图5所示。

图中微处理器AT89C51是收发器的核心，它完成CAN 总线应用层的功能，负责SJA1000的初始化，控制SJA1000实现数据接收和发送等通信任务。

图5中PCA82C250是SJA1000和CAN物理总线间的接口，它提供对总线的驱动发送功能，以及对SJA1000的差动发送与差动接收功能［5］。

图5中SJA1000的AD0 AD7连接到AT89C51的P0口，CS连接到AT89C51的P2.0。

P2.0为“0”时，CPU片外存储器地址选中SJA1000，执行相应的读/写操作。

因而SJA1000的ＲD（读）、WＲ（写）、ALE（地址锁存）分别与AT89C51的相应引脚相连。

通过高速光耦6N137，SJA1000的TX0、ＲX0与PCA82C250的TXD、ＲXD相连，实现总线上各CAN节点间的电气隔离，提高安监系统的抗干扰能力；同时将光耦部分的电源V CC和V DD隔离，否则达不到节点与总线完全隔离的目的。

因此，用5V小功率电源隔离模块来实现。

此外，在图5中CANH、CANL引脚所接5Ω电阻用来保护PCA82C250免受过流的冲击；两个30pF 电容起到滤除总线上的高频干扰信号和防电磁辐射的作用；Ｒs脚上接有一个斜率电阻Ｒ，阻值大小可根据总线通信速度适当调整，一般在10 140kΩ之间，图上选取22kΩ；图5右侧CAN总线接入端与地之间反向连接的二极管起到过压保护的作用。

2.3USBCAN接口卡
CAN总线上数据与PC机进行实时通信，通过USBCAN总线网络接口卡实现。

其中PC机负责整个系统的总体调度和监控，向各个节点发送命令，并接收来自节点的信息；CAN总线的网络适配器USBCAN接口卡与PC机的通信接口为USB；USBCAN接口卡则负责从CAN总线上接收信息，并转换成符合标准USB协议的信息，为上层应用软件提供支持［6］。

3智能节点软件设计
智能节点功能包括：①对现场设备进行数据采集、计算和处理，就地显示、报警；②接收监控PC对此节点的参数设置，并把该监控节点的实时参数和警告信息传给监控PC机。

设计技术煤炭工程2019年第3期
图5节点收发器电路
根据节点欲实现的功能，软件设计主要包括CAN节点初始化、CAN总线收发程序、现场数据A/D采样控制程序、执行机构控制程序和控制算法程序等［7］。

3.1SJA1000初始化程序
CAN节点通信由SJA1000控制完成。

要实现节点的数据收发，对SJA1000初始化是十分关键的。

SJA1000有两种工作模式：复位模式和工作模式。

SJA1000的初始化只有在复位模式下才能进行，初始化主要是设置CAN的有关通信参数，包括工作方式的设置、接收滤波方式的设置、接收屏蔽寄存器和接收代码寄存器的设置、波特率参数的设置等。

AT89C51上电或复位后提供SJA1000的复位信号，使它进入复位模式，SJA1000的初始化程序如图6（a）所示。

3.2发送程序
在工作模式下节点进行报文的发送和接收。

报文从现场节点发送至CAN总线，是由CAN控制器完成的。

单片机先将要发送的信息帧送到SJA1000发送缓冲区并启动发送命令，然后将SJA1000命令寄存器的发送请求标志位（TＲ）置位，发送过程由SJA1000自动完成。

在新报文写入发送缓冲区之前，必须先检查状态寄存器的发送缓冲器状态标志（TBS），若为“1”，发送缓冲器被释放，可将新的报文写入发送缓冲器，否则发送缓冲器被锁定，新的报文不能被写入。

设计时发送程序采用中断方式和查询方式，查询方式的程序框图如图6（b）所示。

3.3接收程序
信息从CAN总线到CAN接收缓冲器是由SJA1000独立完成的，收到的报文通过接收滤波器放在FIFO队列中，第一条报文进入接收缓冲器，由状态寄存器的接收缓冲器状态标志位（ＲBS）和接收中断标志位（ＲI）标出。

单片机从接收缓冲器取走一条报文后，通过置位SJA1000中命令寄存器的释放接收缓冲器中的标志位（ＲＲB），来释放接收缓冲器。

此外，接收程序设计也有中断方式和查询方式。

中断方式的程序框图如图6（c）所示。

图6节点软件设计流程框图
2019年第3期煤炭工程设计技术
3.4A/D采样控制程序
信号采集系统的采集器软件需要完成对模拟量、开关量、温度和辅助量的采集，并把这些参数经过分析和处理后，送入液晶显示屏显示并发送给井口的数据收发器。

程序流程如图7所示。

该程序将采样结果直接存入指定数据存储区，为向CAN总线发送数据提供便利。

图7现场节点数据采集流程图
4监控PC机的软件设计
地面PC机监控程序采用VC++6.0编写。

其任务是对各处CAN总线上传来的数据进行处理、分析、显示、报警、生成报表和打印等。

5结果与结论
5.1实验测试结果
文中安装并调试了所设计的基于CAN总线的安监系统的硬件电路。

并对CAN节点控制器进行了实验室编程下载，挂载于CAN总线上。

实验工作过程如下：首先复位运行，然后运行控制界面窗口，最后进行了数据传输实验［8］。

实验测试数据见表1。

表1中给出了1#节点（对井下通风机组采集电机电压、电流、转速和频率等参数）与PC上位机的通信参数值，其中控制器上的4位数码管实现循环显示电压、转速、频率三个实测值，首位阿拉伯数字1、2、3、4作为参数代码，后三位是参数值。

实验结果表明，通过标签设定，主机能够准确地定位节点控制器，并发送数据，从而查寻到系统的实时监控状态。

表1数据传输实验
参数名称
测试项目名称
发送标志显示参数值（十进制数）查询状态电压1C10921C
电流2C20032C
转速3C31643C
频率4C40754C
5.2结论
数据传输实验结果同时说明了，运用单片机智能控制技术和CAN总线通信技术设计的煤矿安监系统网络的数据通信既快又准，能够实现预定的监控功能；该系统运行过程中监控节点改变或增加时无需改变整个系统的硬件配置，只需将具有CAN总线接口的智能仪表设备接在CAN总线上，通过协议设定即可实现对CAN总线上的节点增删。

因此，整个系统线路连接简便，实时性好，便于调试、安装和维护，通用性和扩展性都较强。

如果对该煤矿安监系统网络进行工业环境加固，如封装防尘、抗干扰测试、保护性设计等，则可适用于中小型煤矿或矿区实时控制、检测和数据采集等场合。

另外，通过地面监控计算机的远程接口，还可实现整个矿区的集中安全检测和数据共享等功能。

由于该系统结构比较简单，所以特别满足煤矿企业对低成本、维护简便的需求。

参考文献：
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（责任编辑赵巧芝）
设计技术煤炭工程2019年第3期。