煤矿安全监控系统的CAN总线数字通讯设计 本文关键词：数字通讯，监控系统，总线，煤矿安全，设计
煤矿安全监控系统的CAN总线数字通讯设计 本文简介：摘要：研究了CAN通讯技术在煤矿监控系统中的设计方案。通过对现有系统通讯方式的对比及存在的问题进行综合分析，阐述了新型CAN通讯的数字化设计方案；CAN通讯采用“多主”数据竞争交互模式，巡检周期更短；电路EMC设计采用隔离电源模块结合瞬态抑制二极管、亚敏电阻、气体放电管搭配使
煤矿安全监控系统的CAN总线数字通讯设计 本文内容：
摘要：研究了CAN通讯技术在煤矿监控系统中的设计方案。通过对现有系统通讯方式的对比及存在的问题进行综合分析，阐述了新型CAN通讯的数字化设计方案；CAN通讯采用“多主”数据竞争交互模式，巡检周期更短；电路EMC设计采用隔离电源模块结合瞬态抑制二极管、亚敏电阻、气体放电管搭配使用，效果良好。
关键词：监控系统； 数字传输； 数据交互； CAN通讯； 智能传感；
作者简介： 马龙（1982-），内蒙古赤峰人，高级工程师，硕士，2011年毕业于煤炭科学研究总院，从事矿用产品的标准研究、技术审查及检测检验工作。；
Application of CAN Communication Technology in Coal Mine Monitoring System
Abstract:This paper focuses on the design of CAN communication technology in the coal mine monitoring system. Through the comparison of the existing system communication modes and the existing problems, the paper analyzes the digital design of the new CAN communication. The new CAN communication adopts the “multi-master”data competitive interactive mode with shorter inspection cycle; the circuit EMC design adopts isolated power module combined with the transient suppression diode, sub-sensitive resistor and gas discharge tube, and the effect is good.
Keyword:monitoring system; digital transmission; data interaction; CAN communication; intelligent sensing;
煤矿安全生产问题的及时解决和预防是煤炭作为国民经济支柱型产业安全高速可持续性发展的前提，只有对煤矿井下各种灾害气体、运输设备、工况环境、采煤机电设备等各装备全面的监测、监控，才能保证整个煤矿的安全运行。而上述对所有装备及环境监测、监控的实施都需要监控系统的统筹管理，监控系统的核心部分主要包括：信息数据的采集传输、中心数据的处理及各种设备的控制[1]。
现有煤矿安全监控通信系统信息数据采集方式多为单向传输，从终端各设备到监控分站一般采用频率信号、电流信号等模拟信号进行数据传输，在一些比较先进的监控系统中也会采用总线的方式进行信息数据采集及传输，但是传输模式多为主从方式，这样会在一定程度上对巡检周期、数据传输接入方式、异地断电、执行控制等功能均会产生影响。根据国家《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》煤安监函【2016】5号文中第1条要求，传输数字化：在分站至中心站数字化传输的基础上，将传感器（模拟量）至分站升级为数字传输，实现安全监控系统的数字化，促进智能传感器发展[2].
针对上述要求及现存在的问题，通过对CAN总线数字通讯的研究实现整个煤矿安全监控系统的数字化传输，并提供详细完整的设计方案。
1、煤矿监控系统数据传输方式
煤矿安全监控系统的数据链路传输主要采用“树型结构”方式，通俗讲就是分为主干网和分支网，主干网的发展是从最早的单点上传到目前的环网上传，主要依托于网络传输，井上为监控主机对所有系统采集数据进行分析、处理及控制，监控主机通过井上交换机与井下交换机相连，多台井下交换机构成井下环网，对通讯链路形成环型数据链通讯，整个回路全部采用光纤通讯，可以保证整个环网数据通讯的稳定可靠[3].环网中各组成交换机分别下挂监控分站，根据交换机容量大小所下挂的监控分站数量各不相同，而各传感器、执行器、断电器、检测设备等又下挂在监控分站下，此结构完成了整个煤矿安全监控的数据采集及安全控制。但传统的通讯方式对于监控分站与各下挂设备之间大部分都采用频率信号、电流信号、节点开关信号、电压信号等进行“单向”数据传输，各下挂设备将采集到的矿井安全监测信息上传至监控分站，如果出现危险情况，监控分站再将命令信息发送至执行器或者断电器，对于下挂设备的本体信息无法进行采集及设置，各设备功能单一，特别是传统的通讯方式受电磁干扰明显，经常会出现“冒大数”的假象，从而会很严重的影响到煤矿安全生产[4].
而通过国家《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》的要求，在实现数字化传输的基础上，应更加推广CAN总线通讯，CAN总线采用多主通讯模式，对巡检周期及异地断电具有天然优势，采用CAN总线通讯的模式可完成各设备本体的信息采集，如：设备供电电压过低、检测元件故障、在线标校、即插即用、地址设置、维护信息统计、设备全生命追踪等等，这些都可通过数据通讯双向交互来完成；同时CAN总线多主通讯模式下信息主动上传，将会使数据的及时性、准确性具有更高的利用价值[5].
2、CAN总线数字传输电路
CAN总线数字传输电路主要包括3部分：数据采集处理单元、电路供电（隔离电源）单元、数据交互单元。
2.1 数据采集处理单元
数据采集处理单元也就是平时俗称的主控单元，主要将各传感器、执行器、断电器、检测设备的监测执行信息上传至监控分站，同时接收监控分站对各传感器、执行器、断电器、检测设备的数据采集及命令操作，为此选用意法半导体的STM32F103系列32位单片机做为核心处理芯片，STM32F103系列单片机可适应2.0~3.6 VDC宽电压供电，其最高速率可达72 MHz,同时具备丰富的接口功能：CAN、UART/USART、USB、SPI、I2C等，特别是1路CAN及5路UART/USART接口可以使产品的功能更加丰富多样化，5路UART/USART接口可以采集不同检测元件的探测信息，1路CAN用于各设备之间数据的数字化交互[6].
STM32F103单片机采用6路3.3 VDC供电，44/45引脚为CAN_TX及CAN_RX数据采集交互接口，而U3_TX及U3_RX（其它UART/USART接口如同）接口用于检测信息的采集，CAN接口完成数据的上传及下达等操作的执行，数据采集处理单元电路如图1.
图1 数据采集处理单元电路
2.2 电路供电（隔离电源）单元
电路供电（隔离电源）单元，主要为数据采集处理单元及数据交互单元提供可靠的直流供电，同时隔离电源主要为数据交互单元的抗电磁设计提供隔离供电，电路供电（隔离电源）单元电路如图2.LM22671输出5 VDC电压，TPS73033将5 VDC转换为3.3 VDC为数据采集处理单元及其它采集模块供电，F_XT-1WR2将5 VDC转换为隔离5 VDC主要为数据交互单元模块供电[7].
采用LM22671开关电源（DC/DC）做为主供电芯片，LM22671开关电源宽输入电压范围：4.5~42VDC,最大可提供500 mA电流，默认开关频率设为500 k Hz可提供良好的瞬态响应，±1.5%反馈基准精度；煤矿稳压电源一般提供18~24 VDC电压，外部输入电源通过U1的7引脚输入（VIN），C3为U1外部滤波电容，U1的4引脚为输出反馈引脚，负责调制输出电压，采用固定输出电压5 VDC,电感L1及二极管D1起到续流作用，C4为U1输出5 VDC的外部滤波电容；U1输出的5 VDC电压主要为二级电源模块U2及U3提供输入电源[8].
图2 电路供电（隔离电源）单元电路
数据采集处理单元及其它采集模块所需的供电电压主要为3.3 VDC,通过TPS73033固定LDO稳压器进行电压转换，其输入电压范围：2.7~5.5 VDC（120 mV压差），最大可提供200 m A电流（3.3 VDC时），SOT-23-5封装，外部分离元件极少，C6为输入滤波电容，C9为输出滤波电容。
数据交互单元所需的供电电压主要为隔离5VDC（隔离电源），通过F_XT-1WR2隔离电源模块进行电压转换，对5 VDC进行隔离5 VDC转换（将5 V转换为VCC5），F_XT-1WR2隔离电源模块最大可提供200 mA电流，80%满载效率，SMD封装，隔离电压3 000 VDC,低纹波噪声，可持续短路保护，C5为输入滤波电容，C8为输出滤波电容，为了配合EMC使用，C5一般选用4.7μF电容，C8一般选用10μF电容[9].
2.3 数据采集处理单元
数据交互单元主要完成传感器、执行器、断电器、检测设备等系统组成部件与监控分站之间的数据采集交互，数据交互单元电路如图3.
数据交互单元的核心芯片为PCA82C251T,PCA82C251T芯片是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，可同时向总线提供差动发送能力，向CAN控制器提供差动接收能力；其待机模式下电流超低，单节点发生故障的情况下不会影响到总线上其它节点，同时速度可达1 MBd,对电磁干扰有超高的抗干扰能力；HCPL-0600是一款高速光电耦合门电路芯片，速度可达10 MBd,同时兼容TTL,其共模瞬变抗扰度可达到15 000 V/μs,最大限度的完成对DC电路的隔离，且还具有超低的输入电流≤5 mA.
U1/U2的信号输入端分别接CAN_TX及CAN_RX,同时采用3.3 VDC进行供电，U1/U2的信号输出端与U3的信号输入端相连，采用隔离5 VDC（VCC5）供电，完成整个电路的信号隔离。
U3的信号输出端依次连接匹配电阻（120/240/360Ω）、TVS瞬态抑制二极管、电容、GDT气体放电管，完成抗电磁干扰的设计，同时所有抗电磁干扰元器件的负端均需通过Y型电容连接到大地，这样一旦传输线路中有电磁干扰信号，抗电磁干扰元器件可通过Y型电容的将干扰信号“释放”到大地中[10].
3、结语
研究了CAN通讯技术在煤矿监控系统中的设计方案。CAN总线数字通讯采用多主传输模式，在巡检周期、异地断电、数据接入等方面具有明显优势，同时CAN总线数字传输电路所包含的3部分单元在数据交互、实时性、抗电磁干扰等方面，引入了全新的设计方案。
图3 数据交互单元电路设计
参考文献
[1] 黄采伦，王安琪，王靖，等。基于CAN总线的高压断路器在线状态监测系统[J].电力与能源进展，2018,6（2）：94-103.
[2] 煤安监函【2016】5号文《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》[A].
[3]高祥，居锦武，蒋劢，等。基于CAN总线的分布式农业温室控制系统设计[J].中国农机化学报，2016,37（4）：67-70.
[4] GB 3836.4-2010爆炸性环境第四部分由本质安全型“i”保护的设备[S].
[5]崔均亮。一种矿用本安电源的设计[J].煤矿安全，2013,44（11）：119-121.
[6]孟宪会，何宇，熊晓英。航天器DC/DC变换器启动特性建模分析研究[J].航天器工程，2010（1）：17-23.
[7]王启旺，包敬华。本质安全型先导电路优化设计[J].煤炭科技，2016（1）：114-115.
[8]王立华，江楠。基于CAN总线的分布式远程监控系统设计[J].仪表技术，2015（1）：12-14.
[9]汪贵冬，陈跃东，宋少雷。基于CAN总线的室内环境监测系统设计[J].南阳理工学院学报，2013,5（6）：5.
[10]薛国强，于景邨。瞬变电磁法在煤炭领域的研究与应用新进展[J].地球物理学进展，2017（1）：319-326.
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