煤矿井下安全监测系统中CAN总线技术的应用
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摘 要：矿井工作环境恶劣，矿井安全监测系统的主要作用就是持续监测到诱发矿井灾害的安全隐患问题，并及时采取安全处理措施。基于CAN总结技术的矿井安全监测系统，大大提高了系统的响应速度，保证安全问题监测的实时性、稳定性及安全性，从而有效降低矿井事故发生率。文章就针对CAN总线技术在煤矿井下安全监测系统中的应用进行探讨。
关键词：矿井；安全监测系统；CAN总线技术
煤矿作业生产环节多、涉及到大型的机电设备多，且工作环境高温高湿，十分恶劣，煤矿安全监控系统的应用可在最大程度上保障井下作业人员的人身安全，提高生产效率，降低生产成本。
1 煤矿通信的特点
与其它行业的通信系统相比，煤矿通信具有以下几个方面的特点：首先，环境恶劣。系统观测点多数均位于井下及高压设备环境中，日常工作均处于较强的电磁辐射及潮湿腐蚀的状态，恶劣的工作环境不仅会影响到现场检测的准确性，而且会干扰数据传输。其次，检测对象种类多。由于矿井下的危险因素比较多，很多环境参数可能会与事故的发生与发展有直接相关性，比如通风不足会导致瓦斯浓度升高，达到一定程度可能发生爆炸；再比如一氧化碳可能会导致工作人员中毒等，因此煤矿安全监测系统必须准确测量每一项安全参数，并准确的传输至控制中心，以保证煤矿生产的安全性。最后，测量点分布广泛。煤矿生产范围大，监测系统必须广泛分布于各个测量点，才可以保证监测范围更加全面，这也就无形中增加了传感器信号及其它检测信号传送的复杂性，对远距离传输的安全性、可靠性要求也更高。
2 CAN总线技术概述
CAN总线技术是德国Bosch公司推出的一种现场标准，属于工业现场总线的范畴，即控制器局域网络，是一种串行通信总线，其可实现点对点、一点对多点的通信，与其它总线技术相比，CAN具有较强的实时性与要靠性，且可以实现远距离传输，并获得较高的数据传输速率。并且系统结构简单、成本相对更低，因此在各个行业领域的应用越来越广泛。在矿井生产中，CAN总线采用的是双绞线介质，采用差分电压进行信号采集，保证了系统数据良好的抗干扰性能，因此是矿井安全监测系统中理想的总线技术。在矿井安全监测过程中，温湿度、可燃气体的含量是重要参数，井下保持正常的温湿度，可降低矿井火灾发生的机率，而且工作人员处于正常的工作环境中，其工作效率也更高；监测可燃气体的主要目的是防止瓦斯爆炸，如果空气中的可燃的气体浓度过高，则系统传统器就会监测到，并根据设定值发送警报，便于管理人员采取有效的应对措施。
3 煤矿井下安全监测系统中CAN技术的应用
本研究以某矿井为例，对其安全监测系统设计进行分析。
3.1 硬件设计
基于CAN技术的安全监测系统主要包括微处理器模块、CAN总线模块及滤波器。根据煤矿井下环境要求，本系统的通信管理机CPU选择ATMEL公司的8位高性能嵌入式微处理器ATmega64，其采用单循环周期指令，可获得较快的执行速度，而且稳定性强，可以满足通信管理机的要求。CAN总线上数据收发采用中断的方式，以保证通信管理机的实时性；ATmega64共提供2个串口，其中一个通过Max232提供RS-232串行通讯口，另一个串口则留作备用，实现双机备份功能。CAN控制器SJA 1000及CAN收发器MCP2551实现CAN总线模块的CPU与CAN总线的连接，单片机I/O口与SJA 1000的各个引脚相连接，实现数据传输及总结控制。SJA 1000在扩展模式下可以选择单滤波器模式或双滤波器模式，该系统选择单滤波器模式。CAN总线上协议规定把广播节点发送的数据帧过滤器中的一个数据帧设定为接受任何标识符节点，当广播节点将数据发送至总线时，总线上各个节点均可接受到其所传输的数据。
3.2 软件设计
监测系统的软件设计采用模块化的编程方法，根据不同的功能将不同的模块划分开来，并按层次结构组织起来，以提高编程效率及系统运行效率，且后续的升级、扩展也更加便利。
（1）主节点程序：地面监控中心要求间隔1s即获取一次井下数据，因此各个子节点向主节点传送数据的周期也是1s，相应的，CAN总线的总线周期即为1s。在系统运行过程中，系统广播帧、控制参数通讯帧等信息会由主节点在每个总线周期内发送至各个子节点，按照发送帧的顺序，子节点再将对应的采样数据传递出来。由此可见，子节点是按照不同的节点编号来决定传递的优先级别，面子节点的发送周期则由节点数量来决定。当然，实际工作中，需要根据实际情况动态调整节点数据，如果CAN总线的节点数量减少，相应的系统波特率也会发生变化。
（2）子节点程序设计：确认帧由主节点发送完毕后，通用子节点的AD采样模块启动进行持续的数据采集，在接收到主节点发送的数据请求命令后，通用子节点的控制定时器即刻起动，向主节点逐帧发送测量数据，整个过程均处于发送周期内。数据帧发送完成后检测CPU复位情况。
（3）软件抗干扰措施：由于监测系统处于一个十分复杂的工作环境，虽然硬件设计时采用了抗干扰措施，但是抗干扰不能完全依靠硬件来解决，软件抗干扰措施十分必要。首先开发自检程序，对单片机系统的硬件、软件状态进行检测；其次采用软件滤波功能，使用软件检测算法可以解决原来硬件电路无法实现的信号处理问题，各个测量环节硬件本身存在的缺陷或弱点均可以通过软件检测算法克服或弥补，以提高系统的综合性能。本系统采用的是算术平均值滤波法，该方法是将输入的N个采样数据进行求和，再将所得数据除以采样次数，最终得出本次采样的有效数据。
总之，CAN总线是一种面向一般工业设备的高速通信总线，其具有实时性高、数据精简的特点，在特殊的煤矿井下工作环境中，在煤矿安全监测系统中应用CAN总结技术是切实可行的，且应用前景十分广阔。
参考文献
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[2]饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.
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