基于CAN总线煤矿瓦斯智能节点的研究与设计

摘要：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，分析国内外煤矿瓦斯气体监测系统特点，提出基于CAN总线煤矿瓦斯气体监测的网络系统。着重介绍以P80C592单片机作为CAN总线煤矿瓦斯智能节点，研究设计CAN总线通信接口电路、MAX306数据采集电路以及相应的软件设计等。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：CAN总线；瓦斯；传感器；远程监控

0 引言
    我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。煤炭中含有大量的甲烷(CH4)等易燃易爆气体，它是瓦斯形成的主要成分，发生瓦斯事故后会造成巨大的经济损失，危及矿工的生命。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及开采深度的不断延伸，安全隐患越来越多，特别是重大、特大瓦斯事故在煤矿事故中所占的比例也越来越高。如果不控制住瓦斯事故，就不能实现煤矿安全生产状况的稳定，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿井下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤其重要，对易燃易爆混合气体监测系统的开发也成为重中之重。
    世界各国也均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的DAN6400、法国的TF200、德国的MINOS和英国的Senturion-200等，其中全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国MSA公司生产的系统，德国BEBRO公司的PROMOS系统。但是这两种系统只是基于井下监测，并无数据上传，不能实现智能化监控。我国监测监控技术应用较晚，20世纪80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引进了一批安全监测系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后由重庆煤科院、辽宁抚顺煤科院等国内知名煤矿科学研究所研制出KJ2，KJ4，KJ5，KJ10，KJ13，KJ19，KJ38，KJ66，KJ75，KJ80，KJ92，KJ95，KJ101等煤矿有害气体监测系统，在我国煤矿已有大量使用，但其中很大一部分仪表的传输数据是模拟方式，将气体浓度转化为脉冲量，易受矿井下强电磁设备干扰，造成监测结果不准确，易出现误报警等现象。
    鉴于此提出基于CAN总线研究设计方案，系统结构见图1，工作原理如下，每个智能节点可以监测64点瓦斯，每个智能节点把监测的数据通过CAN总线传输到上位机，上位机根据传输的数据做出决定。上位机系统采用PCI总线工业控制机和CAN总线接口通信卡，软件采用VB或组态软件编写应用程序，下位机(也称远程智能节点)采用单片机设计，下面着重研究设计智能节点。

    CAN总线直接通信距离最远可达到10 km(速率在5KB／s以下)，在通信距离为40 m以内时，通信速率最高可达到1Mb／s。CAN总线节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达到110个，如果需要更多节点，可以利用中继器，实现网络节点的增加和传输距离的延长。

1 智能测控节点的硬件组成
    CAN总线智能测控节点的总体设计的结构框图如图2所示。硬件组成主要由P80C592单片机、多路转换器、可燃气传感器、CAN总线电路组成。

1．1 智能节点的CAN总线通信接口电路设计
    CAN总线系统智能节点如图3所示，为CAN总线通信硬件电路原理图。图3可以看出，电路主要由三部分所构成：P80C592芯片、高速CAN总线收发器TJAl050和高速光电耦合器6N137。

    P80C592是Philips公司采用先进的COMS工艺制造的高性能8位单片机。该单片机的指令集与80C51完全兼容，但在80C51标准特性的基础上又增加了一些对于应用具有重要作用的硬件功能。该器件具有下列特性：带有80C51中央处理单元(CPU)；带2×256 KB的片内RAM，外部可扩展至64 KB；具有两个标准的16位定时器／计数器；新增一个包括四个捕获和三个比较寄存器的16位定时器／计数器；具有8路模拟量输入的10位ADC变换器；带有两路分辨率为8位的脉冲宽度调制输出；具有两级优先权的15个中断源(可以有2～6个外部中断源)；具有五组8位I／O端口和一组与ADC模拟量输入共用的8位输入口；带有与内部RAM进行DMA数据传送的CAN控制器；内含具有总线故障管理功能的1 Mb／s CAN控制器；VDD／2基准电压；具有与标准80C51兼容的全双工UART模式；带有在片监视跟踪定时器(WDT)；时钟频率为1．2～16 MHz。
1．2 MAX306数据采集电路的设计
    MAX306是由Maxim Integrated Products公司生产的16通道CMOS模拟多路转换器，是一款16选1模拟开关。使用时注意不用引脚一定要处理，一般通过电阻接地。导通速率O．2μs，双电源，漏电流2 nA。由于P80C592单片机具有8路模拟量输入的10位ADC变换器，用4个MAX306和P80C592单片机4路模拟量输入的10位ADC306变换器连接，可以组成64点瓦斯监测，MAX306和P80C592单片机连接如图4所示。

1．3 气体传感器KGS-20
    该设计用KGS-20型可燃气传感器以二氧化锡为基本敏感材料，其结构如图5所示，专门用于可燃气浓度检测的一种半导体型气体传感器。它的基本特征是：极高灵敏度和极快的响应速度，且功耗低。KGS-20型可燃气传感器适用于对瓦斯等可燃气浓度的检测，用于瓦斯报警器，可燃气报警器，瓦斯检测仪等。KGS-20型可燃气传感器经过信号调理连接到16选1模拟开关MAX306。

2 智能测控节点的软件组成
    CAN总线智能节点的软件设计主要包括三大部分：CAN节点的初始化、报文发送和报文接收。熟悉这三部分的设计，就能编写出利用CAN总线进行通信的一般应用程序。
    当然，如果要将CAN统中，还需详细了解有关CAN总线的错误处理、总线关闭处理、验收滤波处理、波特率参数设置和自动检测以及CAN总线通信距离和节点数的计算等方面的内容。CAN智能测控节点流程如图6所示，按照流程图利用汇编语言或C51编写相应的程序。

3 结语
    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。
    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。