矿用跑偏传感器CAN现场总线数字监控系统

郭珮文

1 引言

在煤矿生产中，矿用跑偏传感器（拉线开关）已广泛应用于皮带运输系统及架空人车运输系统保护中。但是现阶段某矿所使用的拉线开关只有动作应急保护功能，没有动作故障点监视功能。拉线开关应用地点普遍沿线距离较长，要恢复故障需要沿线逐一查看，这给检修人员恢复系统造成了很大的不便。

本文针对某矿在使用矿用跑偏传感器过程中遇到的问题，利用CAN 总线通讯技术的优点，设计了一套所有数据均在总线上运行，支持超过30 个节点，传输距离可达5km的矿用跑偏传感器地址编码及信号传输装置，该装置实现了矿用跑偏传感器已动作点的液晶显示及报警功能，方便了工作人员排查系统故障。

图1 矿用跑偏传感器

2 研究内容与创新点

2.1 研究内容

2.1.1 总体方案

CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持[1]。

矿用跑偏传感器CAN 现场总线数字监控系统是利用24V 本质安全型电源为系统电源，通过STM32 微处理器实现矿用跑偏传感器的地址编码，所有跑偏传感器节点均通过2芯CAN总线实现节点间的信号识别及通信。原系统框图见图2，改进系统框图见图3：

图2 原矿用跑偏传感器系统框图

图3 改进后的矿用跑偏传感器系统框图

如上两图比较可得出，新增加的系统在不改变原有系统功能的情况下，通过增加一套新的讯通装置，完成原系统没有的地址编码及数字实时液晶显示监控功能。新增系统仅通过一颗4芯信号电缆即可完成所有线缆敷设，STM32 地址编码单元也可以通过高集成电路的开发，将地址编码电路模块安放于矿用跑偏传感器的内部，从而大大减小了系统改造的难度及成本。

2.1.2 系统硬件方案设计

本次项目所设计的矿用跑偏传感器CAN 现场总线数字监控系统硬件部分主要由矿用本安24V电源电路、状态显示电路、STM32最小系统、测试电路、蜂鸣器报警电路、OLED 液晶显示及编码调试电路组成。硬件结构设计框图见图4：

图4 系统硬件结构框图

图5 系统硬件电路设计

矿用跑偏传感器CAN 现场总线数字监控系统分为地址编码发送和数据接收处理两大单元，硬件上这两大单元用同一种设计来完成两种不同的使用环境，利用STM32 优秀的低功耗特点作为这次项目的主控制器，通过给STM32 最小处理单元输入不同的程序，可实现同一种硬件的两种不同应用，提高了整套系统的适用性及兼容性。在硬件上STM32 还拥有众多强大的硬件外设，支持丰富的硬件接口资源，为硬件系统设计提供了极大的便利。

2.1.3 系统软件方案设计

（1）矿用跑偏传感器地址编码单元：

首先用键盘通过SPI输入需要写入MCU的矿用跑偏传感器地址编号，然后由STM32检测矿用跑偏传感器的工作状态（是否动作），最后通过CAN总线打包并发送地址以及状态数据。

（2）井口数据处理单元：

数据处理单元首先通过CAN 总线模块接收CAN总线上的数据，接收到数据后送入STM32 处理器，通过相应算法识别接收到的数字数据包内容，并将接受到的数据显示到LCD液晶屏上，并由STM32处理器决定是否发送相关的声光报警指令。

图6 C语言程序设计

本系统软件上采用C语言与汇编语言联合编程设计，将各硬件模块在程序编写中直接编写为函数接口，在主程序中可直接调用各模块函数，运用此方法大大节约了整套软件系统的调试时间。在此次的软件设计中还充分运用意法半导体对STM32固件库的支持，直接利用官方提供的库函数对主控芯片的各外设及寄存器进行操作，大大节约了本系统的开发时间，并且在编程中运用C语言在嵌入式中的优势。加大了系统的运行效率。

2.2 创新点

（1）本设计采用CAN总线通讯技术，较485通讯有更长的通讯距离，更强的抗干扰能力。由于采用全数字设计，所有的数据均运行在总线上，支持超过30 个节点，传输距离可达5000m。

（2）采用高清OLED显示调试设备，可以更方便直接的显示系统运行状态。

（3）设置了独立的声光报警电路，可方便检修人员迅速、准确的发现矿用跑偏传感器动作地点，极大的提高了人员的工作效率。

3 小结

本文给出了矿用跑偏传感器CAN 总线数字监控系统的整体设计框图，对系统中的CAN数字监控节点进行了详细的讨论和设计，给出了CAN数字监控节点的硬件电路、PCB版图的详细设计并给出了CAN数字监控节点的软件设计思路。

自主开发的基于ARM STM32 微控制器的数字监控节点的应用，不仅为矿井节约了大量的资金，而且该数字监控节点可以与原矿用跑偏传感器系统无缝兼容，对于煤矿运输系统的自动化、数字化监控有一定的实际应用价值。