CAN总线的煤矿井下数据采集系统设计Word文件下载.docx
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Withthedevelopmentoftechnology,CAN（ControlAreaNetwork）asafieldbushasbeenwidelyusedinvarioustradesandindustriesatthescene,withitshighreliabilityanduniquedesign,andhigh-speedlong-distancetransmissioncharacteristics,particularlysuitableforMonitoringequipmentatthesceneofinterconnection.Asthespecialnatureofcoalmineproduction,groundandthenormaloperationofthesystemcannotbedirectlyappliedtomine,thusthedevelopmentofcoalminemonitoringsystemisnotcommonlyusedinindustrialandcontrolsystemtogetherwithexperiencedasimulatedinstrumentcontrolsystem,centralizeddigitalcontrolsystem,DistributedControlSystemandthefieldbuscontrolsystemforthisstageofdevelopment.
Inthispaper,CANbusanditsapplicationinthecoalmine.Tomeettherapidcombinationofloggingplatformfordatatransmissionrequirements,theuseofPHILIPSSJA1000CANcontrollermoduleand82C250astheCANtransceivermodules,developedbasedontheCANbusloggingdataacquisitionsystem.Theundergroundsystemislinkedwiththetelemetryequipmentoftheintermediatelinks,responsibleforreceivingthegroundunderthecontrolorders,uploadthedatacollectionandprocessing.Onthehardwareusedonthereunificationofthecircuitdesigntosolvetheproblemofduplication,haveacertaincommonalityinthesoftwareusedonthemodularapproachtodesignreflectstheflexibilityoftheoverallstructureandsystems,hardware,softwareandfunctionalnodesRespectively,madeapresentation.Thesystemissimpleinstructure,highreliability,security,andhighcostperformance.
ThetopicfortherealizationofindustrialCANbustechnologyintherealizationofdatacollectionsystems,designedaCANcontrolmodule,andcompletedsomeofitssoftwaredesign.
Keywords:
CANFieldbusSJA1000DataAcquisitio
目次
1绪论
随着计算机技术，通信技术，集成电路技术及智能传感技术的发展，在工业控制领域出现了一种新兴的控制技术--现场总线。
现场总线是当今自动控制领域发展的热点，代表了工业控制领域今后的一种发展方向。
它的出现使得传统的控制系统在性能上出现了巨大的飞跃。
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，受到了国内外自动化设备制造商与用户的关注，被誉为自动化领域的计算机局域网。
它的出现适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，标志着工业控制领域又一个新时代的开始。
1.1课题背景
现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统,也被称为开放式、数字式、多点通信的底层控制网络。
具有节省硬件数量、安装和维护等费用、高度的系统集成性与可靠性等优点。
控制器局域网络CAN（ControlAreaNetwork）总线是德国Bosch公司在20世纪80年代为解决汽车众多控制设备与仪器仪表之间的数据交换的一种串行通信协议。
随着技术的发展,它作为现场总线己广泛应用于各行各业的工业现场,以其极高的可靠性和独特的设计,以及高速率长距离的传输特点,特别适合现场监控设备的互连。
煤矿数据采集系统用于对煤矿生产过程及工作环境的各项数据进行采集检测,特别是井下工作环境的监测,监测参数主要包括井下瓦斯、温度、通风、排水等模拟量和各个开关状态。
该系统的工作环境非常恶劣,监测点分散、监测种类多、测点数量大、通信距离远,并且对实时性和可靠性要求极高。
CAN总线是一种以多主工作方式、非常适合于分布式的控制系统,且具有很高的实时性和可靠性,因此CAN总线非常适用于煤矿井下的各项数据的传输。
1.1.1现场总线的发展
现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。
随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。
而传统的控制系统采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换。
要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。
现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。
现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。
它作为智能设备的联系纽带。
把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。
这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。
现场总线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）在产品的体系结构、功能结构方面的较大变革，自动化设备的制造厂被迫面临产品更新换代的又一次挑战。
传统的模拟仪表将逐步让位于智能化数字仪表，并具备数字通信功能。
出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器;
出现了可集检测温度、压力、流量于一身的多变量变送器;
出现了带控制模块和具有故障信息的执行器，并由此大大改变了现有的设备维护管理方法
1.1.2煤矿数据采集系统的发展
我国煤矿监控系统信息传输中广泛应用的是串行通信总线,主要有RS-232、RS-485或基于上述的调制解调器传输方式等。
现有监控系统在信息传输方面尚存在许多无法克服的缺点,主要表现在:
监控系统主要是主从式结构,无法构成多主冗余系统;
各种形式的分站虽功能相似,但缺乏统一的规范和通信协议;
可靠性和实时性均无法满足实时测控功能的要求。
CAN总线的出现克服了以上总线的缺点,以其诸多的优点可较好地满足煤矿监控系统的要求。
相比于串行通信系统,具有较好的差错控制能力,可靠性高,数据传输速率快,完善的规范和协议等优点。
1.2课题研究的目的和工作
本文通过对现场总线的分析，提出并研制了一种基于CAN总线的数据采集系统。
文中在总结各种现场总线在煤矿数据传输利弊的基础上，详细介绍了该系统的原理与构成及其优点;
着重分析了以SJA1000为核心的CAN控制器的软件硬件设计原理，并给出了软件设计流程和硬件原理图。
2数据采集系统的总体方案
整个煤矿安全监控系统分为3个部分:
中心站—井下监控分站—传感器。
其中中心站负责接收、存储和显示从井下监控分站传来的各种井下生产环境安全监控数据,并通过各个井下分站发送各种配置命令和对现场设备的控制命令（如配置传感器参数、报警参数、控制参数等,配置完成后,把井下分站纳入监控网）。
传感器负责收集各种现场环境安全监控数据和设备运行状态数据。
井下监控分站负责把传感器采集到的各种数据通过通信介质传输到中心站,然后接收中心站的控制命令,完成对现场设备的控制,以及声光报警等。
数据采集部分采用CAN控制器总线进行井下智能节点的设计。
2.1引言
自德国BOSCH公司推出现场总线至今,现场总线以其系统的实用性、可靠性和经济性而倍受控制界人士青睐,并获得长足进步。
现场总线最初用于汽车内部的测量与执行部件间的数据通信,如今是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。
它多应用于生产现场的微机化测量控制设备间实现通信的系统,现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表内,使其各自具有数字计算和数字通信能力,采用可进行简单连接的双绞线等做为总线,把多个测量控制仪表连接成的网络系统,按照公开、规范的通信协议,在位于现场的多个微机化测量控制设备间以及现场仪表与远程件控计算机之间,实现数据传输与信息交换,形成各种适应实际需要的自动控制系统。
因此,现场总线技术是一个控制技术新时代的开端。
2.2现场总线
2.2.1现场总线的现状
多种总线共存。
现场总线国际标准IEC61158中采用了8种协议类型，以及其他一些现场总线。
每种总线都有其产生的背景和应用领域。
总线是为了满足自动化发展的需求而产生的，由于不同领域的自动化需求各有其特点，因此在某个领域种产生的总线技术一般对这一特定的领域的满足度高一些，应用多一些，适用性好一些。
据美国ARC公司的时常调查，世界市场对各种现场总线的需求的实际分为:
过程自动化15%（FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP）,医药领域18%（FF,PROFIBUS-PA,WorldFIP），加工制造15%（PROFIBUS-DP,DeviceNet），交通运输15%（PROFIBUS-DP,DeviceNet）,航空,国防34%（PROFUBUS-FMS,LonWorks,ControlNet,DeviceNet），农业（未统计，P-NET,CAN,PROFIBUS-PA/DP,DeviceNet,ControlNet），楼宇（未统计，LonWorks,PROFIBUS-FMS,DeviceNet），由此可见，占有市场80%左右的总线只有六七种，而且应用领域比较明确。
每种总线都力图拓展其应用领域在一定领域中己取的良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其他领域发展。
大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响，以取得跟多方面的支持，同时也想显示出其技术是开发的，如WorldFIP国际用户组织，FF基金会，PROFIBUS国际用户组织，P-Net国际用户组织及ControlNet国际用户组织等。
每种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关.如PROFIBUS以Siemens公司为主要支持，ControlNet以Rockwell公司为主要背景，WorldFIP以ALSTOM公司为主要后台。
每种总线大多将自己作为国家或地区标准，以加强自己的竞争地位，例如:
P-NET:
已成为丹麦标准，PROFIBUS己成为德国标准，WorldFIP成为法国标准。
以太网的引入成为新的热点。
以太网在工业自动化和过程控制市场上迅速增长，几乎所有远程I/O接口技术的供应商均提供一个支持TCP/IP协议的以太网接口，如Siemens,Rockwell,GEFanuc等，他们销售各自的PLC产品，单同时提供与远程I/O和基于PC的控制系统相连接的接口。
从美国VDC公司调查结果也可以看出，在今后3年以太网的市场占有率将达到20%以上。
FF现场总线正在开发高速以太网，这无疑大大加强了以太网在工业领域的地位。
2.2.2现场总线的特点
现场总线系统在技术上具有以下特点:
（1）系统开放性
开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。
一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。
通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。
现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。
拥护可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。
（2）互可操作性与互连性
互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通:
而互用则为不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。
（3）现场设备的智能化与功能自治性
它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
（4）系统结构的高度分散性
现场总线己构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。
从根本上改变了现有DCC集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了体系结构，提高了可靠性。
（5）对现场环境的适应性
工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
2.2.3现场总线的优点
由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。
（1）节省硬件数量与投资
由于现场总线系统中分散在现场的只能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的站地面积。
（2）节省安装费用
现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。
当需要增加控制设备是，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。
据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用60%以上。
（3）节省维护开销
由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，拥护可以查询所有设备的运行，诊断维护信，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少维护工作量。
（4）用户具有高度的系统集成主动权
用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。
避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、借口而一筹莫展。
是系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。
（5）提高了系统的准确性与可靠性。
由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比.它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。
同时，由于系统的结构简单化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。
此外，由于它的设备标准化，功能模块化因而还具有设计简单，易于重构等优点。
2.2.4比较有影响的现场总线
自80年代末以来，有几种现场总线技术己逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。
他们具有各自的特点，显示了较强的生命力。
对现场总线技术的发展己经发挥并将会继续发挥较大的作用。
基金会现场总线（FF,FoundationFieldbus）：
是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。
它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层和应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。
用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能集。
基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。
H1的传输速率为31.25kbps，通信距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。
H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。
物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。
其物理媒介的传输信号采用漫彻斯特编码。
基金会现场总线的主要技术内容，包括FF通信协议、用于完成开放互连模型中第2-7层通信协议的通信栈（CommunicationStack）、用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。
LonWorks：
是又一具有强劲势力的现场总线技术。
它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信300bps至1.5Mbps不等，直接通信距离可达2700m<
78kbps,双绞线）:
支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。
LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中而得以实现。
集成芯片中有3个8位CPU，一个用于完成开放互连模型中第1和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制和处理;
第二个用于完成第3-6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。
第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。
芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。
PROFIBUS：
是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。
由PROFIBUS-DP,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-PA组成了PROFIBUS系列。
DP型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。
FMS意为现场信息规范，PROFIBUS-FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。
而PA型则是用于过车工内自动化的总线类型，它遵从IEC1158-2标准。
该技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。
它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。
FMS还采用了应用层。
传输速率为9.6kbps-12Mbps，最大传输距离在12Mbps时为100m,1.5Mbps时为400m，可用中继器延长至1Okm。
其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。
最多可挂接127个站点。
可实现总线供电与本质安全防爆。
HART：
是HighwayAddressableRemoteTransducer的缩写。
最早有Rosemount、公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。
这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争力，得到了较快的发展。
它规定了一系列命令，按命令方式工作。
它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、执行的命令:
第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多的现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库;
第三类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。
在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。
HART采用统一的设备描述语言DDL。
现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。
但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。
HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。
CAN：
是控制器局域网络（ControlAreaNetwork）的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。
其总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准。
由于得到了Motorola、Intel、Philip、Siemens、NEC等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。
CAN协议也是建立在国际标准组织
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