基于USBCAN總線通信的礦井風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計9

1、基于USBCAN總線通信的礦井風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計林金亮（ 閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，福建 龍巖 364021 ）摘 要：為實現(xiàn)對礦井主冗風(fēng)機(jī)狀態(tài)有效監(jiān)測和控制，提出一種基于CH375芯片設(shè)計的USB-CAN總線在礦井風(fēng)機(jī)實時監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F149單片機(jī)為控制器核心，以Microchip公司MCP2510為總線控制器，實現(xiàn)上位機(jī)與礦井風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程通信和控制。關(guān)鍵詞：USB-CAN總線；礦井風(fēng)機(jī)；實時監(jiān)控；MCP2510中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：The Design Of Ventilator Monitor-controling S

2、ystem Under Mine Based On USBCAN Bus Lin Jinliang( Department Of Electrical Engineering Minxi Vocational And Technical College, Longyan Fujian 364021 )Abstract: In order to realize the monitoring of several Ventilators under mine, bring a real-time monitor-controling system based on USB-CAN bus. The

3、 system uses MSP430F149 as the core controller and uses MCP2510 as the Bus-controller, which realize the function of remote communication and controling between PC and Ventilators.Key words: USB-CAN BUS；Ventilator；Real-time monitor-controling；MCP2510頸自動監(jiān)控煤礦井下通風(fēng)的各項指標(biāo)，具有一定的實用和推廣價值。通風(fēng)機(jī)作為礦井的“肺腑”，其主要任務(wù)是向

4、井下輸送新鮮空氣，稀釋和排出有毒有害氣體，同時調(diào)節(jié)礦井井下所需風(fēng)量、溫度和濕度，改善勞動生產(chǎn)條件，保證安全生產(chǎn)1。為了保證礦井通風(fēng)機(jī)工作在安全、高效、穩(wěn)定、節(jié)能的狀態(tài)，必須加強(qiáng)對井下風(fēng)機(jī)的有效監(jiān)測和控制。傳統(tǒng)的礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)采用單片機(jī)控制、總線掛接式結(jié)構(gòu)，再配合各種智能傳感設(shè)備，能自動監(jiān)控井下通風(fēng)的各項指標(biāo)，具有一定的實用和推廣價值，但系統(tǒng)存在總線效率不高，監(jiān)測節(jié)點數(shù)量有限、系統(tǒng)實時性差、通信距離不夠遠(yuǎn)以及測量精度低等缺點。而隨著礦井生產(chǎn)設(shè)備機(jī)械化程度的不斷提高，礦井縱深不斷加大，通風(fēng)巷道的長度也不斷增加，必然要求通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)不僅要具備大規(guī)模節(jié)點監(jiān)測控制能力，還必須具備遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/p>

5、能力。CAN總線作為一種性價比較高且具有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，不僅通信速率快、可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，而且通信距離遠(yuǎn)、開發(fā)成本低等特點，是解決目前工業(yè)控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信瓶頸的有效手段之一2-3。1 監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)系統(tǒng)硬件整體架構(gòu)示意圖如圖1所示，系統(tǒng)由上位PC監(jiān)控平臺、USB-CAN網(wǎng)絡(luò)適配器、若干個監(jiān)測節(jié)點構(gòu)成。風(fēng)機(jī)站采用兩臺風(fēng)機(jī)做冗余，1臺工作風(fēng)機(jī)和1臺備用風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)的風(fēng)速等級由4個電動機(jī)高、低速運(yùn)行的不同組合決定。多電機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)由電機(jī)故障檢測電路檢測電機(jī)是否缺相、短路、過載及漏電故障，由瓦斯傳感器和風(fēng)量傳感器監(jiān)測井下環(huán)境情況，由電流傳感器和電壓傳感器監(jiān)測風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。2 監(jiān)

6、控系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 CAN總線適配器的硬件設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)的CAN總線適配器在整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中起著至關(guān)重要的作用，其設(shè)計的好壞，關(guān)系到整個監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。目前市面上有一些總線適配器，比如RS232-CAN、RS485-CAN、PCI-CAN等，雖然他們在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯ㄐ啪嚯x上有比較大的優(yōu)勢，但是在筆記本電腦盛行的今天因上位機(jī)無RS232串行接口而存在著調(diào)試不便的特點，USB-CAN總線網(wǎng)絡(luò)適配器的設(shè)計正好彌補(bǔ)了這個缺陷，因而具有一定應(yīng)用價值和推廣價值。USB-CAN總線網(wǎng)絡(luò)適配器由AT89C52微處理器芯片、CAN總線通信接口、USB通信接口等主要部件組成。USB-CAN總線適配

7、器轉(zhuǎn)發(fā)來自CAN總線的信息和來自上位PC機(jī)的命令信息，起溝通CAN總線與PC機(jī)之間的橋梁作用。USB接口電路采用南京沁恒公司生產(chǎn)的USB接口芯片CH375A。CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀寫、片選控制線及中斷輸出，可方便掛接到單片機(jī)等其他一些智能微控制器的總線上；內(nèi)部置有USB通信的底層協(xié)議，能自動處理默認(rèn)端點所有任務(wù)，本地微處理器AT89C52只需負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的交換；同時內(nèi)部提供了4個相互獨(dú)立的端對端邏輯傳輸通道，分別為數(shù)據(jù)上傳通道、數(shù)據(jù)下傳通道、中斷上傳通道及輔助數(shù)據(jù)下傳通道，因請求加應(yīng)答的通信模式數(shù)據(jù)傳輸速率較低，故采取單向數(shù)據(jù)流通信模式與PC上位機(jī)通信，同時使用中斷上傳端口上傳中斷特征值。

8、USB通信接口電路如圖2所示。圖2 AT89C52與USB通信接口電路圖2.2 CAN總線接口電路監(jiān)控節(jié)點設(shè)計以TI公司MSP430F149單片機(jī)為控制核心，此款單片機(jī)不僅具有5種低功耗模式，同時具有高速的運(yùn)算能力、豐富的片內(nèi)外設(shè)以及時鐘使用靈活等特點5-6，在工業(yè)控制系統(tǒng)及工業(yè)通信中具有廣泛的應(yīng)用，CAN總線接口電路則采用Microchip公司MCP2510為總線控制器，該芯片完全支持CAN總線V2.0A/B技術(shù)規(guī)范，除能夠發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)及擴(kuò)展報文外，還同時具備驗收過濾及報文管理功能，其內(nèi)含的三個發(fā)送緩沖器和兩個接收緩沖器大大減少了微處理器的管理負(fù)擔(dān)，它與另外一款獨(dú)立的控制器SJA1000相

9、比，具有接線更加簡化、使用更加靈活的特點。為了使CAN總線的性能更加穩(wěn)定可靠，收發(fā)器芯片采用Microchip公司配套生產(chǎn)的MCP2551。CAN總線接口電路主要完成3個部分的功能：接收上位PC機(jī)下傳的數(shù)據(jù)控制指令（含查詢信息命令）；上傳監(jiān)控節(jié)點采集的風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)；消除總線上的噪聲對監(jiān)控節(jié)點單元的影響；為提高M(jìn)CP2551與總線接口的抗干擾能力，在MCP2551的CANH端和CANL端各自用一個5的電阻與CAN總線相連，可起到一定的限流效果，以保護(hù)MCP2551不因過流而燒壞。CANH端、CANL端與地之間再并聯(lián)兩個約3×10-11 F的電容，可濾除總線上高頻干擾并具有防電磁輻射

10、的功效。另外，兩根CAN總線輸入端與地之間分別反接了一個保護(hù)二極管，當(dāng)CAN總線有較高的負(fù)電壓時，通過二極管的短路可起到一定的過壓保護(hù)作用。CAN總線接口電路如圖3所示：圖3 CAN總線接口硬件電路圖2.3 通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測及保護(hù)電路設(shè)計礦井內(nèi)的通風(fēng)環(huán)境對工人作業(yè)效率和安全有至關(guān)重要影響，而通風(fēng)系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)和電機(jī)兩大部分構(gòu)成，風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)靠電機(jī)傳動，因此，除了對井下風(fēng)壓、風(fēng)速及風(fēng)溫進(jìn)行有效測量之外，對電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測和電路保護(hù)設(shè)計也不容忽視。2.3.1 電機(jī)電壓檢測電機(jī)電壓檢測保護(hù)電路選用傳統(tǒng)電壓互感器，直接在電壓交流輸入端隔離取樣，經(jīng)過整流、濾波后送入單片機(jī)MSP430F149的ADC6

11、通道。對欠壓過壓保護(hù)則采用軟件編程實現(xiàn)，利用MSP430F149單片機(jī)在數(shù)據(jù)處理方面強(qiáng)大的運(yùn)算能力，設(shè)置過壓和欠壓的閾值，直接對電機(jī)實時監(jiān)測并進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)，此種方法不僅設(shè)計簡單，而且有效節(jié)約了成本。電機(jī)電壓檢測電路如圖4所示：圖4 電機(jī)電壓檢測電路2.3.2 電機(jī)電流檢測電機(jī)電流檢測采用電流互感器對主回路電流采樣后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺?jīng)過整流、濾波后輸入單片機(jī)的ADC通道。電機(jī)過流保護(hù)利用兩路電流信號的平均值與設(shè)定的過流閾值相比較，超過閾值則判定為過電流。在電路的設(shè)計中，為避免諧波對檢測電路造成影響，利用二階巴特沃斯低通濾波器，有效地將各次諧波加以濾除，從而提高電機(jī)電流檢測的準(zhǔn)確性。電機(jī)電流采樣及

12、調(diào)理電路分別如圖5、圖6所示：圖5 電流采集電路圖6 電流檢測調(diào)理電路2.3.3電機(jī)堵轉(zhuǎn)及短路保護(hù)電機(jī)因負(fù)荷過大等原因造成電機(jī)轉(zhuǎn)子卡殼不轉(zhuǎn)或低速運(yùn)行的狀態(tài)，我們把它稱之為電機(jī)堵轉(zhuǎn)，此時電機(jī)電流會迅速增大，有時可達(dá)額定電流4倍以上，如此高的故障電流不僅及其容易把電機(jī)燒壞，而且容易造成火災(zāi)。為防止此類現(xiàn)象發(fā)生，必須對電機(jī)設(shè)計一個安全可靠的堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路。以往供電系統(tǒng)常采用傳統(tǒng)鑒幅式繼電保護(hù)裝置，其保護(hù)整定存在誤差大、可靠性低、動作時間長的特點。在本課題中，電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電路則采用了相敏保護(hù)電路，很好地提高了動作的可靠性及靈敏度。理論和實驗數(shù)據(jù)表明，電機(jī)啟動時功率因素較低，約為0.3至0.5左右，而發(fā)在內(nèi)

13、部線路短路故障時，功率因素至少0.9以上。因此，以檢測到的電流值與檢測到的功率因素cos乘積作為短路故障的判定標(biāo)準(zhǔn)，即C=I×cos,只要常數(shù)C的取值恰當(dāng)，則此時的保護(hù)區(qū)會比單獨(dú)鑒相、鑒幅的保護(hù)區(qū)大，所以可以很容易把啟動電流與短路電流區(qū)分開來。電機(jī)短路故障主要有定子繞組間短路和單相繞組匝間短路，其最明顯特征是當(dāng)三相供電線路發(fā)生故障時會出現(xiàn)大電流，危害性極大，往往是造成室內(nèi)火災(zāi)的根源，因此，必須進(jìn)行電機(jī)的速斷保護(hù)。在保護(hù)電路設(shè)計中，短路保護(hù)整定值一定要大于電機(jī)最大啟動電流，通常取電機(jī)8至10倍額定電流為參考，若檢測到電機(jī)ABC三相電流中任何一相在速斷整定電流時間范圍內(nèi)超過設(shè)定電流整定值

14、，則認(rèn)為發(fā)生短路故障，必須馬上斷電加以保護(hù)。2.3.4 電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測的精確度不僅影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且對整個系統(tǒng)的節(jié)能效果有至關(guān)重要的影響，目前比較普遍應(yīng)用的測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法主要有微電機(jī)測速法、離心式轉(zhuǎn)速表測速法、霍爾元件測速法和光電碼盤測速法7。微電機(jī)測速法和離心式轉(zhuǎn)速表測速法均有一個測速表，轉(zhuǎn)速獲得比較容易，但轉(zhuǎn)速表或測速機(jī)都要與電機(jī)同軸相連，大大增加電機(jī)組裝難度?；魻栐凸怆姶a盤測速法把一小型傳感器安裝在轉(zhuǎn)軸上，將電機(jī)轉(zhuǎn)動信號通過霍爾元件或光電碼盤轉(zhuǎn)換為電脈沖，再在某個時間段內(nèi)算出電脈沖個數(shù)，通過公式即可獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速。因采用光電器件測速，精度較高，故本項目采用光電脈沖碼

15、盤編碼器對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，電機(jī)轉(zhuǎn)動時，PTO端會產(chǎn)生同電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率相對應(yīng)的的矩形脈沖信號，通過單片機(jī)內(nèi)部集成計數(shù)器在固定采樣時間范圍內(nèi)對矩形脈沖進(jìn)行計數(shù)，利用測頻法測速機(jī)理，再經(jīng)轉(zhuǎn)換即可確定電機(jī)轉(zhuǎn)速。設(shè)采樣周期為Tc，光電碼盤齒數(shù)即脈沖數(shù)為Pn，采樣時間內(nèi)測得脈沖個數(shù)為m，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為。具體電機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路如圖7所示:圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測電路2.3.5 通風(fēng)巷道風(fēng)壓風(fēng)速風(fēng)溫檢測通風(fēng)巷道風(fēng)壓風(fēng)速風(fēng)溫的檢測系統(tǒng)選用了帶標(biāo)準(zhǔn)輸出特性的風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)溫傳感器，非常方便和單片機(jī)MSP430F149接口。為實現(xiàn)對通風(fēng)巷道風(fēng)速、風(fēng)壓、風(fēng)溫的有效測量，風(fēng)壓傳感器完成對通風(fēng)巷道的差壓的連續(xù)監(jiān)測、風(fēng)量傳感

16、器測量通風(fēng)巷道內(nèi)單位時間內(nèi)抽出的空氣量、測量巷道內(nèi)的風(fēng)速，將風(fēng)速轉(zhuǎn)換成標(biāo)定的電信號。三個量同時并行采集，防止由于傳感器故障造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，通過對三個變量的采集，提高了整個系統(tǒng)的的風(fēng)量采集的正確性和穩(wěn)定性。各采集電路模塊將采集到信號經(jīng)過調(diào)理轉(zhuǎn)換后傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊控制中心，完成對通風(fēng)量的監(jiān)測。在選用風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)速傳感器時，選擇輸出信號標(biāo)準(zhǔn)為4-20mA的電流信號，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換為電壓輸出后對數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為避免諧波影響，選用二階巴特沃斯低通濾波器將各次諧波濾除，以保證轉(zhuǎn)換電路的可靠性。2.3.6 風(fēng)機(jī)頻率監(jiān)測電路變頻在設(shè)備節(jié)能及系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有無可比擬的優(yōu)勢，因此頻率檢測在系統(tǒng)設(shè)計中是

17、一個不可忽視的重要環(huán)節(jié)。風(fēng)機(jī)電壓頻率的變化反映了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化。通過測量風(fēng)機(jī)電壓頻率值，即可確定風(fēng)機(jī)是否處于正常工作狀態(tài)，若工作不正常，下位機(jī)則關(guān)閉主風(fēng)機(jī)，啟動冗余風(fēng)機(jī)，以保證通風(fēng)正常，同時向上位機(jī)發(fā)出報警信號。頻率監(jiān)測電路采用過零檢測原理，具體設(shè)計電路如圖8所示。圖8 頻率監(jiān)測電路3 監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件的設(shè)計雖然不能算整個系統(tǒng)的重中之重，但其設(shè)計的好壞卻也關(guān)系到整個監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，因此，上位機(jī)軟件的設(shè)計也不能忽視。上位機(jī)軟件的設(shè)計可以選用VB、VC+、Dephi等軟件進(jìn)行開發(fā)，但考慮到VB功能強(qiáng)大和簡單易學(xué)的特點，在上位機(jī)設(shè)計中選用了VB6.0軟件開發(fā)，其發(fā)布的可執(zhí)

18、行文件可以脫離開發(fā)軟件直接在Windows環(huán)境下運(yùn)行。上位機(jī)的軟件功能主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理、人機(jī)接口，同時經(jīng)CAN總線實現(xiàn)對下位機(jī)監(jiān)測節(jié)點的控制。上位機(jī)軟件可分為主程序模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通訊模塊3部分，主程序模塊完成界面顯示、人機(jī)接口、模塊調(diào)用、輸出控制等功能；數(shù)據(jù)處理模塊完成數(shù)據(jù)采集、風(fēng)量、溫度等待測量的數(shù)字濾波、計算等處理功能；通訊模塊除了接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)外還向下位機(jī)發(fā)出風(fēng)機(jī)控制指令。上位機(jī)系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖9所示。圖9 上位機(jī)系統(tǒng)人機(jī)交互界面4 小結(jié)在礦井風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，為實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測和控制，提出了一種基于CH373芯片構(gòu)建的USB-CAN總線在礦井風(fēng)機(jī)通信中的總線解決方案，該系統(tǒng)不僅較好地實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信和控制，同時與傳統(tǒng)RS485相比，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，解決了通信距離短和可掛接節(jié)點數(shù)目少的缺陷。本文通過詳細(xì)闡述了MSP430單片機(jī)與基于MCP2510的CAN總線接口的硬件電路和軟件設(shè)計，為在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)基于MCP2510的CAN總線進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供了借鑒。參考文獻(xiàn):1劉文杰