基于CAN 總線的本安型CO 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于CAN 總線的本安型CO 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)    摘要：由于煤礦井下環(huán)境惡劣，存在許多易燃易爆氣體，為了保證煤礦的安全開采，開發(fā)設(shè)計(jì)了基于CAN 總線的本安型CO 檢測(cè)系統(tǒng)。在分析CO 傳感器原理的基礎(chǔ)上，具體給出了基于CAN 總線的CO 檢測(cè)系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)具有功耗低、精度高、可靠性高、智能化等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：CO 傳感器信號(hào)調(diào)理電路；CAN 通信；CAN 通信協(xié)議設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：TP3931. 引言CO 是一種無(wú)色無(wú)味有毒易燃?xì)怏w，嚴(yán)重威脅煤礦井下安全生產(chǎn)，也是引發(fā)自燃火災(zāi)和瓦斯爆炸的重要因素之一，可靠、精確、實(shí)時(shí)的測(cè)出CO 濃度，對(duì)煤礦安全

2、生產(chǎn)具有重要的意義1。CO 檢測(cè)系統(tǒng)是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)CO 濃度超過警戒值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并通過CAN 總線實(shí)時(shí)傳輸節(jié)點(diǎn)類型、CO 濃度信息、繼電器狀態(tài)信息、節(jié)點(diǎn)數(shù)量信息給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。2. CO 傳感器工作原理目前，CO 傳感器達(dá)到應(yīng)用水平的主要有半導(dǎo)體式和電化學(xué)式兩種。本設(shè)計(jì)采用的是瑞士CO-CF 系列的電化學(xué)式傳感器，該類型傳感器具有響應(yīng)時(shí)間短、壽命長(zhǎng)、精度高等特點(diǎn)。它是以定電位電解為基本原理，當(dāng)一氧化碳?xì)怏w通過外殼上的氣孔經(jīng)透氣膜擴(kuò)散到工作電極表面上時(shí)，在工作電極的催化作用下，一氧化碳?xì)怏w在工作電極上發(fā)生氧化，產(chǎn)生H+離子和電子，通過電解液轉(zhuǎn)移到

3、與工作電極保持一定間隔的對(duì)電極上，與水中的氧發(fā)生還原反應(yīng)，因此，傳感器內(nèi)部就發(fā)生了氧化 -還原的可逆反應(yīng)。 這個(gè)氧化-還原的可逆反應(yīng)在工作電極與對(duì)電極之間始終發(fā)生著，并在電極間產(chǎn)生電位差。當(dāng)氣體傳感器產(chǎn)生輸出電流時(shí)，其大小與氣體的濃度成正比。通過電極引出線用外部電路測(cè)量傳感器輸出電流的大小，便可檢測(cè)出一氧化碳的濃度，如果，引入?yún)⒖茧姌O，傳感器的線性測(cè)量范圍將會(huì)有明顯提高。3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)采用 Microchip 公司的pic18fxxx 系列單片機(jī)位核心，其系統(tǒng)主要包括電源模塊、CO 采集模塊、CAN 通信模塊、聲光報(bào)警模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示：圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖3.1 微控制器單元本

4、系統(tǒng)采用pic18f248 為控制芯片，該單片機(jī)具有豐富的內(nèi)部硬件資源，是一款性價(jià)比極高的工業(yè)級(jí)芯片。pic18f248 內(nèi)含8 通道10 位高性能A/D 轉(zhuǎn)換器、4 個(gè)內(nèi)部定時(shí)器、CAN控制器等。3.2 信號(hào)調(diào)理電路當(dāng)CO 氣體經(jīng)過CO-CF 系列電化學(xué)傳感器，得到與CO 氣體濃度成正比的微弱電流信號(hào)，然后通過信號(hào)調(diào)整電路。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行整形放大，最后接入單片機(jī)AD 采樣通道。信號(hào)調(diào)理電路包括I/V 轉(zhuǎn)換及放大電路，電壓轉(zhuǎn)換電路組成。信號(hào)調(diào)理電路的運(yùn)放采用OP07。恒電位電路由U2、R1、R2、C1、C2 組成，R1、C1 和R2、C2 構(gòu)成的兩級(jí)RC 濾波器可以減小CO 傳感器內(nèi)氣體電解反應(yīng)

5、產(chǎn)生的噪聲，濾除大的尖峰干擾2。U2 的反相端連接到CO傳感器的參考極上。參考極與工作極間跨接一個(gè)耗盡型的場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，參考極與工作極短路，這樣有效地延長(zhǎng)了傳感器的壽命，正常工作時(shí)，兩極斷路。I/V 轉(zhuǎn)換及放大電路由U1、R4、R34、C3、Rload 組成，用來檢測(cè)CO 傳感器中氣體電解時(shí)產(chǎn)生的電流，把傳感器產(chǎn)生的微安級(jí)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大。由于OP07 需要雙電源供電，故使用電源轉(zhuǎn)換芯片ICL7660 將5V 電壓轉(zhuǎn)換成-5V 給OP07 供電。信號(hào)調(diào)理電路如圖2 所示。圖2 信號(hào)調(diào)理電路3.3 CAN 通信模塊設(shè)計(jì)pic18f248 最大優(yōu)勢(shì)就是內(nèi)置CAN 控制器，可以

6、省去設(shè)計(jì)時(shí)很多外圍電路，也大大節(jié)約了開發(fā)成本。故在設(shè)計(jì)時(shí)，只需考慮CAN 收發(fā)器和外部高速隔離電路即可3，具體電路如圖3 所示。圖3 微控制器外圍接口電路從圖3 可知，PIC_RST 用于單片機(jī)復(fù)位，RA0 用于模擬量采集，RA3 為模擬量采集提供參考電壓。RC0RC4 用于為該節(jié)點(diǎn)提供軟件編號(hào)，RC4RC7 為模擬量采集提供本地顯示。CANTX 和CANRX 用于CAN 通信，若CO 濃度超標(biāo)，通過Relay 引腳驅(qū)動(dòng)電磁閥灑水，降低產(chǎn)生CO 區(qū)溫度，有效避免事故的發(fā)生。圖4 CAN 傳輸光電隔離電路從圖4 可知，本設(shè)計(jì)采用6N137 作為高速光電耦合器，該光電器件高、低電平傳輸延遲時(shí)間短，

7、典型值僅為45ns，已接近TTL 電路傳輸延遲時(shí)間水平。具有10Mbps 的高速性能，內(nèi)部噪聲防護(hù)裝置提供了典型10KV/us 的共模抑制功能，因而在傳輸速度上完全能夠滿足隔離總線的要求。6N137 輸入端有兩種接法：1.輸入信號(hào)經(jīng)電阻接入6N137 第2 引腳；2. 輸入信號(hào)經(jīng)電阻接入6N137 第3 引腳；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)采用第2 種接法，即信號(hào)同相邏輯傳輸，其中R27、R28 為限流電阻，TTL 電平輸入，VCC 為5V 時(shí)，R28 可選500左右，本設(shè)計(jì)選擇390，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試證明，如果不加限流電阻或限流電阻值很小，6N137仍能工作，但發(fā)光二極管導(dǎo)通電流很大對(duì)VCC 有較大沖擊，尤

8、其是數(shù)字波形較陡時(shí)，上升、下降沿的頻譜很寬，會(huì)造成相當(dāng)大的尖峰脈沖噪聲，其峰-峰值可達(dá)到100mV 以上，所以在可能的情況下，限流電阻R28 應(yīng)盡量取大。同時(shí)，在VCAN（引腳8）和VGND（引腳5）之間必須接1 個(gè)0.1uF 高頻特性良好的電容，如瓷介質(zhì)或膽電容，該電容可以吸收電源線上的紋波，又可以減小光電隔離器接收端開關(guān)工作時(shí)對(duì)電源的沖擊。引腳6 是集電極開路輸出端，通常加上拉電阻R29，雖然輸出低電平時(shí)可吸收電路達(dá)13mA 的電流，但仍應(yīng)當(dāng)根據(jù)后級(jí)輸入電路的需要選擇電阻，由于電阻太小會(huì)使6N137 耗電增大，加大對(duì)電源的沖擊，使旁路電容無(wú)法吸收，而干擾整個(gè)模塊的電源，甚至把尖峰噪聲帶到地

9、線上，一般可選390或4.7K.，本設(shè)計(jì)選擇390。圖5 CAN 收發(fā)器模塊從圖5 中可知，CAN 收發(fā)器MCP2551 第8 引腳通過電阻接地，為CAN 收發(fā)器的斜率工作模式，該模式允許CANH 和CANL 信號(hào)上升沿和下降沿的斜率能通過MCP2551 的第8引腳和地之間的電阻來調(diào)整，且斜率與第8 引腳的輸出電流成比例。本系統(tǒng)選用斜率電阻R K s = 27 ，則對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為15V / uS ，說明在1uS 內(nèi)電壓升到15V ,由于是CAN 信號(hào)，則應(yīng)該是電壓由波谷升至波峰所需的時(shí)間，Slew Rate 的數(shù)值越大，表示瞬態(tài)響應(yīng)度越好，如圖所示。由圖可以看到，MCP2551 的第1 引腳C

10、AN 信號(hào)發(fā)送引腳與光電隔離芯片（U15）6N137 的第6 引腳，即信號(hào)輸出引腳連接，MCP2551 的第4 引腳CAN 信號(hào)接收引腳與電阻一端連接，通過電阻另一端與光電隔離芯片（U16）6N137 的第3 引腳，即信號(hào)輸入引腳連接，從而實(shí)現(xiàn)CAN 信號(hào)的收發(fā)。CAN 高速標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898 通常采用單線結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了保證CAN 總線遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)的反射，需要在CAN 總線兩端連接一個(gè)120 匹配電阻，如果要考慮EMC相關(guān)方面，則需要采用本系統(tǒng)的分裂終端設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)不用改變終端線路的直流特性即可獲得改善的EMC 特性。每個(gè)終端匹配電阻基本上都被分成兩個(gè)等值的電阻，即用兩個(gè)

11、60 的電阻代替一個(gè)120 的電阻，這種方法的特性是在終端的中間分接點(diǎn)可以得到普通模式信號(hào)，如圖6 所示。圖6 CAN 收發(fā)器模塊外圍電路4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用功能模塊化的編程方法，整個(gè)程序主要包括主程序、系統(tǒng)自檢程序、系統(tǒng)初始化程序、A/D 轉(zhuǎn)換程序、CAN 通信程序和顯示程序等，本文只介紹軟件的設(shè)計(jì)思路。4.1 主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢（包括系統(tǒng)電壓是否正常、該節(jié)點(diǎn)的編號(hào)等），如有問題，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。自檢過后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括A/D 轉(zhuǎn)化初始化、CAN 通信初始化、串口初始化等。上述工作完成后，系統(tǒng)進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換，根據(jù)采樣電壓與氣體濃度線性度關(guān)系，計(jì)算出

12、CO 濃度，然后判斷CO 濃度是否超標(biāo)，如果正常，通過CAN 總線向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，如果超標(biāo)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并向上位機(jī)發(fā)送報(bào)警值。程序流程如圖7所示。圖7 主程序流程圖4.2 CAN 通信協(xié)議軟件設(shè)計(jì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)包含很多不同類型的節(jié)點(diǎn)，如何區(qū)分節(jié)點(diǎn)的類型（如CO 傳感器節(jié)點(diǎn)、溫度節(jié)點(diǎn)、瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)）、數(shù)量、以及各節(jié)點(diǎn)所具有的功能是較為關(guān)鍵的。根據(jù)以上要求，本文設(shè)計(jì)了基于CAN 發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)幀實(shí)現(xiàn)區(qū)分各類型節(jié)點(diǎn)類型、數(shù)量、以及各節(jié)點(diǎn)所具有的功能的設(shè)定4，在實(shí)際的應(yīng)用中取得了較好的效果。具體設(shè)計(jì)如下：圖8 顯示信息CAN 數(shù)據(jù)區(qū)的使用表1 節(jié)點(diǎn)類型和節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)類型 優(yōu)先級(jí)拉線急停 0

13、00 xxxxxxx1 00000瓦斯 001 xxxxxxx1 00000溫度 010 xxxxxxx1 00000速度 011 0xxxxxxx 00000CO 011 1xxxxxxx 00000語(yǔ)音 100 xxxxxxx1 00000圖9 顯示信息數(shù)據(jù)區(qū)格式圖10 信息頭Frag：”0”表示不分段。這個(gè)傳輸包含完整的顯式信息。下個(gè)字節(jié)包含服務(wù)區(qū)。XID：設(shè)置為”0”。(該位可以定義為主機(jī)MAC ID)。MAC ID：該ID 分為兩個(gè)部分，高三位定義為節(jié)點(diǎn)類型，低三位定義為該實(shí)例標(biāo)號(hào)。MAC ID 定義： 節(jié)點(diǎn)類型/標(biāo)號(hào) 實(shí)例標(biāo)號(hào)溫度/001 001111速度/010 001111CO

14、/011 001111拉線/100 000111+信息體第2 字節(jié) (2040)語(yǔ)音/101 001111預(yù)留I/O MAC ID： IO/110 000111IO/111 000111圖11 服務(wù)區(qū)格式其中信息體的第1 個(gè)字節(jié)表示公共服務(wù)區(qū)。R/R 表示這個(gè)信息是請(qǐng)求信息還是響應(yīng)信息?！?”為請(qǐng)求?！?”為回應(yīng)。服務(wù)區(qū)的后7 為表示公共服務(wù)代碼。公共服務(wù)代碼：01hex 得到本地所有屬性值06hex 正常工作07hex 低功耗待機(jī)10hex 設(shè)置單個(gè)屬性值(動(dòng)作繼電器開閉)0Ehex 得到單個(gè)屬性值14hex 出錯(cuò)回應(yīng)17hex 空操作5. 結(jié)束語(yǔ)基于CAN總線的本安型CO檢測(cè)系統(tǒng)以pic1

15、8f248為控制器，硬件上采用可靠性高、功耗        低器件和低功耗設(shè)計(jì)方法，軟件上采用模塊化設(shè)計(jì)方法，使系統(tǒng)性能不斷提升，各項(xiàng)指標(biāo)符合國(guó)家關(guān)于氣體傳感器測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)5。本系統(tǒng)經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，運(yùn)行可靠、靈敏度高，用于工業(yè)級(jí)CO氣體濃度的測(cè)量。參考文獻(xiàn)1 MEYER UDigital signal processing with FPGAMBeijing：Tsinghua University Press2003：44 -462 劉忠富,游國(guó)棟,于為民.新型低功耗CO 檢測(cè)系統(tǒng)的研制J.自動(dòng)化儀表,2008：60

16、-63.3 潘學(xué)松,王巖.基于CAN 總線的智能測(cè)控單元J工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2006.4 DeviceNet V2.0 規(guī)范M。5 煤礦用攜帶型電化學(xué)式一氧化碳測(cè)定器技術(shù)條件.Design of CO Detector Based on CAN BusZhou Xing1, Liu Xiaowen1, Liu Lijuan21 School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,XuZhou (221008)2 School of Communication

17、and Information Engineering ,XiAn University OF Science andTechnology, Xian (710054)AbstractAs coal mine's environment is poor and there are many flammable and explosive gases, in order toensure the safety of coal mine's exploitation, therefore the detection system of intrinsically safe COwhich based on CAN BUS is developed and designed. On the basis of analysing CO sensor,implementation means of CO detection system for s