一种分级网络架构的煤矿综合监控系统设计

王 刚 郭新军

(河南工程学院电气信息工程系，河南 新郑 451191)

0 引言

随着工业化的发展，人们对能源的要求越来越多，作为能源主流之一的煤炭，其需求也日益旺盛。我国煤炭资源丰富但矿藏条件复杂，据资料表明，我国约47%的矿井是高瓦斯或瓦斯突出矿［1］。这些矿藏的开采，若没有相应的监测技术，就易出现矿井安全事故。因此，对矿井里的现场作业环境、电气线路和工作设备的运转情况进行全面而有效的监测和控制，构建对煤矿井上、井下可靠安全预警和决策管理的综合监控系统，对保障煤矿的安全高效生产具有重大的意义。

目前，矿井中普遍使用由RS-485总线组成的半双工、巡检式监控系统［2］。这类系统存在实时性差、数据速率低、可靠性不高等缺点。另外还有一些监控内容比较单一的系统［3－4］，这些监控系统很难满足作业情况复杂的矿井对安全监控的要求。为此，本文提出了一种分级网络框架的CAN总线监控系统。该系统的主干CAN网采用总线拓扑结构，二级CAN网采用星型拓扑结构。根据监控对象的不同，主干网和二级网通信节点分别采用不同的智能节点设计。

1 CAN总线的通信模型

由CAN总线架构的通信网络，遵守开放系统互连(open system interconnection，OSI)规范，结构上采用层次设计［5］。作为工业现场测控底层网络，通信网络对信息传输的实时性要求较高，网络互联结构较简单。因此，CAN总线网络在通信底层仅采纳了开放系统互连。

通信模型的最低两层为物理层和数据链路层，而模型的高层为应用层。CAN数据链路层由逻辑链路控制(LLC)子层和媒体访问控制(MAC)子层构成。物理层决定信号的传输方式，是网络设备间通信的物理电气线路，用于实现通信总线驱动和数据流传输;MAC子层是实现CAN协议的核心层，它用于约定网络上通信数据的传送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定等;LLC子层则实现报文滤波、总线超载通知和总线恢复管理等功能。物理层和数据链路层的功能可由网络中的CAN接口控制器完成，而应用层的功能由微处理器或工控机上相应的进程完成。CAN网络的通信模型如图1所示。

图1 CAN网络通信模型Fig.1 CAN network communication model

2 系统网络架构

CAN总线为串行总线，因此由其架构的分布式工业测控网络按照串行通信式网络实现，其网络架构如图2所示。

图2 CAN总线分级网路拓扑图Fig.2 CAN bus hierarchical network topology

主网络采用总线型拓扑结构，二级网络采用星型拓扑结构，CAN网络的物理电气线路采用屏蔽双绞线。煤矿综合监控系统中的现场测控设备依靠二级智能节点模块，经二级CAN总线网络挂接在一级智能节点上，由一级智能节点信息处理后接入主网络总线上。主网络CAN总线是由工控机上PCI插槽中的CAN卡引出并驱动。分级网络可以避免主网络上的节点数目过多这一问题。尽管理论上CAN2.0节点数可以有很多，但受实际工程中电气负载的影响，如驱动负载的电阻［6］，其节点数目受到很大的限制。网络上节点估计一般按照以下公式进行计算［7］:

式中:Rdiff.min为网络中的节点最小差动输入电阻;RL.min为网络中CAN总线驱动器的最小负载电阻;RT.min为网络中的最小终端电阻。

另外，CAN总线数据传输采用时分复用原则。如果主网络上节点数太多，对于多主动通信的CAN总线网络来说，无疑会提高网络阻塞的几率;且节点太多时，CAN的仲裁机制会增加一些节点数据通信的时延。因此，本系统采用二级网络结构，以减小主干网络的时延和堵塞。若主网络架设距离比较长，根据实际工程需要，应在网络中接入中继器，以保证主网络总线上较高的通信速率和通信数据的可靠性。主网络需要在总线的终端接入总线终结器，以防止通信信号回波的反射干扰。工程上，一般采用一个与总线介质特性阻抗相匹配的电阻来实现。

3 通信模块硬件电路设计

3.1 一级智能节点设计

微处理器字长的选择与数据吞吐量和对处理数据精度的要求等有关。本文设计的CAN通信控制器采用SJA1000［8］，其数据接口为8位，这决定了即使选用字长超过8位的微处理器，其每次与SJA1000的数据交换量也是1 B，所以本系统选用8位的微处理器STC11F60XE。该处理器内核采用增强性51内核，工作频率最高可达35 MHz，数据的处理速度是普通51核的8～12倍，具有很强的抗干扰性，完全满足煤矿现场工程环境和CAN总线一级智能节点的硬件要求。在本设计中，STC11F60XE所有外围等硬件资源都得到了充分的利用。

一级智能节点硬件架构如图3所示。

图3 一级智能节点硬件架构Fig.3 Hardware architecture of the 1st level intelligent node

一级智能节点模块由微处理器STC11F60XE、CAN通信控制器SJA1000、CAN总线收发器PCA82C250、高速光电耦合器6N137、8路输入的与门CD4068、译码器SN74F138、编码器CD4532B以及匹配接口电路等部分组成。

3.2 二级智能节点设计

二级智能节点模块由微处理器STC11F60XE、CAN通信控制器SJA1000、高速光电耦合器6N137、CAN总线收发器PCA82C250以及监控接口电路等组成。二级智能节点硬件架构如图4所示。

图4 二级智能节点硬件构架Fig.4 Hardware architecture of the 2nd level intelligent node

PCA82C250 CAN总线收发器用作SJA1000和CAN物理传输线路之间的接口芯片［9］。PCA82C250工作在额定电压为12 V的CAN总线系统中，为总线提供差动驱动。PCA82C250数据的通信速率由RS脚与地之间连接的电阻值R10决定。当R10=0时，即把该引脚直接接地，PCA82C250处于高速通信方式。这种情况下，应避免高频干扰，为此建议使用屏蔽电缆作为总线的物理通信介质。

通常情况下，根据实际工程中通信的速率选择相应的阻值，R10的取值范围一般在16～200 kΩ。考虑到二级智能节点位于数据采集现场(有时距离一级节点较远)，同时兼顾传输速率，本系统二级节点电阻R10取47 kΩ。

4 结束语

CAN作为一种比较实用的工业现场控制总线，具有高速率、长距离、高可靠性等优点。它已成为目前工业控制领域常用的现场总线［10］。本文提出的分级CAN网架构的煤矿综合监控系统，能够减少主网的信息堵塞和信息数据的延迟，在组网通信试验中，较好地实现了分级网络架构中智能节点间以及智能节点与服务器间的数据通信。

［1］姚元领，司俊鸿.浅谈有关瓦斯压力测定的一点认识［J］.能源技术与管理，2010(2):34－36.

［2］林雪峰，刘胜，李柏均.RS-485总线在煤矿安全监控系统应用中的可靠性设计［J］.矿业安全与环保，2006，33(z1):29 －31.

［3］殷侠.基于CAN总线煤矿高温安全监控系统的研究［J］.煤炭技术，2011，30(9):123 －125.

［4］杜辉.基于CAN总线的矿井通风监测系统［J］.计算机工程与设计，2009，30(15):3565 －3567.

［5］ BOSCH Corporation.CAN Specification V2.0［EB/OL］.［2000 －11－20］.http://www.can-cia.org

［6］ Dougles E.Computer networks and internets［M］.New Jersey:Prentice Hall，2000.

［7］饶志强，严国萍，阮幼林，等.基于CAN的最大总线长度和节点数求解方法［J］.通信和计算机，2007(4):5 －8.

［8］ Pillips.SJA1000 specification［EB/OL］.［2000 － 12 － 01］.http://www.semiconductor.philips.com.

［9］ NXP Corporation.PCA82C250 product data sheet［EB/OL］.［2000－01 －11］.http://www.nxp.com.

［10］柴钰，张奇.CAN总线技术在工业报警网络系统的应用［J］.自动化仪表，2011，32(2):43 －48.