基于CAN总线的隔爆兼本安型多功能转换箱的研究

【摘要】介绍了一种矿用隔爆兼本安型多功能转换箱，其具有CAN总线控制功能、本非安转换功能、就地操作功能和信号联锁功能，应用范围广、信号形式丰富。实际应用表明，该隔爆兼本安型多功能转换箱性能稳定可靠，具有广泛的应用前景。

【关键词】煤矿；转换箱；本质安全；隔爆；CAN总线

1.引言

随着自动化技术的不断发展，煤矿井下的自动化产品更加丰富[1]。按照GB3836-2010[2]的定义，煤矿井下的自动化产品的接口分为本安接口和非安接口，在连接时必须是本安对本安、非安对非安，如果本安接口与非安接口需要互联，则需经过转换。尤其是在某些领域，本质安全性控制设备由于受到矿用本安化的限制，性能和资源相对有限[3]，无法满足越来越高的应用要求，必须采用性能更高的防爆型控制设备，但多数矿用传感器为本安型，此时连接则需通过转换。目前国内的本非安专用转换设备多是针对特定系统的单一功能的产品，应用范围小，缺乏灵活性。本文介绍的隔爆兼本安型多功能转换箱具有5种转换功能：

（1）具有本安CAN总线接口，通过CAN总线，远端设备可以发送总线命令控制转换箱的本安输出口和非安继电器输出，同时本安输入口和非安输入口的状态上传CAN总线，供远端设备采集；

（2）本安开关量输入信号转非安继电器接点信号；

（3）非安开关量输入信号转本安输出信号；

（4）具有本地操作按钮，方便实现就地操作；

（5）具有联锁信号输入功能，联锁信号可以控制本安输出和非安继电器输出是否有效，联锁信号的形式可以是电平信号或频率量信号。

这种隔爆兼本安型多功能转换箱应用范围更加广泛，信号形式吻合煤矿自动化发展的趋势。

2.硬件设计

设备的硬件主要分为电源电路、单片机电路、隔离电路等几个部分。

2.1 电源电路

2.2 单片机电路

单片机选用集成CAN总线控制器的低功耗、高性价比的PIC18F系列单片机，该系列单片机是美国Microchip推出的采用RISC（精简指令集）的CMOS 8位单片机，目前已广泛应用于工业控制领域。

单片机电路原理框图如图2。电源部分为单片机电路提供电源，单片机为5V供电。晶振为单片机工作提供时钟，外部晶振较之内部RC振荡更为稳定和精准。单片机的端口经过隔离电路连接到外部设备。设备的CAN总线接口为本安接口，单片机的CAN控制器的接收端和发送端经过隔离电路连接到CAN总线驱动器，CAN总线驱动器CANH和CANL连接到外部设备，即可与其他设备组成CAN总线网络。

2.3 隔离电路

隔离电路主要分为两部分：单片机端口隔离和CAN控制器的接收端和发送端的隔离，前者采用光耦隔离，后者采用磁耦隔离。

光耦采用东芝公司的TLP521，该光耦价格低、性能稳定，虽支持的工作频率较低，但用在开关量隔离电路中是合适的。《MT209-90煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》[5]中对开关量输入输出信号的高低电平幅值都有明确规定，因此需根据光耦的导通特性选取限流电阻的阻值。

CAN控制器的接收端和发送端的隔离采用磁耦，型号为ADUM1201，是ADI公司推出的基于iCoupler技术的双向磁隔离芯片，特点是支持的工作频率高达25Mbps，特别适合于通信信号的隔离。

3.软件设计

软件设计主要是单片机中的程序设计，单片机程序流程图如图3。

初始化是单片机工作必不可少的步骤，隔爆兼本安型多功能转换箱的程序初始化主要包括变量初始化、I/O端口初始化、CAN总线初始化、定时器初始化、捕获模块初始化以及复位类型的检测等。初始化结束后，单片机开始周期性的循环执行各个功能函数。

看门狗是保障单片机正常运行的一个措施，对于工业控制尤为重要。看门狗其实质是一个定时器，当定时时间结束，会触发单片机复位，因此在定时时间结束之前，需要将定时器清零，通常的做法是每个循环周期都将看门狗定时器进行一次清零。如果程序指针指向了错误的地方，导致程序不能正常地循环执行，则看门狗定时器不能及时清零，就会触发单片机复位，将程序指针重新指向初始化的地方，防止程序长时间的错误执行，引起设备故障。

数据采集及处理函数的作用是定时采集单片机端口的数据，经过防抖动及滤波处理，将其存储在相应的变量中，以备其他功能函数使用。CAN总线相关的函数包括CAN总线命令处理函数和CAN总线发送函数。CAN总线命令处理函数的作用是处理来自远端设备的总线命令，根据协议作出相应的处理，主要是对输出口操作，将相应的处理结果存储在总线命令寄存器中，供控制输出函数读取。CAN总线发送函数的作用是根据协议将本地采集的数据按照一定格式发送到CAN总线上，供其他总线设备采集。

控制输出函数的作用是根据不同的工作方式控制设备的输出口，设备共有三种工作方式：远控、就地和检修。在远控工作方式下，由总线命令寄存器控制输出口的状态，并且输出口是否有效受联锁信号的影响，如果没有联锁信号输入，则输出口始终无法输出，只有在联锁信号接入的情况下，总线命令寄存器才能控制输出口的状态。就地和检修方式都是由面板按钮控制输出口的状态，不同之处在于联锁信号是否影响输出口，就地方式下输出口是否有效受联锁信号的影响，检修方式下则不受其影响。

4.关键技术

CAN总线技术是隔爆兼本安型多功能转换箱的关键技术。CAN总线是一种多主方式的串行通信总线，它具有传输速率高、传输距离远、可靠性高和实时性好等优点。CAN总线在工业自动化领域已得到了广泛应用，是标准的现场总线之一。

CAN总线采用多主的结构，节点与节点之间通信无需先问后答，如果节点有需要发送的数据，直接向总线发送即可，CAN总线协议中定义的仲裁机制确保一次只能有一个节点向总线发送数据。仲裁机制有两个关键问题：时间同步和标识比较。CAN总线中每个节点的时钟都是同步的，当总线空闲时，每个节点要按照协议规定在同一时间窗口开始逐位发送数据帧。每个数据帧包括两部分内容：帧标识和数据，先发送帧标识，再发送数据。如果多于一个节点发送了数据帧，则对每个数据帧的标识进行比较，标识小者继续发送，标识大者退出仲裁。

基于CAN总线的多主结构和仲裁机制，考虑到总线带宽和实时性，隔爆兼本安型多功能转换箱的CAN数据发送机制采用周期发送和变化发送相结合的方法。周期发送有两个作用：一是作为心跳命令，让对方接点知道多功能转换箱通信是正常的；二是周期性地发送多功能转换箱的工作状态、输入输出等信息。变化发送是确保实时性的重要措施，当多功能转换箱的工作状态、输入输出等发生变化时，多功能转换箱会立即发送数据，让让对方接点知道数据的变化，变化发送的帧标识小于周期发送的帧标识，因此当有周期发送和变化发送在同一时间窗口需要发送时，变化发送的数据帧首先被发出。周期发送和变化发送相结合的方法既保证了CAN总线的稳定性，又提高了CAN总线的实时性。

5.结语

与传统的本非安转换箱相比，隔爆兼本安型多功能转换箱信号形式更丰富、应用面更广，尤其是具有CAN总线接口，进一步拓展了应用空间。目前，隔爆兼本安型多功能转换箱已在国内多个煤矿应用，操作方便，性能稳定，取得了较好的应用效果。随着自动化技术的不断发展，隔爆兼本安型多功能转换箱在煤矿监控系统中的应用会越来越成熟，其稳定性、灵活性将得到越来越多用户的认可。

参考文献

[1]李海东.煤矿自动化的现状与发展[J].煤矿现代化，2005 （5）.

[2]中华人民共和国质量监督检验检疫总局.GB3836-2010[M].中国标准出版社，2011，8.

[3]单成伟，赵聪慧，蒋泽，张立斌.煤矿井下隔爆兼本质安全型计算机的设计[J].工矿自动化，2010（11）.

[4]陈向东.矿用本质安全电源[J].煤炭科学技术，1997，25 （6）.

[5]中华人民共和国能源部.MT209-90煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求[M].中国标准出版社，1991，5.

作者简介：王仁龙（1976—），男，河北联合大学机械学院在读工程硕士研究生，工程师，主要从事煤矿机电管理及工业自动化等方面的工作。

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