在煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中,井下監(jiān)控分站擔負著非常重要的作用。本設計研制的安全監(jiān)控分站,以微處理機AT89S52為核心,配置8路頻率量入口,與礦用傳感器連接,以采集各種測量數(shù)據(jù)。監(jiān)控分站的8路開關量輸出口與執(zhí)行器連接可實行自動斷電控制。監(jiān)控分站通過CAN總線與中心站計算機進行數(shù)據(jù)通訊,克服了傳統(tǒng)煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)總線的缺陷,能夠滿足礦井監(jiān)控系統(tǒng)對監(jiān)控分站的要求。
監(jiān)控系統(tǒng)結構
整個煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設計由地面中心站、網(wǎng)關節(jié)點站、分支中繼器、井下監(jiān)控分站和各種傳感器,以及通信介質六部分組成。其中中心站負責接收、存儲和顯示從井下監(jiān)控分站傳來的各種井下生產(chǎn)環(huán)境安全監(jiān)控數(shù)據(jù),并通過各個井下分站發(fā)送各種配置命令和對現(xiàn)場設備的控制命令;網(wǎng)關節(jié)點站實現(xiàn)現(xiàn)場總線協(xié)議和中心站計算機標準接口協(xié)議的相互轉換;分支中繼器在需要的地方完成通信線路的分支、中繼和介質信號的轉換;傳感器負責收集各種現(xiàn)場環(huán)境安全監(jiān)控數(shù)據(jù)和設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù);通信介質負責安全監(jiān)控系統(tǒng)各設備的連接和信息的傳遞。整個監(jiān)控系統(tǒng)分三級結構：中心站—井下分站—傳感器。傳輸介質根據(jù)傳輸距離不同,可分段采用不同線纜,長距離用光纖不加中繼器,或用電纜加中繼器,短距離則可只用電纜不加中繼器。如果連接的節(jié)點總數(shù)大于110個,則也需加中繼器。圖1是帶有中繼器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)組成原理圖。
圖1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖
圖2監(jiān)控分站硬件框圖
圖3 安全監(jiān)控分站軟件流程圖
安全監(jiān)控分站硬件結構
井下安全監(jiān)控分站是安全監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)的核心,負責采集和處理現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境和設備狀態(tài)等方面的安全監(jiān)控數(shù)據(jù),并能實時地控制設備。同時它也是傳輸系統(tǒng)的關鍵設施,各種數(shù)據(jù)都要通過它與地面中心站進行通訊。圖2是監(jiān)控分站的原理圖。
在圖2中,二線制輸入電路和三線制輸入電路負責對來自傳感器的8路頻率信號(200Hz~1000Hz)進行整形,從而得到波形、電平規(guī)范的方波信號。光耦電路則主要負責信號的隔離,消除共模電壓的影響并遏制過程通道上的一些脈沖干擾,從而提高系統(tǒng)的信噪比。單片機通過多路選擇器(8選1開關)定時巡檢8路信號,對得到的數(shù)字量進行判斷和運算,進而用得到的控制量,去自動控制繼電器的狀態(tài),從而實現(xiàn)對井下設備的控制。利用CH451L芯片驅動數(shù)碼管循環(huán)顯示8路信號的頻率、通道號、通道類型以及線路狀態(tài)等。CAN總線和RS-232總線把單片機根據(jù)主站命令采集的安全監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)傳給上位機。74HC373除了擴展片外RAM,以用來存儲歷史數(shù)據(jù)外,還進行了P0口擴展,從而使分站能夠根據(jù)主站發(fā)來的命令允許對繼電器的狀態(tài)進行手動控制。系統(tǒng)中的紅外接口,主要用來實現(xiàn)對分站的就地遙控、更改分站通道號,以及對單片機進行復位等。
安全監(jiān)控分站軟件設計
系統(tǒng)總體軟件結構如圖3所示。在整個軟件流程中,測頻中斷的優(yōu)先級最高,以保證測頻的精度。CAN通信的中斷優(yōu)先級次之,RS-232中斷的優(yōu)先級最低。
為保證主站與分站通信的實效性,本設計完成測頻中斷服務僅需13個機器周期,而信號的周期比機器周期大數(shù)千倍,從而大大減小了主站在測頻中斷服務期間與分站進行通信的概率。
在本設計中,已知來自傳感器的信號的頻率范圍為200Hz~1000Hz,信號的周期為1ms~5ms,而機器周期為0.0005ms,故主站與分站在測頻中斷響應期間進行通信的概率為0.12~0.60%,即主站與分站進行通信的實效率為99.40~99.88%,完全能夠滿足安全生產(chǎn)的要求。
關鍵技術及其實現(xiàn)
測頻技術
通常使用的單片機的測頻方法有兩種：直接測頻法和測周期的方法。本設計中選用了測周期的方法,因為本設計中被測信號的頻率較低,用測周期的方法精度較高,而且實時性強、測頻時間短,即使主站與分站每隔400ms通信一次,也能夠完成測頻的功能。
根據(jù)頻率計算公式得到周期法測頻公式,式中,TO為定時器/計數(shù)器的計數(shù)脈沖周期時間,由單片機主脈沖經(jīng)12分頻得到,N為計數(shù)器在測周期期間的計數(shù)脈沖。當晶振振蕩頻率為24MHz時,定時器的計數(shù)脈沖周期時間為0.5?s,測量最大絕對誤差為信號前后邊界之差共1?s。對于周期為1ms~5ms(頻率200Hz~1000Hz)的信號,最大誤差折算成頻率約為0.002Hz~0.01Hz,所以,頻率測量精度可達到0.001Hz~0.01 Hz。
CAN總線通訊技術
CAN 總線通信是整個軟件設計的重要部分。通信過程主要包括發(fā)送和接收部分,本設計中兩部分都設置成了中斷方式而不是查詢方式,可以把它們做成模塊,采用調用子程序的方式來訪問。
發(fā)送子程序負責節(jié)點報文的發(fā)送,發(fā)送時用戶只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成一幀報文送入SJA1000發(fā)送緩存區(qū)中,然后啟動SJA1000發(fā)送即可。但在往SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)送報文之前,必須先作一些判斷。程序如下：
MOV DPTR,#CAN_SR ;狀態(tài)寄存器
WS0: MOVX A,@DPTR ;從SJA1000讀出狀態(tài)寄存器值
JNB ACC.3,WS0 ;判斷上次發(fā)送是否完成
WS1: MOVX A,@DPTR ;
JNB ACC.2,WS1 ;判斷發(fā)送區(qū)是否鎖定
CAN總線通訊的發(fā)送模塊根據(jù)用戶制定的應用層協(xié)議,將要發(fā)送的數(shù)據(jù)分類、拆解、合并,確定發(fā)送對象,然后根據(jù)CAN的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議填寫到CAN數(shù)據(jù)幀的各個場,并發(fā)送出去。發(fā)送程序分為發(fā)送遠程幀和數(shù)據(jù)幀兩種,遠程幀無數(shù)據(jù)場。
接收子程序負責節(jié)點報文的接收以及其它情況。接收子程序比發(fā)送子程序要復雜一些,因為在處理接收報文的過程中,同時要對諸如總線脫離、錯誤報警、接收溢出等情況進行處理。SJA1000報文的接收主要有兩種方式：中斷接收和查詢接收,考慮到對通信的實時性要求很強,本設計采用中斷接收方式。
接收模塊的工作與發(fā)送模塊相反,首先進行接收濾波,確認該幀數(shù)據(jù)是否接收。如果接收,先按照數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議拆解數(shù)據(jù)包,將數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)提取出來,再根據(jù)應用層協(xié)議確定數(shù)據(jù)的具體含義,進行相應的處理。CAN信息幀共有4種：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀和超載幀。其中,數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)由發(fā)送器傳至接收器。一個數(shù)據(jù)幀由7個不同場構成。其中仲裁場由標識符ID和RTR構成。
結語
本文以微處理器AT89S52為核心,設計的KJ122型煤礦安全監(jiān)控分站,通過CAN總線、RS-232總線,在定制的KJ122型煤礦監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)議下與中心站計算機進行通訊,具有實時性強、可靠性高、結構簡單、互操作性好、價格低廉等特點,目前已投入實用。