基于CAN 總線的礦用多功能充電架的開(kāi)發(fā)與研究?

王欣峰，任淑萍

（1.山西大學(xué) 工程學(xué)院 自動(dòng)化系，山西 太原 030013；2.山西大學(xué) 工程學(xué)院 電子信息工程系，山西 太原 030013）

0 引言

近年來(lái)，因礦燈使用管理不善而引發(fā)的礦山重、特大事故時(shí)有發(fā)生，礦燈的信息化管理還很薄弱，本文充分利用CAN總線的強(qiáng)大功能組成通信網(wǎng)絡(luò)，使用89C52單片機(jī)和SJA1000控制器設(shè)計(jì)了智能CAN節(jié)點(diǎn)硬件部分，并配以一定的軟件，開(kāi)發(fā)出了基于CAN總線的智能礦燈充電架系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)從充電、使用到自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、考勤等動(dòng)態(tài)管理，通過(guò)局域網(wǎng)還可在辦公室內(nèi)查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、打印有關(guān)信息等。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括上位監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元、帶有CAN接口的主控計(jì)算機(jī)、CAN總線和充電架。礦燈充電架的主要功能是為礦燈充電提供合適的電壓和電流，各個(gè)礦燈充電架獨(dú)立工作；無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元用于把主控計(jì)算機(jī)收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)監(jiān)控計(jì)算機(jī)；帶有CAN接口的主控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)采集各個(gè)充電架的信息并進(jìn)行處理；各個(gè)充電架之間的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信。

2 多功能充電架的硬件設(shè)計(jì)

2.1 CAN總線智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)上信息的接收和發(fā)送是通過(guò)節(jié)點(diǎn)來(lái)完成的，智能節(jié)點(diǎn)是指節(jié)點(diǎn)本身是由微處理器和可編程CAN控制芯片組成的。該硬件電路主要由微處理器部分、隔離CAN收發(fā)器和CAN控制器三部分組成，如圖2 所示。本設(shè)計(jì)中所選用作為智能節(jié)點(diǎn)微處理器的是宏晶公司STC系列的STC89C52，負(fù)責(zé)礦燈的充電狀態(tài)以及礦燈信息的讀取，該系統(tǒng)采用＋5V電源輸入。CAN控制器使用的是Philips公司生產(chǎn)SJA1000，該芯片是一款獨(dú)立的控制器，通常用于汽車(chē)和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)，本設(shè)計(jì)采用的是PeliCAN模式。CAN協(xié)議控制器是通過(guò)PCA82C250和物理總線進(jìn)行接口的，它能夠提供總線的差動(dòng)發(fā)送和接收能力，具有高速性（最高可達(dá)1Mb／s）和抗瞬間干擾能力，且具有降低射頻干擾的斜率控制。

圖1 基于CAN總線的礦燈充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊主要用于把主控機(jī)接收到的充電架信息發(fā)送到上位機(jī)，以便于管理人員對(duì)每個(gè)礦燈進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及考核礦工的出勤情況。本設(shè)計(jì)中采用Nordic公司推出的工作于2.4GHz ISM 頻段的nRF2401射頻芯片，該射頻芯片沒(méi)有復(fù)雜的通信協(xié)議，完全對(duì)用戶(hù)透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。nRF2401芯片工作速率為0～1Mb／s，所需外圍元件極少，內(nèi)置硬件CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)），集成了頻率合成器、晶體振蕩器和調(diào)制解調(diào)器。該設(shè)計(jì)中采用ShockBurst TM收發(fā)模式，該模式系統(tǒng)具有編程簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。配置好后，在nRF2401工作過(guò)程中，只需改變其最低一個(gè)字節(jié)中的內(nèi)容，就可實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間的切換。如圖3 所示為nRF2401的硬件連接圖，需要注意的是nRF2401的工作電壓為1.9V～3.6V，但是可以直接和單片機(jī)的I／O引腳相連，為了工作穩(wěn)定，需要進(jìn)行分壓處理。

圖2 智能節(jié)點(diǎn)

圖3 nRF2401的硬件電路

3 多功能充電架的軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，使用VC＋＋的通信模塊開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，該程序負(fù)責(zé)對(duì)充電架上傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行最終處理并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦燈充電狀態(tài)、礦工狀態(tài)查詢(xún)、考勤管理等各項(xiàng)監(jiān)控功能。

3.2 CAN智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

CAN智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)部分包括對(duì)CAN總線控制器的初始化、報(bào)文的發(fā)送和接受三部分。對(duì)CAN控制器的初始化過(guò)程主要是設(shè)置CAN的通信參數(shù)，需要對(duì)CAN控制寄存器初始化的有：模式寄存器、時(shí)分寄存器、屏蔽寄存器、接收代碼寄存器、輸出控制寄存器、總線定時(shí)寄存器等。需要注意的是對(duì)這些寄存器的訪問(wèn)只能在CAN控制器處于復(fù)位狀態(tài)下才可進(jìn)行。圖4 為CAN總線控制器的初始化流程圖。

圖4 CAN總線控制器的初始化流程

初始化子函數(shù)如下：

void init＿can（）／／初始化SJA100主控制器子函數(shù)

｛CR＝0X01；／／控制寄存器為復(fù)位

CDR＝0；／／設(shè)置時(shí)鐘分頻器

ACR＝0；／／驗(yàn)收碼寄存器

AMR＝0XF；／／驗(yàn)收屏蔽寄存器

BTR0＝0x31；／／定時(shí)總線寄存器0

BTR1＝0X18；／／定時(shí)總線寄存器1

Ocr＝0x55；／／輸出控制寄存器

CR＝0X6E；／／控制寄存器進(jìn)入工作

EA＝1；／／開(kāi)中斷｝

等發(fā)送緩沖區(qū)清空后，報(bào)文發(fā)送子程序從緩沖器中取出要發(fā)送的數(shù)據(jù)，加上標(biāo)識(shí)符等信息，成為信息幀，將信息幀發(fā)送到CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)信息的發(fā)送是在接收到主機(jī)的發(fā)送請(qǐng)求后且啟動(dòng)發(fā)送命令后完成的。把信息由CAN控制器發(fā)送到總線則是由CAN控制器自動(dòng)完成的。同理，報(bào)文接受的時(shí)候，從CAN總線把信息傳到CAN控制器的接收緩沖區(qū)，這個(gè)過(guò)程也是由CAN控制器自動(dòng)完成的。接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取信息，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。報(bào)文的發(fā)送和接收流程圖如圖5 所示。

圖5 報(bào)文發(fā)送和接收流程

3.3 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的軟件設(shè)計(jì)包括nRF2401的初始化、nRF2401的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。其中對(duì)nRF2401的初始化包括對(duì)收發(fā)模式、晶振頻率、收發(fā)信道頻率、地址、傳輸速率、CRC校驗(yàn)、芯片發(fā)射功率等進(jìn)行配置。該設(shè)計(jì)中，使用通道1在ShockBurst TM模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)速率為250kb／s，收發(fā)信道頻率2 402MHz，晶振頻率16MHz。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先讓該模塊為發(fā)送工作模式（引腳CE＝1），配置接收端地址和有效數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)發(fā)送（引腳CE＝0），發(fā)送端等待數(shù)據(jù)發(fā)送完成。當(dāng)發(fā)送完成后模塊進(jìn)入接收狀態(tài)，接收接收端的應(yīng)答數(shù)據(jù)。如果接收到數(shù)據(jù)則根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)處理，因此在接收端的主循環(huán)里可以一直判斷發(fā)送標(biāo)志位DR1是否為1，為1則表示接收到數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種利用CAN總線和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)開(kāi)發(fā)礦用多功能充電架的設(shè)計(jì)方案，完成了相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)并對(duì)軟件流程進(jìn)行了分析。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用必將大大提高煤礦對(duì)礦燈充電的效率和質(zhì)量，能夠較好地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)和管理。

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［3］王永華.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用教程［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

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