CAN通訊技術(shù)在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

胡詩強(qiáng)

摘要：煤礦開采過程中容易發(fā)生各種安全事故，嚴(yán)重威脅到員工的身心健康，還會造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，為了降低煤礦事故的發(fā)生，采用監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)ΜF(xiàn)場環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，包括時(shí)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀況、井下各種有害物質(zhì)濃度狀況等進(jìn)行監(jiān)測，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤礦開采過程中的問題，從而作出合理的應(yīng)對措施降低危險(xiǎn)程度。CAN通訊技術(shù)的優(yōu)勢較多，能夠在系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。于是文章主要使用視頻監(jiān)控方式，研究CAN通訊技術(shù)在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。首先對監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其中主要包含井下監(jiān)控系統(tǒng)和井上監(jiān)控系統(tǒng)，然后對煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中使用的關(guān)鍵技術(shù)和程序?qū)崿F(xiàn)方式進(jìn)行分析，最后對煤礦監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高效率錄像功能，且其可靠程度較高、成本較低。

關(guān)鍵詞：CAN通訊技術(shù);煤礦監(jiān)控系統(tǒng);應(yīng)用

中圖分類號：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）01-0127-04

煤礦屬于我國重要的生產(chǎn)領(lǐng)域，與國計(jì)民生有密切的相關(guān)性。在煤礦生產(chǎn)過程中，由于其環(huán)境較為復(fù)雜，容易發(fā)生各種安全事故。在煤礦中建設(shè)先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)ιa(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測和控制，有助于提高煤礦生產(chǎn)的安全性，并且對煤礦進(jìn)行監(jiān)測屬于一個(gè)發(fā)展趨勢。

如今，在監(jiān)控系統(tǒng)中需要將各種信號圖像進(jìn)行傳輸，其中使用的主要介質(zhì)包含光纖、電纜和雙絞線由于對煤礦進(jìn)行監(jiān)控，傳輸距離會非常遠(yuǎn)，所以監(jiān)控系統(tǒng)中選擇光纖作為傳輸方式，因?yàn)樵搨鬏敺绞侥軌驅(qū)⑦h(yuǎn)距離的信息數(shù)據(jù)傳送到目的地，所以相比于另外兩種方式，光纖方法在煤礦監(jiān)控中具有更好的應(yīng)用效。CAN通訊技術(shù)具有較多的優(yōu)勢，比如數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)開放性、網(wǎng)絡(luò)通訊距離等方面都具有很好的優(yōu)勢，所以將其應(yīng)用于煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中能夠提高監(jiān)控效果，并且也是煤礦行業(yè)中首選的設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)。

煤礦監(jiān)控系統(tǒng)對視頻采集主要有兩種方式，其中一種方式是通過視頻采集卡中存在的一個(gè)軟件開發(fā)包SDK進(jìn)行，這種方式雖然比較簡單，容易操作，但是該方式不能充分滿足各個(gè)視頻應(yīng)用程序的要求，具有比較差的靈活性。另外一種方式為基于VFW進(jìn)行，該方式能夠提供一系列應(yīng)用程序編程接口，具有較好的靈活性，能夠滿足程序的開發(fā)需求。于是文章將CAN通信技術(shù)應(yīng)用到煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)流的壓縮和高效率存儲功能。

1煤礦生產(chǎn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

文章所研究的監(jiān)控系統(tǒng)屬于一個(gè)智能化系統(tǒng)，能夠自動完成對煤礦生產(chǎn)的監(jiān)控作用。由于煤礦生產(chǎn)中包含地上作業(yè)和地下作業(yè)，所以在設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)需要考慮兩個(gè)部分，于是該系統(tǒng)中主要包含兩個(gè)部分，分別為井上監(jiān)控系統(tǒng)和井下監(jiān)控系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1井下監(jiān)控系統(tǒng)

攝像機(jī)作為井下監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，主要的工作任務(wù)為對重要設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行拍攝，并且對煤礦采掘現(xiàn)場狀態(tài)進(jìn)行拍攝。然后這些視頻數(shù)據(jù)使用NDT CV4102ST/R視頻光端機(jī)進(jìn)行傳輸，將其傳輸?shù)絇C機(jī)上從而對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼顯示。而各種環(huán)境參數(shù)的檢測則是通過使用監(jiān)測傳感器獲得，并將其信息轉(zhuǎn)化為4～20mA電流環(huán)信號，另外有一個(gè)專門對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采樣的設(shè)備對其進(jìn)行收集，其中的傳輸方式為電纜集中傳送。于是可得知在環(huán)境桉樹模型信號的采集精度受到檢測傳感器、采樣設(shè)備和傳送電纜等因素決定。其中采樣設(shè)備與CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。

1.2井上控制系統(tǒng)

井上監(jiān)控系統(tǒng)主要包含兩臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作，這兩臺計(jì)算機(jī)的作用分別是作為圖像平臺和控制平臺?？刂破脚_的計(jì)算機(jī)中使用虛擬串口軟件，并且還會在CAN上連接PC-CAN接口卡和CAN232MB轉(zhuǎn)換器等設(shè)備，從而能夠與RS232設(shè)備進(jìn)行連接，于是可以對井下所有的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行接收，該計(jì)算機(jī)就會對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，并且還能夠?qū)卤O(jiān)控分站進(jìn)行傳達(dá)指令。另外一臺計(jì)算機(jī)在光端機(jī)的配合使用下能夠完成圖像解碼顯示，其中要方式就是將第一臺計(jì)算機(jī)中收集到的相關(guān)井下數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，這些數(shù)據(jù)主要包含著井下溫度、有害氣體濃度、采掘進(jìn)尺、負(fù)壓、瓦斯?jié)舛?、粉塵等，然后再PC上能夠?qū)崿F(xiàn)各種數(shù)據(jù)的疊加顯示和存儲，達(dá)到對不同畫面的查看作用，另外當(dāng)這些數(shù)據(jù)指標(biāo)存在問題時(shí)，還能夠起到報(bào)警作用，從而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，采取相應(yīng)措施，降低事故危險(xiǎn)程度。

2關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式

2.1光纖圖像數(shù)據(jù)通信方式

在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中最重要的一個(gè)部分為視頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，只有采集到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)之后才能達(dá)到監(jiān)控的目的。其中構(gòu)成部件主要包含PV CAN接口卡和PC機(jī)插視頻卡。然后再井下安裝四個(gè)攝像機(jī)，還有不同的傳感器設(shè)備。在CAN網(wǎng)絡(luò)中使用光纖作為物理層，傳感器則使用轉(zhuǎn)換器將信息數(shù)據(jù)傳到控制臺中，于是可以利用PC上VC應(yīng)用程序達(dá)到對井下進(jìn)行控制監(jiān)控的目的，并且可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。圖2即為視頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

2.2視頻采集的實(shí)現(xiàn)方式

在視頻采集過程中需要使用的采集卡為大恒DH-VT142，該采集卡正好符合文章所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)的要求，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的采集速度，其中數(shù)據(jù)存取通道使用的是新型PCI-E x1總線。圖3即為視頻采集的基本實(shí)現(xiàn)方式。

2.3虛擬串口的實(shí)現(xiàn)方式

為了能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬串口軟件，主要做法就是在Pc上建立一個(gè)或者多個(gè)虛擬串口。虛擬串口的操作方式并不會存在差異，其操作與真實(shí)串口一樣，只是在應(yīng)用過程中，需要對其軟件內(nèi)部進(jìn)行調(diào)用。Pc連接接口卡之后，串口通信數(shù)據(jù)會進(jìn)行傳輸，從而傳到CAN網(wǎng)絡(luò)中，并且這些數(shù)據(jù)會被轉(zhuǎn)化為CANA網(wǎng)關(guān)，然后還需要對其進(jìn)行轉(zhuǎn)化為原來的RS232串口數(shù)據(jù)，這樣的轉(zhuǎn)換過程即可實(shí)現(xiàn)煤礦監(jiān)控過程中遠(yuǎn)程操作，達(dá)到了一定的無縫透明銜接，從而使其與本地串口之間并沒有多大的區(qū)別。另外，在實(shí)現(xiàn)虛擬串口時(shí)操作方式也比較簡單，一般f青況下，當(dāng)需要使用遠(yuǎn)程虛擬串口時(shí)，則需要將PC串口程序進(jìn)行升級，其中只需要將軟件中的操作串口號進(jìn)行改變，于是在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)虛擬串口相對比較容易，并不需要重新編寫程序。圖4即為虛擬串口軟件的設(shè)置方式。

2.4分布式CAN控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中，其中控制系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)的方式必須是總線型，如果支線長度超過了0.3m，這需要使用CAN網(wǎng)橋，為了避免系統(tǒng)的復(fù)雜性，一般情況下在設(shè)計(jì)過程中要求其支線長度不能大于0.3m。另外，在設(shè)置終端電阻的位置時(shí)，將其安裝到總線最長的兩端。然而在通訊系統(tǒng)中，如果能夠合理的利用CAN網(wǎng)橋，那么更有利于在井下對礦道的布線，一個(gè)最適合的布線方式能夠提高與CAN總線的連接程度，從而使得數(shù)據(jù)傳輸更加的高效，在此控制系統(tǒng)上還需要和井上的CAN轉(zhuǎn)換器進(jìn)行結(jié)合使用，共同達(dá)到通信的目的，并且構(gòu)成有效的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)。

3程序的實(shí)現(xiàn)

為了能夠使得煤礦監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮作用，使用co.dec編碼器進(jìn)行編碼。首先需要對其進(jìn)行安裝，然后對MPEG-4Codec進(jìn)行調(diào)用，然后還需要對提供相應(yīng)的設(shè)置選項(xiàng)，作用在于對制定出相關(guān)的壓縮參數(shù)，這種操作會非常的方便。完成安裝之后，于是可以在計(jì)算機(jī)的控制面板中能夠看到視頻編碼解碼器。

信息數(shù)據(jù)在存儲時(shí)以疊加方式進(jìn)行存儲，且其文件形式為AVI文件，其功能的實(shí)現(xiàn)需要使用到不同的函數(shù)，比如OnViStart函數(shù)、OnSnapExChange函數(shù)和SnapThread-Call-backEx函數(shù)等。

OnViStart函數(shù)的主要作用是對視頻幀計(jì)數(shù)標(biāo)記值和AVIFILE庫進(jìn)行初始化處理，從而生成一個(gè)AVI視頻文件，使用OnViStart函數(shù)時(shí)并不是全部進(jìn)行使用，只需要調(diào)用AVI文件的處理函數(shù)和宏定義。從而可以實(shí)現(xiàn)對視頻進(jìn)行定義和填充，還具有文本數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)、文本流接口、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)采集和創(chuàng)建視頻等功能。

通過上述函數(shù)能夠完成數(shù)據(jù)的初始化處理，然后再將采集的圖像到內(nèi)存控制中，其中需要對用戶參數(shù)和回調(diào)函數(shù)SnapThread-Call-backEx進(jìn)行指定。Snap.Thread-Call-backEx的主要作用在于用戶能夠在其中發(fā)送自定義消息，然后將其傳到主窗口中，并且此時(shí)還會將需要處理的圖像序號傳人到其中，于是可以為后續(xù)完成數(shù)據(jù)的處理做好準(zhǔn)備。

OnSnapExChange函數(shù)的主要作用就是對采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理，也是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要程序，首先需要對制定位置的靜態(tài)內(nèi)存進(jìn)行鎖定，其中鎖定的大小主要由圖像大小進(jìn)行決定，另外還需要進(jìn)行偏移處理，確定偏移大小主要由圖像序號和圖像大小進(jìn)行決定，在鎖定制定位置的靜態(tài)內(nèi)存時(shí)不會受到時(shí)間的限制，隨時(shí)都可以進(jìn)行，然后使用pLinearAddr指針訪問相應(yīng)的內(nèi)存即可。在訪問過程中需要將靜態(tài)內(nèi)存中的圖像傳遞到用戶緩沖區(qū)，因?yàn)榇藭r(shí)的圖像不符合格式要求，在緩沖區(qū)的目的有助于使圖像進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。一般情況下，當(dāng)其圖像的位數(shù)為15、16和32時(shí)，需要將其變?yōu)?4位。由于此時(shí)采集的圖像數(shù)據(jù)其存放狀態(tài)屬于正向，然而計(jì)算機(jī)在對位圖數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)其存放狀態(tài)為倒置，所以還需要對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而符合倒置的存放狀態(tài)，轉(zhuǎn)為倒置的過程中需要使用的函數(shù)為CGDataTransform。完成上述步驟之后，在視圖客戶區(qū)就可以顯示出圖像，此時(shí)還需要對當(dāng)前的壓縮文件進(jìn)行判斷，看其是否能被系統(tǒng)支持，判斷過程中使用的程序?yàn)镮CCompressQuery。然后當(dāng)ICCompress完成執(zhí)行任務(wù)之后，于是就可以調(diào)用AVIStreamWrite函數(shù)，調(diào)用中將會使用幀數(shù)遞增的方式，AVIStreamWrite函數(shù)的主要作用在于針對相同的起始幀將文本流和視頻流寫人其中，完成該步驟之后，還需要將采集的圖像到內(nèi)存控制進(jìn)行關(guān)閉，其中使用的函數(shù)為CGCloseSnapEx（m-hc），然后再將圖像卡資源進(jìn)行釋放，完成上述程序之后，最后的步驟就是將文件進(jìn)行關(guān)閉，并且清除變量。圖5即為軟件設(shè)計(jì)流程圖。

4調(diào)試

煤礦在開采過程中，其井下環(huán)境非常復(fù)雜，且所處位置也比較偏，其布線距離比較長，最長距離達(dá)到3～lOkm。于是在設(shè)計(jì)CAN總線施工時(shí)，需要對其特性進(jìn)行詳細(xì)了解，并且在設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合煤礦當(dāng)場環(huán)境，從而確定出合理的布線方式。為了能夠使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有非常穩(wěn)定的效果，布線過程中可以相應(yīng)的增加一些總線分割設(shè)備。

在應(yīng)用煤礦監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，其中使用了不同種類的傳感器，在使用之前，必須對其進(jìn)行定期校正處理，并且在有關(guān)規(guī)定出，明確確定了某些傳感器的校正間隔時(shí)間，比如甲烷傳感器，必須每隔7d就校正一次。

通過將煤礦監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室Pc機(jī)Windows平臺中進(jìn)行運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為運(yùn)行效果良好，能夠通過攝像機(jī)將信息數(shù)據(jù)高效率傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，從而達(dá)到監(jiān)控效果，且運(yùn)行效果比較穩(wěn)定。

5結(jié)語

文章通過使用cAN通訊技術(shù)建立煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)具有效率高、穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)勢，能夠在煤礦開采過程中起到監(jiān)控作用，從而提高企業(yè)安全生產(chǎn)水平和監(jiān)管力度。然而該系統(tǒng)的性能需要在長期的應(yīng)用過程中不斷進(jìn)行優(yōu)化，才能夠在煤礦監(jiān)測中具有更為長久的應(yīng)用，使得煤礦企業(yè)具有更大的經(jīng)濟(jì)效益，并且提高生產(chǎn)安全性。