1、引言

隨著計算機網絡的普及應用，人們從過去主要是對計算機監控系統監控功能的關注，轉移到對其數據傳輸功能的關注。人們越來越重視數據的傳輸，人們希望通過互聯網能在世界的任何角落及時觀察到工業生產現場的各種狀態數據。目前主要是基于Profibus總線的數據傳輸技術，雖然這種常規的傳輸技術具有相對結構簡單、易于實現等優點，但是它有如下一些缺點不很適于作井下安全監控系統的傳輸總線。第一，它是主從結構，不能實現多主傳輸；第二，它的從節點都是固定地址，而且只能靜態設置；第三，它的節點的加入不能隨意動態進行；第四，它能夠連接的節點數量末段最多32個，加中繼的情況下也最多只能有三段，對于一些大礦，應用受到限制。相比之下，CAN總線技術具有的結構靈活性，以及它的節點容量（理論上是無限制的）十分適用于煤礦安全監控系統的組成特點和使用特點。所以我們選擇CAN總線作為煤礦安全監控系統的傳輸技術。

本文將對應用發展比較成熟的先進的CAN總線技術，進行了深入的研究。在此基礎上提出一個基于CAN總線的煤礦安全監控系統的數據傳輸方案，并在最后給出實現該方案的分站通信電路、分支中繼電路的設計。

2、CAN總線

CAN （Controller Area Network） 總線，又稱控制器局域網，CAN 已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。CAN總線規范已被ISO 國際標準組織制訂為國際標準，CAN 協議也是建立在國際標準組織的開放系統互連參考模型基礎上的，主要工作在數據鏈路層和物理層。用戶可在其基礎上開發適合系統實際需要的應用層通信協議，但由于CAN總線極高的可靠性，從而使應用層通信協議得以大大簡化。

CAN總線采用總線式拓撲結構（見圖1）。各節點可以像以太網節點那樣直接掛接在一條主干線上。CAN采用兩芯線纜，有極性連接。CAN總線網絡也可以通過一個三通節點構成層次結構，呈現樹型拓撲。對于采用電纜介質的CAN總線網絡，總線末端要設有匹配阻抗，防止反射產生駐波。

CAN協議分為二層：物理層和數據鏈路層。物理層決定了實際位傳送過程中的電氣特性，在同一網絡中，所有節點的物理層必須保持一致，但可以采用不同方式的物理層。CAN的數據鏈路層功能包括幀組織形式，總線仲裁和檢錯、錯誤報告及處理，確認哪個信息要發送的，確認接收到的信息及為應用層提供了接口。

CAN總線與其他總線相比有如下特點：

（1）、它是一種多主總線，即每個節點機均可成為主機，且節點機之間也可進行通信；

（2）、通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1Mbps；

（3）、CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余校驗、優先級判別等項工作；

（4）、CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點可使網絡內的節點個數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位或29位二進制數組成，因此可以定義211或229個不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接受到相同的數據，這一點在分步式控制中非常重要；

（5）、數據段長度最多為8個字節，可滿足通常工業領域中控制命令，工作狀態及測試數據的一般要求。同時，8個字節不會占用總線時間過長，，從而保證了通信的實時性；

（6）、CAN協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。

基于CAN總線技術的遠程分布式智能控制系統，可運用在被監控單元設備分散而且間距相對較遠，如幾公里范圍內的復雜系統監控上。主機與多個智能終端組成的網絡系統可有效地滿足工業過程的自動控制需要。

3、CAN總線技術在煤礦安全監控系統中的應用

3.1 目前煤礦安全監控系統的傳輸系統存在的問題

煤礦生產場所的分布大都在幾公里到幾十公里的范圍，對煤礦生產過程的安全監控遍布各個生產場所。對傳輸距離和傳輸速率的改進，將提供一個從根本上保障煤礦生產安全監控的時效性的技術措施，實現真正意義的能夠滿足措施及時落實到位的實時監控。從而極大地提高煤礦安全生產的監控力度和監控效力，保障人民的生命財產不受損失。

煤礦安全監控系統在我國已經有多年的研究及應用，但其傳輸技術一直是系統研究中的薄弱環節，隨著網絡技術的發展，安全監控系統的數據傳輸的重要性日益突出。目前國內外煤礦安全監控系統中所采用的傳輸技術，存在著以下幾個方面的問題需要進一步解決：

（1）、傳輸速率慢

（2）、非標準化

（3）、高速傳輸時的傳輸距離短

（4）、無中繼連接的節點數少

（5）、傳輸系統結構靈活性差

3.2 基于CAN總線技術的問題解決方案

煤礦安全監控系統，是一種典型的工業監測監控系統。與一般工控系統相比，它具有這樣的特點：系統監測監控設備分散距離遠，節點設備動態變化頻繁，環境要求防爆。

CAN的多主結構、理論無限的節點容量（不存在物理站點編號問題）、位仲裁的總線分配和介質訪問技術和額定最大速率1Mbit/s的傳輸速率（實際傳輸速率在器件和線纜性能允許的情況下可以超過這個速率）以及在5Kbit/s傳輸速率下可無中繼傳輸10公里的傳輸距離等特點，都非常適用于煤礦安全監控系統的組成特點和傳輸要求。

基于CAN總線的煤礦安全監控傳輸系統的設計，包括系統網絡結構設計、監控分站節點內傳輸電路設計、分支中繼電路設計和傳輸程序設計。

3.2.1 基于CAN總線的井下安全監控系統網絡結構設計

整個煤礦安全監控系統設計由地面中心站、網關節點站、分支中繼器、井下監控分站和各種傳感器以及通信介質，共六個部分組成。其中中心站負責接收、存儲和顯示從井下監控分站傳來的各種井下生產環境安全監控數據，并通過各個井下分站發送各種配置命令和對現場設備的控制命令；井下分站負責從傳感器收集數據、和地面中心站通信、輸出各種控制信號和在需要的地方同時充當分支中繼器；網關節點站實現現場總線協議和中心站計算機標準接口協議的相互轉換；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場環境安全監控數據和設備運行狀態數據；通信介質負責安全監控系統各設備的連接和信息的傳遞。整個系統的傳輸系統采用CAN總線拓撲結構，整個監控系統分三級結構：中心站——井下分站——傳感器。

圖3 是帶有中繼器的煤礦安全監控系統的組成原理圖。圖中的傳輸系統采用CAN現場總線技術。通信光纖/電纜上傳輸基帶信號，節點間數據傳輸采用CAN協議。

圖3 帶有中繼器的煤礦安全監控系統的組成原理圖

3.2.2 安全監控分站中CAN總線傳輸電路的設計

井下安全監控分站是整個安全監控系統的核心，它負責收集和處理現場生產環境和設備狀態等方面的安全監控數據，并能實現就地控制設備。它更是傳輸系統的關鍵設施，各種數據的收發都要通過它的傳輸電路進行。圖4是整個監控分站的原理設計。

3.2.3 基于CAN總線的多功能分支中繼電路的設計

分支中繼電路完全工作于CAN總線傳輸網絡的物理層，就是負責CAN信號（NRZ碼）的分接、中繼和光電轉換。

由于要滿足CAN總線的按位仲裁功能的實現，所以在分支中繼電路中要包含能夠實現差分輸入輸出并能實現信號“線與”的CAN驅動電路，本電路設計中選用最常用的CAN驅動電路PC82C250芯片。由于“線與”功能是靠電氣連接實現的，所以在設計光/電分支中繼的時候，必須將光信號轉換為電信號，再通過兩片CAN驅動電路PC82C250的連接實現“線與”。

4、總結

本文根據目前煤礦安全監控系統傳輸系統存在的問題，提出了用CAN總線構建煤礦安全監控系統傳輸網絡的思想，并實際完成了基于CAN總線的煤礦安全監控系統傳輸網絡的設計。經模擬比較表明，其傳輸品質優于常規的基于Profibus總線的傳輸技術。

本文作者創新觀點：本文提出的基于CAN總線的煤礦安全監控系統的數據傳輸方案，它具有的靈活性結構，以及它的節點容量（理論上是無限制的）十分適用于煤礦安全監控系統的組成特點和使用特點，其傳輸品質和整體性能優于常規的基于Profibus總線的傳輸技術。

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