基于ARM的CAN总线井下瓦斯监控系统.pdf

第 6期 2 0 0 8年 l 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i n e Aut o ma t i on N0． 6 De c ．2 0 0 8 文章编 号 1 6 7 1 --2 5 1 X 2 0 0 8 0 6 --0 0 1 3 --0 4 基于A R M 的C A N总线井下瓦斯监控系统 赵 苍 荣 ， 周 孟 然 安徽理工大学电气与信息工程学院， 安徽 淮南2 3 2 0 0 1 * 摘要 根据井下瓦斯监控 系统在实时性、 可靠性方面的要求， 文章提 出了一种基于 AR M 的 C AN总线井 下 瓦斯监控 系统 的设计 方案 ， 详细介 绍 了系统硬 件 、 软 件设 计 ， 以及 C AN 总线接 口设 计 ， 并 给 出了 瓦斯 数据 采集、 C AN总线通信等部分的程序流程。实验表明， 该 系统结构简单， 具有较强的实时性和可靠性。 关键 词 煤矿 ；瓦斯监控 ； C AN 总 线 ； ARM 中图分 类号 T D 7 6 ； T P 3 3 6 文献标 识码 A Un d e r g r o u n d Ga s Mon i t o r i n g a n d Co nt r o l Sy s t e m wi t h CAN Bus Ba s e d o n ARM ZH AO Ca n g r o ng， ZH OU M e n g r a n Co l l e g e o f El e c t r i c a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g o f An h u i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c or d i ng t o d e ma nd s o f g a s m o n i t o r i ng a nd c on t r ol s y s t e m of c o a l mi ne und e r g r ou nd o n t he s i d e o f r e a l t i me a nd r e l i a bi l i t y，t he p a p e r pr o po s e d a de s i g n s c h e me of u nd e r g r ou nd ga s mon i t o r i n g a nd c o nt r ol s ys t e m wi t h CAN b us b a s e d on ARM ，i n t r o du c e d d e s i gn o f h a r dwa r e a n d s o f t wa r e of t he s ys t e m a nd de s i gn o f CAN bu s i n t e r f a c e i n d e t a i l s ．I t a l s o g a ve pr o gr a m f l o w o f g a s da t a c o l l e c t i o n a nd CAN bu s c o mmun i c a t i on． The e x p e r i me n t i nd i c a t e d t ha t t he s y s t e m ha s s i m p l e s t r u c t u r e a n d h i ghe r r e a l t i me a n d r e l i a bi l i t y． Ke y wo r ds c o a l mi ne ，g a s mo ni t or i n g a n d c o nt r ol ，CAN b us，ARM 0 引言 目前 ， 煤矿井 下瓦斯 传感 采集 系统一 般采 用 R S 4 8 5集散控制方式， 但 RS 4 8 5的最大通信距离为 1 2 0 0 m， 并且通信距离越远 ， RS 4 8 5的通信速率越 低 。而 现在煤 矿采 煤 点离 井 口 的距离 一 般 较 远 ， 这 给井下瓦斯浓度 的采集传输带来 了困难 。而且传统 的瓦斯 检测 、 监 控系 统 一般 采 用 8位 单 片机 作 为 主 控芯片 ， 系统数 据处理 能力 有待进 一 步提高 。因此 ， 本 文提 出 了一种 基 于 AR M 的 C AN 总线 井 下 瓦斯 监 控系统 以解决 上述 问题 。 基于 ARM 的 C AN总线井下瓦斯监控系统 的 收稿 日期 2 0 0 8 0 5 2 8 *基金项 目 国家 自然科学基 金资助项 目 5 0 5 7 4 0 0 5 ，安徽 省 教育厅 自然科学基金资助项 目 2 0 0 5 KJ 0 8 1 作者简介 赵苍荣 1 9 8 0 一 ， 男 ， 广西贵港人 ， 安徽理工大学电气 与信息工程学院在读硕士研究生 ， 主要从 事控制理论 与控制工程方 面的研究工作 。Te l 1 3 9 5 5 4 6 9 6 4 8 ， E ma i l z h a o c a n g r o n g 1 6 3 ． c o m 井下瓦斯监控分站采用 3 2位 ARM 微处理器， 并嵌 入了实时操作系统 ， 通过 C AN总线进行通信 ， 不仅 提 升 了系统容 量和 处 理 速 度 ， 也提 供 了 良好 的兼 容 性 ， 便 于联 网监控 。 1 总体设 计 基于 ARM 的 C AN 总线井下瓦斯监控系统结 构如 图 1 所 示 。 心 图 1 基于 AR M 的 C AN总线井下瓦斯监控系统结构图 该系统在设备层采用 C AN总线进行通信 ， 在 用户层采用以太网进行管理 。井下 的各处瓦斯传感 器 时刻 采集 瓦斯浓 度 ， 一 旦 瓦 斯浓 度 超 标 则发 出声 光报警 。在监测的过程 中， C ANE t h e r n e t 通信 网 1 4 工矿 自动 化 2 0 0 8年 1 2月 关 向服务器发送数据， 井上监控 中心可 以实时监控 井下瓦斯浓度 ， 大大提高了处理突发事件的能力 ， 降 低 了瓦斯事故的发生率。 2硬件 设计 2 ． 1 瓦斯监 测分站 结构 瓦斯监测分站结构如图 2所示。工作时 ， 瓦斯 浓度经 过 电桥 检测单 元转换 为正 比于 瓦斯 浓度 的直 流电压输出信号， 然后通过运放单元进行放大送人 微 处 理 器 3 C 2 4 1 O 内 的 A／ D 模 块 。微 处 理 器 3 C 2 4 1 O 将转换结果和设定的报警极限参数进行 比 较， 若超过则声光报警。报警参数、 瓦斯浓度 、 检测 地点 、 当前时间等参数通过 L C D显示 ， 也可存储在 F L AS H 中以便 查看 和更 新 设定 。为 了井 上 能 实时 集 中监控 瓦斯浓度 ， 瓦斯监 测分站需 不断地 通过 C AN通信网络向上位机发送数据。 L e D 声 光 报 警 微 处 理 器 S 3 C 2 4 l 0 c A N 网 络 通 信 二 ≥ 图 2 瓦斯监测分站结构 图 图 2中 ， 3 C 2 4 1 O 是 基于 AR M9 2 O T处理 器核 、 采用 o ． 1 8 制 造工艺 的 3 2位微 处理器 。 3 C 2 4 1 0拥 有独立的 1 6 KB指令 C a c h e 和 1 6 KB数据 C a c h e 、 MMU、 支持 S T N 和 T F T 的 L C D控 制器 、 S D R AM 控制器、 3通道 UAR T、 4通道 D MA、 4路带 P WM 的 T i me r 、 1 1 7 位 I ／ O 口、 8 路 1 O位 AD C、 I S B US 接 口、 2个 US B主 机 、 1个 US B设 备 、 触 摸屏 接 口、 S D 接 口 和 MMC 卡 接 口、 2个 S P I接 口、 R TC。 3 C 2 4 1 O的 运 行 频 率 为 2 0 3 MHz ， 运 算 能 力 为 2 0 3 1 ．1 M I PS。 电桥 检测单 元是 由催化元 件和 电阻组成 的 电桥 电路 ， 可将瓦斯浓度转换为电信号。电桥检测单元 的基 本工 作 原 理 是 利 用 黑 白元 件 对 瓦斯 的催 化作 用 ， 使 瓦斯 在 其 表 面 进 行 无 焰 燃 烧 ， 元 件 的 温 度 升 高 ， 阻值增大， 通过测量电阻变化量便可得出对应的 瓦斯 浓度 。 2 ． 2 CAN 总线接 I 7 C A N总线是一种全数字化、 双向与多主的现场 总线 。与传 统 的 R S 4 8 5总 线 相 比 ， C AN 总 线 具 有 多主结构 、 数据传输率高、 通信距离远、 总线利用率 高等优点 ， 并且有很强 的抗电磁干扰能力 。与光纤 通信相比， C AN总线 的性价 比更高。 由于 3 C 2 4 1 0不带 C AN 总线控制器， 所以笔 者在嵌 入式 处理器 的外 部 总线 上 扩展 了 C AN 总线 接 口芯 片 ， 选 用 Mi c r o c h i p公 司 的 MC P 2 5 1 0 C AN 总线 控 制 器。MC P 2 5 1 0完 全 支 持 C AN 总线 的 V2 ． 0 A和 V2 ． 0 B技术规范 ； 支持最大为 1 Mb p s的 可编程波特率； 具备帧优先级设置、 接收帧过滤与屏 蔽、 报文管理等特点。MC P 2 5 1 0还具有以下独特的 功 能 1 支持标 准 格式 和扩 展格 式 的 C AN 数 据 帧 结构 ； 每 帧有效数 据长度 为 0 ～8字 ， 支持远 程帧 ； 2 2个支持 f i l t e r 、 ma s k的接收缓冲 区， 3个 发送缓冲区； 3 具有 l O 0 p b a c k模式 ， 便于测试 ； 4 S P I 高速 串行 总线 ， 最大 为 5 MHz 。 3 C 2 4 1 O 内部具有 2个 S P I 模块 ， 系统设计时， 将 MC P 2 5 1 0 作为从 设备 连接 到 3 C 2 4 1 0 的 S P 1 0口， 具体 电路 如 图 3所 示 。用 3 C 2 4 1 0的外 部 中断 6 作为中断引脚 ， 在 MC P 2 5 1 0的中断处理 函数 中， 通 过 S P I 接 口访 问 MC P 2 5 1 0内部相 应 寄存 器来确 定 具 体 的中断事件 ， 并对 其作 出处理 。 MC P 2 5 1 0 图 3 C AN总线接 口电路 图 3软 件设计 系 统 软 件 主 要 由 系 统 引 导 加 载 程 序 B o o t l o a d e r 、 嵌 入式 L i n u x内核 、 文 件 系 统及 应 用程 序组成 。该软件通过向 AR M 平台移植 v i v i 一0 ． 1 ． 4 实现系统的引导加载。嵌入式操作系统采用 L i n u x 2 ． 4 ． 1 8 、 宿主机开发模式。文件系统存储 系统配置 文件 、 系统程 序和 系统外 设驱动 程序 。 3 ． 1 瓦斯 浓度采 集程序 瓦斯浓度 采集 程序流 程如 图 4所示 。电桥检测 单元检 测到 的瓦斯 浓度通 过运放 单元 放大 调理后送 到 3 C 2 4 1 O的 AI N引脚 ， 采用循环方式对模拟信号 进行采集和转换。 2 0 0 8年第 6期 赵苍荣等 基 于 AR M 的 C AN总线井下瓦斯监控 系统 1 5 ] l等 待 A ／D 转 换 结 束 l l 设 置 A D c 控 制 器 的 工 作 模 式 I ● I 读 取 A D 转 换 结 果 l ● ’ ● l 启 动 D 转 换 l l切 换 A ／D 转 换 通 道 l I l 图 4 瓦斯 浓 度 采 集 程 序 流 程 图 3 ． 2 C AN 驱 动程序 C AN 驱动程序采用 L i n u x操作系统 ， L i n u x驱 动程序支持 3种类型的设备 字符设备、 块设备 以及 网络设备 。字符设 备驱动程序是 L i n u x系统最基 本 、 最常用的驱动程序结构 ， 一般只要不挂载文件系 统的设备 ， 都可以使用字符设备去描述。该系统 中 MC P 2 5 1 0实现 了 C AN协议 的物理层 与数据链路 层 ， 属于字符设备 。通常， 字符设备提供给应用程序 的是一个 流控制接 口， 主要包括 o p e n 、 c l o s e 、 r e a d 、 w r i t e 、 i o c t l 、 p o l l 和 mma p等 。在系统中添加字符驱 动程序 ， 实际上就是给上述操作添加对应的代码 。 C AN驱动程序主要 由设备初始化函数、 设备打 开函数、 设备关闭函数、 接收函数 、 发送函数 、 中断处 理函数、 设备控制 函数组成 。其 中最重要的是设备 初始化、 发送、 接收和中断 函数 。 笔者在 L i n u x 2 ． 4 ． 1 8内核 中定义 如下所述 的 3 C2 41 0 一f op s s t a t i c s t r u c t f i l e _o p e r a t i o n s 3 C2 4 1 0一f o p s一 { o wn e r THI S _M ODULE， wr i t e 3 C2 4 1 0 一mc p 2 51 0一wr i t e ， r e a d 3 C2 4 1 0 一mc p 2 5 1 0一r e a d， i o c t l 3 C2 4 1 0 一mc p 2 5 1 0一i o c t l ， o p e n 3 C2 4 1 0 一mc p 2 5 1 0一open， r e l e a s eS 3 C2 41 0 一 mc p 2 5 1 0 一r e l e a s e， 其中， 3 C 2 4 1 0 一 mc p 2 5 1 0 一 w r i t e负责 C AN 总 线设备数据 的发送 ； 3 C 2 4 1 0 一 mc p 2 5 1 0 一 r e a d负责 C AN总 线设 备数 据 的接 收； 3 C 2 4 1 0 一 mc p 2 5 1 0 一 i o c t l 负责 C AN总线的工作模式 、 通信波特率、 数据 帧 I D 的设置 。 3 ． 3 C AN 通信 程序 1 数据的发送 将采集到的数据打包成符合 C AN发送帧格式 后用 3 C 2 4 1 0 一 mc p 2 5 1 0 一 wr i t e进行数 据 的发 送。 由于每个 C AN 控制器有 3个独立的发送缓冲器 ， 发送时要根据实际情况将要发送的数据送入其 中的 发送缓冲器 ， 首先判断缓冲器是否空闲再写入数据。 另外 ， C AN控制器将缓 冲器 中的数据发送完毕后才 返回该帧数据是否发送成功 的状态数据 。C AN 总 线数据发送程序流程如图 5所示 。 图 5 C AN总线数据发送程序流程图 2 数据的接收 为 了防止 由于应用程序的繁忙而来不及处理接 收到的数据 ， 笔者设计 了一个环形缓 冲区来保存接 收到的数据 ， 定义了以下结构体 t y p e d e f s t r u c t { Ca n Da t a M CP2 5 1 0 一C a n d a t a [ MC P 2 5 1 0 ～ C a n R e v B u f f e r ] ； i n t n C a n R e v p o s ；／ ／ 接收数据缓冲区的位置 i n t n C a n R e a d p o s ；／ ／ 读取数据缓冲区的位置 i n t l o o p b a e k mo d e； wa i t q u e u e h e a d_ t w q； MC P 2 5 1 0 一 D E V； s t a t i c M CP2 5 1 o _ DEV mc p2 5 1 O d e v 该结构体 中包含 了 1个 C AN数据接收缓 冲区 M CP2 5l O C a n d a t a ， 通 过n C a n R e v p o s和 n C a n Re a d p o s 记录环形缓冲区的起始位置和结束位置指 针。当缓冲区有数据时， 直接读取缓冲区中的数据 。 对于非阻塞 的情况 ， 直接返 回读取数据有效标志 ； 对 于阻塞 的情况 ， 通过等待队列 mc p 2 5 1 0 d e v ． wq 在 3 C2 41 0 一m c p2 5 1 0一o p e n中初始化 等待系统接 收 到 C AN总线数据。等待队列是最常用的中断处理 方法 ， 通过 中断方式可以提高数据接收的效率 。 4结语 基于 AR M 的 C AN 总线井下瓦斯监控系统将 C AN 总线 应 用 于煤 矿 的瓦 斯监 控 系 统 中， 取 代 RS 4 8 5 、 R S 2 3 2通信 方式 ， 增强 了系统 的通 信可靠 性 ， 延长了系统的通信距离， 并方便 以后系统扩展。 实验表明， 该系统运行速度快 ， 数据传输稳定 ， 通信 速率高达 5 0 0 ～ 6 0 0 k b p s ／ 5 0 13 1 ； 瓦斯浓度 采集灵 敏 ， 采用1 0位 A／ D 加上数字滤波和温度补偿软件手 段 ， 大大提高 了瓦斯浓度检测的精确度 ， 并可实现瓦 斯浓度的实时显示和超标报警 。该系统基于 目前市 第 6 期 2 0 0 8年 1 2月 工矿 自 动化 I ndu s t r y an d M i n e Aut o ma t i on No ． 6 De c ． 2 0 0 8 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 8 0 6 0 0 1 6 0 3 基于 C 7 6 3 6的悬臂j Ic 掘进机截割过程 可视化监控系统 赵 汗青 黑龙江科 技学 院机械工 程学 院 ， 黑龙 江 哈尔滨1 5 0 0 2 7 摘要 为解决掘进机在工作过程中粉尘大、 操作者看不清截割头的 实际位置而造成欠挖和超挖 的问题 ， 文章设计 了一种基于 C 7 6 3 6的掘进机截割过程可视化监控 系统 ， 详细介绍了系统组成及可视化截割过程 监控界 面 的 实现 ， 并给 出 了系统软 件设 计 。该 系统 显示 的曲 线和数 据 ， 可 为操 作 者提 供 实时信 息 ， 以减 小掘 进机在 实际开凿巷道过程 中的超挖与欠挖现象， 提 高施工质量。 关 键词 悬臂 式掘进机 ；可视化监 控 系统 ；截割轨迹 ；触摸屏 ； C 7 6 3 6 中图分 类号 T D 6 3 2 ． 2 文献标 识码 A Vi s u a l i z a t i o n Mo ni t o r i ng S y s t e m o f Cu t t i ng Pr o c e s s o f Bo o m M i ne r Ba s e d o n C7 6 3 6 ZH AO Ha n q i n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g o f He i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， Ha r b i n 1 5 0 0 2 7，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l ve t he pr o bl e m s o f t h e mo r e du s t i n wo r ki n g p r oc e s s a nd t he o p e r a t or c a n t s e e c l e a r l y t he c u t t i ng h e a de r S p hy s i c a l l o c a t i on t o c a us e l e s s d i g a n d o v e r d i g，t he p a p e r d e s i gn e d a v i s u a l i z a t i o n mon i t o r i ng s y s t e m o f c ut t i ng pr o c e s s o f bo o m m i n e r ba s e d o n C7 6 3 6， i n t r o du c e d s y s t e m c o mp o s i t i on a n d i mpl e m e nt a t i o n o f v i s ua l i z a t i o n m o ni t o r i ng i nt e r f a c e o f c ut t i n g pr o c e s s i n de t a i l s ， a nd ga v e d e s i g n o f s y s t e m s o f t wa r e ．Di s p l a y e d c ur v e a n d d a t a o f t h e s y s t e m c o ul d p r o v i de r e a l - t i m e i n f o r ma t i on f o r o p e r a t or ，whi c h c oul d r e d uc e t h e ph e n ome no n o f l e s s d i g a nd ov e r d i g i n t h e pr o c e s s o f di gg i ng t un ne l a nd i m p r o ve c on s t r uc t i o n q ua l i t y o f t h e t u nne 1 ． Ke y wo r d s b o om m i ne r ，v i s u a l i z a t i o n m o n i t o r i ng s y s t e m ，c ut t i n g t r a c k，t ou c h i n g s c r e e n，C7 6 3 6 收稿 日期 2 0 0 8 0 6 0 2 作者简介 赵汗青 1 9 7 0 一 ， 女 ， 硕士 ， 副教授 ， 现主要从事机械 工程测试与 控制 方 面的教 学 与科研 工 作 ， 已发 表论 文 二 十余 篇。 T e l 1 3 2 5 8 6 6 5 0 9 5 ， E ma i l z h a o h a n q i n g [ ] O 1 1 6 3 ． c o m 0 引言 悬臂 式 掘进 机 广泛 应 用 于煤 矿 的巷 道施 工 中， 已成为各产煤国不可缺少的生产设备Ⅲ。然而在煤 场上 主流 的 AR M 处 理器 和源码 开放 的 L i n u x 操 作 系统 ， 符合数字化 、 网络化 的发展趋势 ， 整个系统智 能化程度高 ， 与传统的瓦斯监控系统相 比有不可 比 拟的优势 ， 具有很好的应用前景 。 参考文献 [ 3 ] E 4 3 E 1 ] Z HOU Me n g r a n ．Re s e a r c h o n C o a l Mi n e G a s Mo n i 一 L0 J t or i n g Sy s t e m Co nt r ol l e d by An ne al i ng Si mu l a t i ng Al g o r i t h m [ C] ／ ／ Th e 3 r d S HE I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n Ad v a n c e d Op t i c a l M a n u f a c t u r i n g a n d Te s t i ng Te c hno l og i e s， 2 0 07，Che n gdu ． 蒋荣．基于 AR M 的 C AN总线智能节点的设计E J ] ． 电子技术应用 ， 2 0 0 5 4 2 4 2 6 ． 刘淼．嵌入式系统接 口设计 与 L i n u x驱 动程 序开发 E M] ．北京 北京航 空航天大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． 王苗苗．嵌入式系统设计与实例开发[ M] ．北京 清华 大学 出版社 ， 2 0 0 2 ． 王彦堂 ， 李 贻斌 ，宋 锐． 基 于 AR M L i n u x平 台的 C AN设 备驱动程序设计 与实现 E J 2 ． 计 算机工程 与应 用 ， 2 0 0 7 ， 4 3 1 5 7 9 ～ 8 2 ．