基于双CAN总线的液压支架控制系统的设计.pdf

第 6期 2 0 0 9年 6月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o mat i o n No ． 6 J un ．2 0 0 9 ’ ” 。’ 经验交流 ⋯．⋯ ．◆． ◆ ’ 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 6 --0 0 6 5 0 4 基于双C A N 总线的液压支架控制系统的设计 刘 国平 ， 邱 吉元 ， 李建 武 南 昌大 学机 电工 程学 院 ， 江西 南 昌 3 3 0 0 3 1 摘要 针对矿 井综采工作面环境恶劣及液压 支架节点数量较 多的 问题 ， 文章提 出了一种基 于双 C AN 总 线的液压支架控制 系统的设计方案， 分析 了系统工作环境 ， 给 出了系统结构， 详细介绍 了控制 器节点的硬件 及软件 设 计 ， 并 阐述 了双 C AN 总线通 信 的 实现 。该 系统根 据 系统 的 工作 要 求 将 总 线上 的 数 据 分 为邻 架操 作和 支架状 态 2种数 据 ， 并且 分 2个不 同的通道 传 递数据 ， 在 总 线 出现故 障 时 实现 通道 的 自动切 换 功能 。 实 际应用表明， 在总线和所有节点工作正常的情 况下， 该 系统的实时性 比采用单个 C AN 总线有较 大提 高； 在 1 条 总 线 中断的情 况 下 ， 基 于单 C AN 总线 的通 信 系统将 瘫 痪 ， 而基 于双 C AN 总线 的 通信 系统 仍 可正 常 工 作， 且 实时性能与基 于单 C AN 总线的通信 系统相比没有下降。该方案为双 C AN总线的应用和提 高液压 支 架控制 系统通信 网络 的性 能提 供 了一 个新 的设 计 思想 。 关键 词 矿 井 ；液压 支 架 ； 控 制 系统 ； 通 信 ；双 C AN 总线 中图分 类号 T D 3 5 5 ． 4 ； T P 3 3 6 文献 标识 码 B De s i g n o f Hy d r a ul i c Sup p o r t Co n t r o l Sy s t e m Ba s e d o n Do u b l e CAN Bus e s L I U Gu o p i n g， QI U J i y u a n，LI J i a n - wu S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d El e c t r i c En g i n e e r i n g o f Na n c h a n g Un i v e r s i t y ，Na n c h a n g 3 3 0 0 3 1，Ch i n a Ab s t r a c t Ai mi ng a t t he pr ob l e ms o f ba d e nv i r o nme nt i n f ul l y me c h a ni z e d m i n i n g wor k i ng f a c e i n mi n e a n d a l a r ge numbe r of no de s o f hy d r a u l i c s up po r t ，t he p a pe r pr o pos e d a d e s i gn s c h e me o f hy d r a u l i c s u pp or t c o nt r o l s ys t e m ba s e d o n d oub l e CAN bus e s ． I t a na l yz e d wo r k i ng e nv i r o nm e nt o f t h e s y s t e m ， g a v e s t r uc t u r e o f t he s ys t e m a n d i nt r o du c e d d e s i gn o f ha r d wa r e a nd s o f t wa r e of c o nt r o l l e r n od e s i n de t a i l s a s we l l a s e xp ou nd e d i mpl e m e n t a t i on of do ubl e CAN bu s e s c o m m u n i c a t i on ． The s y s t e m c l a s s i f i e s d at a o n bu s i n t o a d j a c e n t s u p p o r t o p e r a t i o n d a t a a n d s u p p o r t s t a t e d a t a a c c o r d i n g t o wo r k i n g r e q u e s t s o f t h e s y s t e m， a nd t r a n s f e r s t he s e d a t a t h r ou gh t wo d i f f e r e nt c ha nne l s ，whi c h c a n r e a l i z e a ut oma t i c s wi t c h f un c t i on of t he c h a nn e l s whe n o ne bu s ha s f a ul t ． Th e pr a c t i c a l a p pl i c a t i o n s ho we d t ha t r e a l t i me pe r f o r m a n e e o f t he s y s t e m i s b e t t e r t ha n of s i ng l e CAN b us wh e n t wo CAN b us e s a n d a l l no de s a r e i n n or ma l wor k i ng c o n di t i on ． Sp e c i a l l y，u nde r i nt e r r up t i o n c on d i t i o n of o ne CAN bu s， t he c omm u n i c a t i on s y s t e m b a s e d o n s i ng l e CAN bu s wi l 1 n o t wor k，but t he c o m muni c a t i on s y s t e m b a s e d o n d o ubl e CAN b us e s wi l l wo r k n or ma l l y a n d r e a l t i m e a nd r e l i ab i l i t y p e r f o r m a nc e of t he s ys t e m wi l l no t d e c l i ne ． The S C he m e pr o vi d e s a n e w de s i g n i d e a f o r a pp l i c a t i o n o f d ou bl e CAN b us e s a nd e nh a nc i ng pe r f or ma nc e o f c o m mun i c a t i o n n e t wo r k o f hy dr a u l i c s u pp or t c on t r ol s y s t e m ． Ke y wo r d s mi n e，hy d r au l i c s u pp or t ，c o nt r o l s ys t e m ，c o m muni c a t i on，do ub l e CAN bu s e s 收稿 日期 2 0 0 9 0 1 ～2 O 作者简介 刘国平 1 9 6 4 ～ ， 男 ， 博士 ， 教授 ， 1 9 9 9年毕业于浙 江 大学 ， 主要研究 方 向为 智能机 器人 与视 觉 。Te l 0 7 9 1 5 0 9 0 3 8 5 ； E～ ma i l l i u g u o p i ng v i p ． 1 6 3 ． c o r r l 6 6 工矿 自动化 2 0 0 9年 6月 0 引言 由几 十 、 上百 甚 至几 百 台支 架 组成 的综采 面 液 压支架系统是实现综采工作面高产安全防护的关键 技 术设备 。由于矿井 的环境 十分恶 劣且 支架节 点数 量多， 液压支架控制系统和液压执行 系统必须具备 较 高 的可 靠性 。 由于液压支 架控制 系统 发 出的动作 命令和其它参数数据通过总线传递给液压执行 系 统， 这就要求支架控制器之间以及控制器和上位机 之间的通信具有较高 的实时性和可靠性。因此 ， 笔 者设计 了一种 基于 双 C AN 总线 的 液压 支架 控 制 系 统 ， 该 系统采 用双 C AN 通信 方式 ， 即每 个控 制 器带 2 个 C AN 总线控 制器 ， 形 成 2路总线 连接 。正常工 作时， 一路用于邻架操作的命令数据传输 ， 另一路用 于上位机对各支架 的工作情况 和状 态信 息进行轮 询 ， 如出现不正常情况可及时报警。当有 1路总线 通道出现故障 ， 如掉线 、 C AN控制器或收发器 出现 故障、 发生通信导线短路等情况时， 节点控制器 自动 将在故障总线上传递的数据切换到正常总线上 。 1 系统 工作环 境分 析 煤矿生产工作面环境恶劣 ， 强电磁场、 高酸性的 高湿空气、 煤尘等都可对液压支架控制系统 的可靠 性构 成威胁 ， 另外 ， 煤矿 防爆安 全 的要 求对控 制器 的 输入 、 输 出电压 、 电流 的大小都 有 限制 。这 就要求 液 压支架控制系统安全、 可靠性要高 ， 必须符合相关的 防爆标准。由于工作面的支架数量较多 ， 且大多是 在本架控制器上对别的支架进行操作， 所 以， 对通信 的可靠性 、 稳定性和实时性要求也较高 。因此 ， 基于 双 C AN总线的液压支架控制系统的电源采用本安 兼 防爆设 计 ， 其隔爆 外 壳 能够 承 受 通 过外 壳 任何 结 合面或结构间隙渗透到外壳内部的可燃性混合物在 内部 爆炸 而 不 损 坏 ， 并 且 不 会 引 起 外 部 由 1种 或 多种 气体 或蒸汽 形成 的爆炸性 环境 的点燃 。 2系统 总体设 计 2 ． 1 系统 结 构 综 采 面工作 时 ， 液 压 支架 根 据采 煤 的需 要 不 断 地调整位姿 ， 任何一个动作延时或不动作都可能对 设备和人员造成伤害 ， 所 以液压支架控制系统必须 具有 快速 的响应 能力 。 液压支架控制系统是支架 的执行机构， 其总体 结构如图 1所示 ， 电液阀组为单元组合结构 ， 1个支 架共 集成 了 8个 单元 。每个单 元包 括 1对液动 主控 阀和 对应 的 1 对 电磁先 导 阀 二位 三通 阀 。电液 阀 组 的每个单 元控 制 1个 或 1对 液 压 缸 ， 电磁 先 导 阀的动作除了靠 电磁线 圈通 电产生 的吸力， 还可直 接按 压推 杆 的外 端 。推杆 的外 端封 有 胶 护罩 ， 以供 手动按压。在停电、 电控系统有故障或其它临时不 使用电控系统的情况下， 作为应急操作 ， 可直接按压 推杆使电磁先导阀动作。电液阀工作压力为4 0 P a ， 液动 主控 阀流 量 为 3 5 0 L ／ mi n ， 电磁 线 圈工 作 电 压 为 D C 1 2 V， 工作 电流为 1 1 0 mA， 在 控 制器 的输 出 驱动 电路 中要 充分 考虑 电磁 的驱动 能力 。 一 级护板千斤顶 二级护板千斤顶 伸缩梁千斤顶 侧护板千斤顶 平衡千斤顶 抬底座千斤顶 立柱缸千斤项 推移千斤顶 1 一 电 磁先 导 阀 ； 2一液 动 主 控 阀 ； 3一液 压 缸 ； 4 一 压 力传 感 器 ； 5 一位移传感 器 图 1 液压支架控制系统总体结构 图 2 ． 2 控 制 器节 点设计 2 ． 2 ． 1 节 点硬件 设计 控制器 节 点硬 件 采 用 基 于 L P C 2 2 9 0的工 业 级 微控 制器 ， 带 2 路 C AN 控制 器 。为 了增强 C AN 总 线节 点 的抗 干扰 能力 ， C AN 总线 和控 制器 引 出端 通 过高速光耦 P 1 1 3与总线驱动器 T J Al o 5 o相连 ， 很 好 地实现 了总 线上 各节点 间 的电气 隔离 。根 据煤安 要 求 ， 控 制器采 用 1 2 V 隔离 防爆 电源并 分 组供 电 ， 6 个控制器为 1组， 由 1 个独立的电源供电， 采用密 封的防爆控制箱体屏蔽干扰， 同时可防止控制器遭 受机械 损 伤 。 由于 控 制 器 的 输 出 电 流 只 有 4 mA， 所以选用达林顿管作为驱动管。控制器节点硬件结 构 如图 2 所 示 。 双cA N通信 键盘 显示 液 压 支 架 图 2 控制器节点硬件结构框图 2 ． 2 ． 2 节 点软 件设计 控制器 节 点软 件 采 用 ff c ／ o s I I 嵌 入 式 实 时操 作系统， 分为显示 、 键盘、 通信 、 输出、 数据采集／ 处理 和 监控等 任务 ， 由于 篇 幅有 限 ， 不 作详 细介绍 。需要 2 0 0 9年第 6期 刘国平等 基于双 C AN总线的液压支架控制 系统的设计 6 7 指出的是， 在切换到通信 任务时不使用任务级 的任 务切换而使用中断级的任务切换 ， 以及 时发送通信 数据 ， 这样可在第一时间发送和接收控制命令 ， 从而 提高动作的实时性 。为提 高系统可靠性 ， 在程序 中 定期刷新中断使能标志的设置 ， 使 中断不被挂起 ， 并 定期刷新输出， 使输出具有一定的抗干扰能力。 3通信 设计 3 ． 1 报 文设 计 为保 护操 作 人 员 的安 全 ， 一 般 不 允 许操 作 人 员 操作本架 操作者所在的支架 ， 支架 的所有操作和 数据都是通过 C AN总线传递给支架 。总线上传送 的数据包括 2类 邻架操 作命令 和支架状态数 据。 其 中邻 架操 作命 令包 括 1 单 架单动 时操 作架发 送操作命 令给 动作 架 ； 2 成组动作时操 作架发送 的成 组动作命令 、 成组数量和成组架号及方向等参数 ； 3 采 煤 机 经 过 的 支 架 将 采 煤 机 位 置 广 播 给 所 有节 点控 制器 ； 所 有 节点 控制 器 ； 5 新 加入 的支 架控 制器 广 播支 架 I D标 志符 。 为提高系统 实时性 ， 笔 者充分利 用 C AN 总线 节点 I D的优先权和总线报文非破坏性仲裁技术 ， 按 照操作命令的不同将信息划为 8种类型 ， 分别具有 不 同的 总线优 先 权 ， 在 C AN 总 线 系统 中 ， 当有 多个 节点同时向总线发送数据时 ， 具有最高优先权的报 文将取得发送权 。其中邻架操作数据帧 报文 标准 帧格 式 如表 1 所 示 ， S o F S t a r t o f F r a me 位 为帧 起 始 标 识 位 ； I D 1 0 ～ I D 8 I d e n t i f i e r 为报 文 标 识 码 ； 标 识符 I D7 ～I D 0定义为 目标节点地址 ， 并定义 I D 0 ～ I D7 0 0 0 1 1 0 0 0 为 广 播 地 址 ；RT R Re mo t e Tr a n s mi s s i o n R e q u e s t B i t 为远程发送请求位 ； I D E I d e n t i f i e r E x t e n s i o n B i t 为 标 识 符 扩 展 位 ， 在 标 准 帧 中为显 性 O ； DL C D a t a L e n g t h C o d e 为数 据 长 度代码 ， 本 系 统 中 DL C一6 ； C R C为循 环冗 余码 ； AC K为应答信号。支架状态数据是操作架对其它 支架的状态进行轮 询所得 的数据 以及参数设 置数 据 ， 操作者从中可知道其它支架的信息 ， 以便及时处 理工作异常的支架 ， 其报文设计 与邻架操作数据帧 4 急停 、 闭锁支架将 本架 I D标 志符广播 给 类似 ， 这里不作详细介绍 。 表 1 邻架操作 数据帧标准帧格式表 3 ． 2 双 CAN 总线通信 设计 本 系统 的 2路 C AN 总线 在 正常 情 况下 同时工 作 一路用于邻架操作 ， 一路用于轮询 。当一路总线 出现 故 障 时 ， 该 路 总 线 自动 关 闭 并 切 换 到 另 一 路 C AN总线 ； 当故障总线恢复正常时 ， 默认该 总线上 传递的数据将重新 回到该 总线上传递 。双 C AN 总 线通信网络结 构如图 3所示 ， 双 C AN 总线通信程 序流 程如 图 4所 示 。 ， 蕊 ＼＼ 出 现 故 障 时 选 择 正 常 通 道 ／ l 4 结语 轮询各支架状态 L C A N 2 通信 图 3 双 C AN总线通信网络结构图 本文介 绍 了液 压支 架控 制 系统 的组成 及控 制器 的设计， 并分析 了液压支架控制系统的工作环境 ， 根 据工况要求设计的总线报文 ， 提高 了液压支架控制 系统 通信 的实 时性 ， 双C AN总线设计和支架 节点 CAN2 丽 通信中断， 报警输 出 正常通信 l 垩 堂 望 堕I 叫 tY - f 图 4 双 C AN总线通信程序流程 图 硬件设计提高了系统的可靠性 。实际现场调试结果 表明， 该系统在提高支架 的实时性能和可靠性能方 面 比基于单 C AN总线 的系统 有明显提高 ， 数 据没 一 惠一 一 一 - - _ 董 一 第 6期 2 0 0 g年 6月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i ne Au t omat i o n NO ． 6 J u n ．2 0 0 9 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 6 --0 0 6 8 --0 3 基于 I S P l l 6 1的 U S B主机系统的设计 张 亮 ， 亓 学广 ， 刘鼎 立 ， 董洪毅。 1 ． 山东科技大学信电学院， 山东 青岛 2 6 6 5 1 0 ；2 ． 山东省科学院激光研究所 ，山东 济宁2 7 2 0 1 7 摘要 根据数据采集的实时性要求， 并针对要将现场采集的数据存储到 U盘的情况， 文章提 出了一种基 于 I S P 1 1 6 1的 US B主机 系统 的 设 计 方 案 ， 详 细 介 绍 了 系统硬 件 及 软 件 设 计 。该 方 案 通 过 对 US B芯 片 I S P 1 1 6 1的操 作 、 DS P芯片 TM 3 2 0 F 2 8 1 2与 US B芯片 I S P 1 1 6 1的硬 件 连接及 US B数据 传输 系统 的软件设 计 ， 实现 了 US B传 输和存 储数 据的 功能 ， 并在 U 盘 里完成 了 F AT 3 2文件 系统 的构建 。 实验 结果 表 明 ， 基 于 I S P 1 1 6 1的 US B主机 系统性 能可 靠 ， 可 以根 据 需要 对 U 盘 正确 、 高效地 读 写 ， 满足 数据 采集 的 实时性 要 求。 关键 词 US B主机 ； U 盘 ；操作 ； U 盘 枚举 ； D S P ；I S P 1 1 6 1 ； TMS 3 2 O F 2 8 1 2 中图分类 号 T P 3 3 3 ． 2 文献标 识码 B 0 引 言 US B协议 规定 US B接 口由主机 端发 出控制命 令 ， 设备端被动地执行命令 ， 数据传输只发生在主机 和设备之间 ， 不允许 主机和主机之 间或设备和设备 之间进行数据传输。因此 ， US B设备往往围绕主机 端P C机才能充分发挥作 用， 这显然 是一个缺 陷。随着 US B接 口的进一步推广 ， 用户更希望设备 之间， 如消费类数码产品和打 印机之 间， 能够摆脱 P C机 的约束 ， 直 接通 过 US B接 口建 立 连接 。鉴 于 此 ， 笔 者设 计 了 一 种 基 于 I S P 1 1 6 1的 US B主 机 系 统 ， 以实现 US B主机的功能 ， 从而摆脱 US B设备对 P C机 的依赖 性 。 基于 I S P 1 1 6 1的 US B主机 系统将现场采集的 数 据 保 存 到 U 盘 ， 并 在 U 盘 建 立 文 件 系 统 ， 使 Wi n d o ws 操 作系 统可 以识 别存 入 u 盘 的数据文 件 ， 收稿 日期 2 0 0 9 0 2 1 1 作者简 介 张亮 1 9 7 8 一 ， 男 ． L U 东 科技大学信 电学院在读硕 士研 究 生，主 要 研 究 方 向 为 电 磁 测 量 技 术 及 装 置 。E ma i l n o t e b o o k d f 1 6 3 ． c o rn 直接在 P C机 上 读 取 数 据 ， 并 通 过 软 件 进 行 分 析 。 其 中 ， 控 制 器 采 用 TI 公 司 生 产 的 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 DS P芯 片 ， US B 芯 片 采 用 P h i l i p s公 司 生 产 的 I S P1 1 61。 1系统硬 件设 计 1 ． 1 控 制 器 与 I S P1 1 6 1的 接 口 电 路 TMS 3 2 0 F 2 8 1 2与 I S P 1 1 6 1的 接 口电 路 如 图 1 所 示 。 T M 3 2 0 F 2 8 l 2 l S Pl 1 6 1 2 l 6 3 DO D0 D1 5 I 4 7 l 7 Dl 5 xA[ 1 】 4 3 5 9 AO X A [ 2 】 8 O 6 O Al XZC S 2 8 8 2 I CS XR D 4 2 2 2 8 4 2 3 RD XW E W R XI TN2 1 5 1 2 9 l NT1 3 5 3 2 GPI OF3 RST 图 1 TMS 3 2 0 F 2 8 1 2 与 I S P 1 1 6 1的接 口电路 图 I S P 1 1 6 1选用 5 V供 电， 内部转换为 3 ． 3 V， 其 引脚的输入 、 输 出电平 和 TMS 3 2 0 F 2 8 1 2的引脚电 有 出现混乱和堵塞现象 ， 由于现场支架数量有限 为 5台 ， 在 综采 面上 的实际工 作 环境 几 十 台 以上 下 的状 态还未得 出 ， 有 待 进 一步 调 试 和 改进 。本 文 给 出的设 计方法 给液 压支架 控制 系统 的应用 开发 和双 C AN总线通信可提供新的设计参考。 [ 2 ] 参考文献 I- 4 [ 1 ] 饶 运涛 ， 邹继军， 王进宏 ， 等． 现场 总线 C AN原理 与应 用技术I- M] ． 北京 北京航空航 天大学出版社 ， 2 0 0 7 ． 沙宝银 ， 王 勇 ， 姜金球 ， 等． 基于 C AN 总线 的液压 支 架分 布 测 控 系 统 研 究 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 0 8 3 1 O9～ 11 1 ． 孙 晓健 ， 张东来． C AN 总线 在液 压支 架 电液 控制 系统 的应用 [ J ] ． 微机算机信息 ， 2 0 0 6 0 6 z 9 7 ～9 8 ． 阳宪惠．现场总线技术及其应用[ M] ．北京 清华大学 出版 社 ， 1 9 9 9 ．