【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 構(gòu)造 本次設(shè)計(jì)選用了 iCAN4017模擬量采集模塊作為系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。整個(gè) iCAN4017 信號(hào)處理流程緊湊，模塊集成度高，整個(gè)模塊符合工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)，為系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了保證。整個(gè)模塊有以下特性： (1) 單電源供電，供電電壓：＋ 10V~+30V DC； (2) 輸入通道數(shù)： 6 路差分輸入， 2 路單端輸入； (3) 輸入信號(hào)范圍：177。 10V (默認(rèn) )、177。 5V、 177。 、177。 1V、177。 500mV、177。 150mV； (4) 電流輸入：177。 20mA（需外接 125Ω精密電阻）； (5) AD 轉(zhuǎn)換分辨率： 16 位； (6) 轉(zhuǎn)換速率： 2 次 /每秒（ 8 通道每次）； (7) 輸入低通濾波、過(guò)壓保護(hù)； (8) 隔離電壓： 1000V DC（信號(hào)輸入）。 iCAN4017 的信號(hào)處理流程如 圖 所示 ： 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 圖 iCAN4017 內(nèi)部信號(hào)處理流程 模塊前端信號(hào)調(diào)理 在模擬信號(hào)輸入采集系統(tǒng)中，為保證模擬量輸入信號(hào)測(cè)量的正確性以及系統(tǒng)的精度，對(duì)于外部的模擬量信號(hào)首先需要進(jìn)行 調(diào)理才能進(jìn)行測(cè)量。完成這部分調(diào)理功能的電路一般稱(chēng)為“前端電路 ”。前端電路的基本組成結(jié)構(gòu) 如 圖 所示。 圖 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)前端信號(hào)調(diào)理 模塊的信號(hào)轉(zhuǎn)換 調(diào)理后的模擬信號(hào)通過(guò)多路的 ADC進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 ，最后得到 MCU能夠識(shí)別的數(shù)字量。如 圖 所示。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 圖 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn) ADC 模塊的通信部分 模塊的 MCU 主要負(fù)責(zé)對(duì) ADC得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以使得其符合 CANbus總線協(xié)議。在模塊內(nèi)部使用了分立的 CAN 控制器和 CAN 收發(fā)器組成 CANbus 總線通信部件，通信滿(mǎn)足 CANbus 總線協(xié)議，通信穩(wěn)定性好。 具體的結(jié)構(gòu)如 圖 所示。 圖 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通信結(jié)構(gòu) 模塊通信報(bào)文格式 通信連接的建立通過(guò)“建立連接”命令實(shí)現(xiàn)。功能碼為 0x04，資源節(jié)點(diǎn)為 0xF7。建立連接的報(bào)文格式如 表 所示。 表 建立連接報(bào)文格式 上表格中 CAN 幀數(shù)據(jù)部分的第 2 個(gè)字節(jié)為主站 ID，第 3個(gè)字節(jié)為主站定時(shí)循環(huán)參數(shù)，當(dāng)主站 定時(shí)參數(shù) CyclicMaster0 時(shí)，（ CyclicMaster*4）時(shí)間為從站判斷主站發(fā)送通訊報(bào)文成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 是否超時(shí)的時(shí)間間隔。在建立連接后，主站必須在（ CyclicMaster*4）時(shí)間內(nèi)與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以維護(hù)主站與從站通信的連接。通信建立狀態(tài)如 圖 所示。 圖 通信建立狀態(tài) 讀取模塊的模擬量輸入是通過(guò)“連續(xù)讀端口” 的命令實(shí)現(xiàn)的。功能碼為 0x02,資源節(jié)點(diǎn)為 0x40。 讀模擬量輸入的報(bào)文格式如 表 所示。 表 讀取模擬量輸入報(bào)文格式 模擬量輸入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 16 個(gè)字節(jié)，采用分段傳輸，模擬量的輸入格式如 表 所示。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 表 iCAN4017 模擬量輸入格式 模擬量信號(hào)的讀入狀態(tài)如 圖 所示。 圖 模擬量讀入狀態(tài) iCAN4017 模塊可以根據(jù)模擬信號(hào)的輸入幅值 大小設(shè)定模塊的測(cè)量范圍。設(shè)置測(cè)量范圍通過(guò) “連續(xù)寫(xiě)端口 ”命令實(shí)現(xiàn)。功能碼（ FuncID）為 0x01，資源節(jié)點(diǎn)為 0xF9，子資源節(jié)點(diǎn)為0xE1。 設(shè)置測(cè)量范圍通信報(bào)文如 表 所示。 表 設(shè)置測(cè)量范圍報(bào)文格式 Range VALUE 為測(cè)量范圍值， 0xE1 為資源節(jié)點(diǎn)，具體的測(cè)量范圍設(shè)定值如 表 所示。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 表 測(cè)量范圍設(shè)定值 讀取到通道數(shù)據(jù)后， iCAN4017 是以一定的格式上傳給主控板的。 iCAN4017 的輸入測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量電壓值之間換算關(guān)系如下： 當(dāng)輸入測(cè)量數(shù)據(jù)值為 0x8000 時(shí)，實(shí)際測(cè)量電壓值為 0。 iCAN4017 的輸入測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量電壓值之間換算關(guān)系如下： 當(dāng)輸入測(cè)量數(shù)據(jù)值為 0x8000時(shí)，實(shí)際測(cè)量電壓值為 0。 iCAN4017 的測(cè)量范圍最大為177。10V。假設(shè)實(shí)際測(cè)量電壓值為 Vm，通道輸入數(shù)據(jù) Adata， Kr 為與測(cè)量范圍相關(guān)的系數(shù)。 對(duì)于正電壓值，換算公式為 : 對(duì)于負(fù)電壓值 ,換算為 : 其中系數(shù) Kr 的定義如 表 所示。 表 測(cè)量系數(shù) Kr 定義 測(cè)量范圍 系數(shù) Kr 值 177。150mv 64 177。500mv 16 177。 8 177。 4 177。 2 177。 1 通過(guò)對(duì)模塊以上特性的了解，可以得出，整個(gè) iCAN4017模塊擁有 多路輸入，這樣給現(xiàn)場(chǎng)的多樣多路監(jiān)測(cè)提供了便利的條件。模塊擁有 16 位的 AD 轉(zhuǎn)換分辨率，整個(gè)數(shù)據(jù)的采集精度能夠得到提高，模塊內(nèi)部的 CAN 通信部件，使得使用 CANbus 網(wǎng)絡(luò)可以輕松的實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的上傳 ， 更重要的是 iCAN4017 其內(nèi)部自帶總線隔離器，抗擊外部惡劣環(huán)境的干擾的特性得到了很大的增強(qiáng)，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了保證。 該模塊非常適合作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種模擬輸入量的監(jiān)測(cè)，在本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中只需要把瓦斯?jié)舛葌鞲衅骱?iCAN4017 的模擬輸入口做相應(yīng)的連接即可構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)前端，非常的便捷和可靠。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 4. 系統(tǒng) 核心 控制 板 控制 板是煤礦井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的核心。 該部分完成了對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收、處理和存儲(chǔ)，同時(shí)也負(fù)責(zé)對(duì)人機(jī)交互界面的管理。系統(tǒng)中任務(wù)最多最繁重的部分就在核心控制板上完成。 要完成許多各種各樣復(fù)雜的工作，那么核心板需要 高速的處理器、穩(wěn)定可靠的通信部件、大容量的存儲(chǔ)器以及各種擴(kuò)展接口。 核心板 分析 本次設(shè)計(jì)核心板的構(gòu)建使用了廣州致遠(yuǎn)電子研發(fā)的 M9020FNU20I 核心板 外觀 如 圖 所示 。 圖 M9020FNU20I工控模塊 M9020FNU20 / M9080FNU20 基于 LPC2290 工業(yè)級(jí)微控制器，支持 10M 以太網(wǎng)通信、 CAN 總線通信，具有 CF 卡接口、 USB 接口、板載大容量 NAND Flash 電子盤(pán)、 A/D 轉(zhuǎn)換、 RTC 等功能 ，模塊的硬件特性如 圖 所示 。產(chǎn)品提供保護(hù)型總線設(shè)計(jì)，使模塊在EMC 性能及穩(wěn)定性方面均有良好的表現(xiàn) 。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 圖 核心板硬件示意 產(chǎn)品提供 LPC2290 標(biāo)準(zhǔn)化驅(qū)動(dòng)庫(kù)，并固化協(xié)議棧，調(diào)用 API 函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備的 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信、 CAN 總線通信功能和 USB、 CF 卡、海量電子盤(pán)等存儲(chǔ)功能，特別適合電力自動(dòng)化、煤礦產(chǎn)量監(jiān)控、機(jī)電控制等行業(yè)。 M9020FNU20I 核心板 采用了 NXP 公司基于 ARM7 內(nèi)核的 LPC2290 處理器 。 該處理器時(shí)鐘最高可達(dá) 60MHz。 ARM7 系列處理器理論指令執(zhí)行效率為 ，這就使得系統(tǒng)具有較大的數(shù)據(jù)處理能力 ，同時(shí)芯片也為系統(tǒng)使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供了保證 ， 另外， 該芯片內(nèi)部集成了 豐富的模塊 。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如 圖 所示。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 圖 主控板處理器結(jié)構(gòu)圖 M9020FNU20I 核心板板載 2M NOR Flash、 2MB 內(nèi)存、 256MB NAND Flash。 板載的大容量存儲(chǔ)器可以為系統(tǒng)程序運(yùn)行 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供足夠的空間。 從 圖 中可以直觀的看到， M9020FNU20I 核心板擁有豐富的擴(kuò)展接口，利用這些接口可以非常方便的完成系統(tǒng)其他部件的連接 ，為整個(gè)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展提供了快速通道。 板載的 RTC 可以非常方便的管理系統(tǒng)的時(shí)鐘。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 工控底板分析 M9020FUN20I 核心板提供了可以擴(kuò)展的接口，并沒(méi)有提供具體的接口部件，所以更多擴(kuò)展功能的發(fā)揮還是要靠工控底板的支持。本次設(shè)計(jì)采用了于 M9020FNU20I 兼容的工業(yè) 控制板 M22A series EV Board 作為系統(tǒng)的硬件平臺(tái) ，如 圖 所示 。 圖 工控底板 工控底板的主要特性有： (1) 支持 MiniARM174。 M22A 系列工控板； (2) 1 路 10/100M 以太網(wǎng)通信接口； (3) 2 路 USB Host 通信接口； (4) 1 路 USB Device 通信接口； (5) 2 路 CANbus 通信接口； (6) 2 路 RS23 1 路 RS485 通信接口； (7) 1 路 I2C 接口和 1 路 SPI 接口； (8) CF 卡接口和 IDE 接口各 1 個(gè)； (9) 1 個(gè) SD/MMC 接口； (10) 1 個(gè) 240x128 圖形液晶接口； (11) 1 個(gè)外設(shè) PACK 接口，可擴(kuò)展總線器件； (12) 1 個(gè) JTAG 接口支持在線調(diào)試。 M22A series EV Board 工控底板提供了非常豐富的接口。符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 CANbus，RS485， RS232 等接口。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 圖 CANbus 接口電路圖 這些接口 為系統(tǒng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系中數(shù)據(jù)的高可靠性傳輸提供了有效的解決方案。工控板還提供了 SD/MMC/CF 卡等可擴(kuò)展存儲(chǔ)介質(zhì) 接口 。 這就為大量井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和及時(shí)提取提供了便捷。 板載的 10/100M 以太網(wǎng)接口可以方便的進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸。異地監(jiān)測(cè)、控制和異地?cái)?shù)據(jù)的提取提供了可能性。板載的 USB 接口可以很方便的上傳數(shù)據(jù)到通用 PC機(jī)，配合 PC上位機(jī)的軟件就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)等必要工作。 圖 USB 接口電路圖 如果 不使用 PC機(jī)作為人機(jī)界面，還可以方便的使用板載的 LCD 接口作為數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面，直觀方便?？梢?jiàn)， M22A series EV Board 工控底板本身就是非常適合進(jìn)行工業(yè)監(jiān)測(cè)和控制。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 5. 系統(tǒng)人機(jī)界面 人機(jī)交互界面的選擇可以很大程度的提高系統(tǒng)的控制效率，整個(gè)系統(tǒng)除了對(duì)瓦斯環(huán)境的監(jiān)控并對(duì)監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理以外的就是和人進(jìn)行交互。系統(tǒng)把自己得到的數(shù)據(jù)有效的傳遞給生產(chǎn)監(jiān)控人員是非常重要的。 硬件支持 本次設(shè)計(jì)采用的核心控制板 M22A series EV Board 工業(yè)控制板上有著豐富的 接口，板載的 UART 接口可以非常方便的和 PC機(jī)連接，通過(guò) UART 接口實(shí)現(xiàn)核心控制板和 PC機(jī)的超級(jí)終端的雙向數(shù)據(jù)通信，以完成人機(jī)交互，系統(tǒng)得到了較大的簡(jiǎn)化。板載的 UART 接口電路如 圖 所示： 圖 UART 接口電路 設(shè)計(jì)思路 本次設(shè)計(jì)任務(wù)中人機(jī)界面的顯示部分使用了 PC 機(jī)自帶的超級(jí)終端。 以往使用 PC 機(jī)的超級(jí)終端一般只是簡(jiǎn)單的顯示 幾個(gè)收發(fā)的數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)將 PC 機(jī)的超級(jí)終端作成了 窗口 界面 的形式， 采用靜態(tài)區(qū)域和動(dòng)態(tài)區(qū)域相 結(jié)合的方式完成終端顯示。 系統(tǒng)的每一個(gè)功能都會(huì)在終端上相應(yīng) 的位置有所反映，在進(jìn)行一項(xiàng)功能設(shè)置時(shí)，終端會(huì)提示相關(guān)的輸入規(guī)則 。 由于超級(jí)終端可以自動(dòng)發(fā)送用戶(hù)輸入的字符，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)更多 的 功能 ， 人機(jī)界面的輸入部分采用了 PC 機(jī)的鍵盤(pán)。 成都信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 6. 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 在瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中，由于井下節(jié)點(diǎn)眾多、數(shù)據(jù)傳輸距離比較遠(yuǎn)且井下的干擾因素多且復(fù)雜。 針對(duì)礦井下特殊的情況，需要一種穩(wěn)定 性高 、傳輸距離遠(yuǎn) 且有 較高傳輸數(shù)率的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。 CANbus 總線 架構(gòu) CAN（ Controller Area Network）總線最早由德國(guó) BOSCH 公司提出，主要用于汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信。由于其良好的性能，在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域當(dāng)中，如工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)電子、樓宇建筑、電梯網(wǎng)絡(luò)、電力通訊和安防消防等諸多領(lǐng)域，并取逐漸成為這些行業(yè)的主要通訊手段。 CANbus 用于煤礦通訊系統(tǒng)當(dāng)中，不僅可以增強(qiáng)系統(tǒng)的通訊可靠性、延長(zhǎng)系統(tǒng)的距離、擴(kuò)充系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，讓管理者和主控設(shè)備能及時(shí)了解和處理當(dāng)前的井下情況，發(fā)覺(jué)事故隱患，避免事故發(fā)生。對(duì)于煤礦系 統(tǒng)的本安要求，只需總線要 CANbus設(shè)備的電源符合本安要求即可?，F(xiàn)場(chǎng)總線 CANbus 本身是符合本質(zhì)安全要求的。 與通常應(yīng)用的 RS485 方式相比，現(xiàn)場(chǎng)總線 CANbus具有更多方面的優(yōu)勢(shì)，可以完全取代 RS485網(wǎng)絡(luò)，從而組建一個(gè)具有高可靠性、遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)、多主方式的設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)總線 CANbus 可以直接采用 RS485 方式相同的傳輸電纜、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 CANbus 總線與 RS485 通訊方式的特性比較如 表 所示： 表 CANbus 總線與 RS485 通信方式比較 特性 RS485 方式 CANbus 總線 拓?fù)?結(jié)構(gòu) 直線 拓?fù)? 直線 拓?fù)? 傳輸介質(zhì) 雙絞線 雙絞線 硬件成本 很低 每個(gè)節(jié)點(diǎn)成本有所增加 總線利用率 低 高 網(wǎng)絡(luò)特性 單主結(jié)構(gòu) 多主結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)傳輸率 低 最高可達(dá) 1Mbps 容錯(cuò)機(jī)制