基于隔离式CAN总线网络的煤矿通信系统设计,本论文可用于总线论文范文参考下载，总线相关论文写作参考研究。
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摘 要：针对煤矿设备与工业以太环网的可靠快速接入问题,设计基于隔离式CAN总线网络的煤矿设备与工业以太环网的接入通信系统,采用ADM3052进行隔离式CAN物理层收发器设计,详细分析了如何计算控制器参数使隔离式CAN网络高速运行,并采用CANopen协议作为CAN网络应用层通信协议.系统将隔离式CAN网络用于不同系统间的长距离的串行通信,保障了煤矿恶劣环境中矿井通信的实时性和物理安全性.
关键词：矿井通信；CAN总线网络；工业以太环网
中图分类号：TP277文献标识码：A
文章编号：1672-1098（2012）03-0012-05
煤炭市场需求预计到2015年将达40亿吨,在能源结构中的比例约占50%,“十二五”时期煤矿安全生产面临着巨大的机遇和挑战.但随着对煤炭需求量不断增加,煤矿开采强度不断加大,高效安全的煤矿通信系统是十分必要的.目前现代化矿井通信系统主要采用工业以太环网作为通信骨干网,结合工业现场总线网络和其它各种无线接入网络,形成一个覆盖全矿井的监测、监控系统[1-2].其中CAN作为一种高速、可靠的现场总线网络,非常适合于煤矿井下关键设备的实时性监控[3].煤矿井下电气设备各异,不同的电气设备通过CAN总线网络接入到工业以太环网,连接两个系统的电缆总线上若出现不需要的电流和电压,可能会导致严重问题.如电动马达等有较大电流开关的设备工作时会造成接地电位迅速变化,其他感应电涌源还包括静电放电（ESD）和雷击[4].这些感应产生的电涌会在线路上产生数百、甚至数千伏电位,表现为瞬态电流和电压浪涌.这些不受控制的电压和电流会破坏信号,并且对本地收发器元件和系统而言可能是灾难性的,会造成连接至总线的元件损坏并导致系统故障.CAN总线系统通过40米或更长的电缆运行并互连多个系统,因此极易受这类事件影响[5].为防范此类潜在性的破坏,总线上以及连接至总线的系统上的所有设备都必须参考同一地线.即连接至CAN总线的系统和每个CAN总线收发器都具有独立且隔离的地线.CAN总线系统参考同一地线可消除接地环路,从而防止接地环路和电涌破坏电路.隔离还允许CAN总线电路基准电平随电缆线路上出现的任何电涌而上升或下降.允许电路基准电压源随浪涌移动,而不是将其箝位于固定地,可防止器件受到损坏或毁坏[6].针对煤矿井下CAN总线网络特点,设计基于隔离式CAN总线网络的煤矿设备与光纤环网的接入通信系统,系统将隔离式CAN网络用于不同系统间的长距离的串行通信,保障了煤矿恶劣环境中矿井通信的实时性和物理安全性.
1隔离式CAN网络通信系统设计
现代化煤矿通信骨干网为1000M工业以太环网.它除接入各种监测监控系统外,将有线IP电话、无线移动电话、人员定位系统、数字视频系统都接入网络.主干网通过工业级交换机为全矿地面及井下各个子系统提供方便灵活的工业以太网接口.地面调度控制中心通过服务器完成矿山各系统的监控、人员安全感知、设备健康状态感知等.CAN总线网络分布在地面和井下,通过网关分段接入骨干网,实现井下主要工作区域的网络覆盖（见图1）.CAN总线网络除用于各种需要分布式移动监测,如移动变电站、采煤机等关键设备,还可用于矿山灾害监测,也可扩展为语音及视频提供传输通道.
图1煤矿以太环网通信系统
由于CAN总线系统通常用于连接多个不同系统,铺设距离长,因此总线和所连接的各系统之间的隔离非常关键.隔离可以防止CAN总线电缆网络与连接至总线的系统之间的过压瞬变造成破坏,同时消除网络中的接地环路,减少信号失真和误差,并防止电压/接地失配影响电路,所以CAN总线采用隔离式网络,其结构如图2所示,设计电路如图3所示.
CAN总线要求通过电阻连接实现隐性状态,并要求通过CANH和CANL的组合实现显性状态.数字隔离器并不支持这种信号标准.因此,无法在CAN总线收发器与电缆之间插入数字隔离器.ADM3052是一款隔离式控制器区域网络物理层收发器,集成隔离DC/DC转换器,符合ISO 11898标准.ADM3052采用ADI公司的iCoupler数字隔离技术,ADM3052 CAN收发器在4线CAN总线配置与微控制器或DSP（数字信号处理器）之间提供5kVrms隔离,同时具有CAN总线规范所要求的物理层特性.在CAN协议控制器与物理层总线之间创建一个完全隔离的接口.
2隔离式CAN网络通信参数分析
隔离式CAN网络的传播延迟比非隔离式CAN网络要长, 但ADM3052的传播延迟显著短于光耦, 能以最高1Mbps的数据速率工作. 更短的传播延迟意味着处理器与总线之间的信号响应时间更快,这在仲裁期间特别重要, 因为每个节点必须决定哪一条消息享有优先权并控制总线. 因此, 传播延迟时间将决定数据速率和总线的最大容许线路长度. 一个CAN比特由四个独立的时间段组成（见图4）： 同步段（SYNC-SEG）、 传播段（PROP-SEG）、相位段1（PHASE-SEG1）和相位段2（PHASE-SEG2）. 这些时间段可以在CAN控制器中进行编程.
图4CAN标称比特时间
CAN采用逐位仲裁方式,不同的节点可以争夺总线访问权,这就导致多个节点同时传输数据.传输节点必须对总线上的数据进行采样,以便确定它是否赢得仲裁.由于系统的传播延迟,控制器必须补偿各位采样的时间.在控制器中设置PROP-SEG可以提供此补偿.
使用如下假设条件：电缆长度为20 m,数据速率或比特率为1 Mbps,电缆传播延迟为5 ns/m,CAN控制器振荡器频率为36 MHz.
对于ADM3052,从TxD到RxD的传播延迟为250 ns（最大值）.电缆的物理延迟等于5 ns/m乘以电缆长度20 m,结果为100 ns.因此,通过系统并返回的总传播时间为：
2（传播延迟+收发器传播延迟）等于2×（100+250）等于700 ns.
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