基于usb-can总线通信的矿井风机监控系统的设计

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基于USB–CAN总线通信的矿井风机监控系统的设计林金亮（闽西职业技术学院电气工程系，福建龙岩364021）摘要：为实现对矿井主冗风机状态有效监测和控制，提出一种基于CH375芯片设计的USB-CAN总线在矿井风机实时监控系统中的应用，系统采用TI公司生产的MSP430F149单片机为控制器核心，以Microchip公司MCP2510为总线控制器，实现上位机与矿井风机的远程通信和控制。关键词：USB-CAN总线；矿井风机；实时监控；MCP2510中图分类号：TP277文献标识码：A文章编号：TheDesignOfVentilatorMonitor-controlingSystemUnderMineBasedOnUSB–CANBusLinJinliang(DepartmentOfElectricalEngineeringMinxiVocationalAndTechnicalCollege,LongyanFujian364021)Abstract:InordertorealizethemonitoringofseveralVentilatorsundermine,bringareal-timemonitor-controlingsystembasedonUSB-CANbus.ThesystemusesMSP430F149asthecorecontrollerandusesMCP2510astheBus-controller,whichrealizethefunctionofremotecommunicationandcontrolingbetweenPCandVentilators.Keywords:USB-CANBUS；Ventilator；Real-timemonitor-controling；MCP2510 颈自动监控煤矿井下通风的各项指标，具有一定的实用和推广价值。通风机作为矿井的“肺腑”，其主要任务是向井下输送新鲜空气，稀释和排出有毒有害气体，同时调节矿井井下所需风量、温度和湿度，改善劳动生产条件，保证安全生产[1]。为了保证矿井通风机工作在安全、高效、稳定、节能的状态，必须加强对井下风机的有效监测和控制。传统的矿井通风机监测监控系统采用单片机控制、总线挂接式结构，再配合各种智能传感设备，能自动监控井下通风的各项指标，具有一定的实用和推广价值，但系统存在总线效率不高，监测节点数量有限、系统实时性差、通信距离不够远以及测量精度低等缺点。而随着矿井生产设备机械化程度的不断提高，矿井纵深不断加大，通风巷道的长度也不断增加，必然要求通风监测系统不仅要具备大规模节点监测控制能力，还必须具备远距离数据传输的能力。CAN总线 作为一种性价比较高且具有国际标准的现场总线，不仅通信速率快、可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，而且通信距离远、开发成本低等特点，是解决目前工业控制现场数据通信瓶颈的有效手段之一[2-3]。1监控系统整体架构系统硬件整体架构示意图如图1所示，系统由上位PC监控平台、USB-CAN网络适配器、若干个监测节点构成。风机站采用两台风机做冗余，1台工作风机和1台备用风机。风机的风速等级由4个电动机高、低速运行的不同组合决定。多电机综合保护系统由电机故障检测电路检测电机是否缺相、短路、过载及漏电故障，由瓦斯传感器和风量传感器监测井下环境情况，由电流传感器和电压传感器监测风机的运行状态。2监控系统硬件设计2.1CAN总线适配器的硬件设计监控系统的CAN总线适配器在整个监控网络中起着至关重要的作用，其设计的好坏，关系到整个监控系统数据传输的可靠性[4]。目前市面上有一些总线适配器，比如RS232-CAN、RS485-CAN、PCI-CAN等，虽然他们在数据传输的可靠性和通信距离上有比较大的优势，但是在笔记本电脑盛行的今天因上位机无RS232串行接口而存在着调试不便的特点，USB-CAN总线网络适配器的设计正好弥补了这个缺陷，因而具有一定应用价值和推广价值。USB-CAN总线网络适配器由AT89C52微处理器芯片、CAN总线通信接口、USB通信接口等主要部件组成。USB-CAN总线适配器转发来自CAN总线的信息和来自上位PC机的命令信息，起沟通CAN总线与PC机之间的桥梁作用。 USB接口电路采用南京沁恒公司生产的USB接口芯片CH375A。CH375具有8位数据总线和读写、片选控制线及中断输出，可方便挂接到单片机等其他一些智能微控制器的总线上；内部置有USB通信的底层协议，能自动处理默认端点所有任务，本地微处理器AT89C52只需负责数据的交换；同时内部提供了4个相互独立的端对端逻辑传输通道，分别为数据上传通道、数据下传通道、中断上传通道及辅助数据下传通道，因请求加应答的通信模式数据传输速率较低，故采取单向数据流通信模式与PC上位机通信，同时使用中断上传端口上传中断特征值。USB通信接口电路如图2所示。图2AT89C52与USB通信接口电路图2.2CAN总线接口电路监控节点设计以TI公司MSP430F149单片机为控制核心，此款单片机不仅具有5种低功耗模式，同时具有高速的运算能力、丰富的片内外设以及时钟使用灵活等特点[5-6]，在工业控制系统及工业通信中具有广泛的应用，CAN总线接口电路则采用Microchip公司MCP2510为总线控制器，该芯片完全支持CAN总线V2.0A/B技术规范，除能够发送和接收标准及扩展报文外，还同时具备验收过滤及报文管理功能，其内含的三个发送缓冲器和两个接收缓冲器大大减少了微处理器的管理负担，它与另外一款独立的控制器SJA1000相比，具有接线更加简化、使用更加灵活的特点。为了使CAN总线的性能更加 稳定可靠，收发器芯片采用Microchip公司配套生产的MCP2551。CAN总线接口电路主要完成3个部分的功能：接收上位PC机下传的数据控制指令（含查询信息命令）；上传监控节点采集的风机状态监测数据；消除总线上的噪声对监控节点单元的影响；为提高MCP2551与总线接口的抗干扰能力，在MCP2551的CANH端和CANL端各自用一个5的电阻与CAN总线相连，可起到一定的限流效果，以保护MCP2551不因过流而烧坏。CANH端、CANL端与地之间再并联两个约3×10-11F的电容，可滤除总线上高频干扰并具有防电磁辐射的功效。另外，两根CAN总线输入端与地之间分别反接了一个保护二极管，当CAN总线有较高的负电压时，通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用。CAN总线接口电路如图3所示：图3CAN总线接口硬件电路图 2.3通风系统状态监测及保护电路设计矿井内的通风环境对工人作业效率和安全有至关重要影响，而通风系统主要由风机和电机两大部分构成，风机的运转靠电机传动，因此，除了对井下风压、风速及风温进行有效测量之外，对电机状态进行有效监测和电路保护设计也不容忽视。2.3.1电机电压检测电机电压检测保护电路选用传统电压互感器，直接在电压交流输入端隔离取样，经过整流、滤波后送入单片机MSP430F149的ADC6通道。对欠压过压保护则采用软件编程实现，利用MSP430F149单片机在数据处理方面强大的运算能力，设置过压和欠压的阈值，直接对电机实时监测并进行相应保护，此种方法不仅设计简单，而且有效节约了成本。电机电压检测电路如图4所示：图4电机电压检测电路2.3.2电机电流检测电机电流检测采用电流互感器对主回路电流采样后转变为电压信号，经过整流、滤波后输入单片机的ADC通道。电机过流保护利用两路电流信号的平均值与设定的过流阈值相比较，超过阈值则判定为过电流。在电路的设计中，为避免谐波对检测电路造成影响，利用二阶巴特沃斯低通滤波器，有效地将各次谐波加以滤除，从而提高电机电流检测的准确性。电机电流采样及调理电路分别如图5、图6所示：图5电流采集电路 图6电流检测调理电路2.3.3电机堵转及短路保护电机因负荷过大等原因造成电机转子卡壳不转或低速运行的状态，我们把它称之为电机堵转，此时电机电流会迅速增大，有时可达额定电流4倍以上，如此高的故障电流不仅及其容易把电机烧坏，而且容易造成火灾。为防止此类现象发生，必须对电机设计一个安全可靠的堵转保护电路。以往供电系统常采用传统鉴幅式继电保护装置，其保护整定存在误差大、可靠性低、动作时间长的特点。在本课题中，电机的堵转电路则采用了相敏保护电路，很好地提高了动作的可靠性及灵敏度。理论和实验数据表明，电机启动时功率因素较低，约为0.3至0.5左右，而发在内部线路短路故障时，功率因素至少0.9以上。因此，以检测到的电流值与检测到的功率因素cos乘积作为短路故障的判定标准，即C=I×cos,只要常数C的取值恰当，则此时的保护区会比单独鉴相、鉴幅的保护区大，所以可以很容易把启动电流与短路电流区分开来。电机短路故障主要有定子绕组间短路和单相绕组匝间短路，其最明显特征是当三相供电线路发生故障时会出现大电流，危害性极大，往往是造成室内火灾的根源，因此，必须进行电机的速断保护。在保护电路设计中，短路保护整定值一定要大于电机最大启动电流，通常取电机8至10倍额定电流为参考，若检测到电机ABC三相电流中任何一相在速断整定电流时间范围内超过设定电流整定值，则认为发生短路故障，必须马上断电加以保护。2.3.4电机转速检测 电机转速检测的精确度不仅影响到系统的稳定性，而且对整个系统的节能效果有至关重要的影响，目前比较普遍应用的测量电机转速的方法主要有微电机测速法、离心式转速表测速法、霍尔元件测速法和光电码盘测速法[7]。微电机测速法和离心式转速表测速法均有一个测速表，转速获得比较容易，但转速表或测速机都要与电机同轴相连，大大增加电机组装难度。霍尔元件和光电码盘测速法把一小型传感器安装在转轴上，将电机转动信号通过霍尔元件或光电码盘转换为电脉冲，再在某个时间段内算出电脉冲个数，通过公式即可获得电机转速。因采用光电器件测速，精度较高，故本项目采用光电脉冲码盘编码器对电机转速进行检测，电机转动时，PTO端会产生同电机转速频率相对应的的矩形脉冲信号，通过单片机内部集成计数器在固定采样时间范围内对矩形脉冲进行计数，利用测频法测速机理，再经转换即可确定电机转速。设采样周期为Tc，光电码盘齿数即脉冲数为Pn，采样时间内测得脉冲个数为m，则电机每分钟的转速为。具体电机转速测量电路如图7所示:图7电机转速检测电路2.3.5通风巷道风压风速风温检测通风巷道风压风速风温的检测系统选用了带标准输出特性的风速、风压、风温传感器，非常方便和单片机MSP430F149接口。 为实现对通风巷道风速、风压、风温的有效测量，风压传感器完成对通风巷道的差压的连续监测、风量传感器测量通风巷道内单位时间内抽出的空气量、测量巷道内的风速，将风速转换成标定的电信号。三个量同时并行采集，防止由于传感器故障造成系统工作不稳定，通过对三个变量的采集，提高了整个系统的的风量采集的正确性和稳定性。各采集电路模块将采集到信号经过调理转换后传输至数据采集模块控制中心，完成对通风量的监测。在选用风量、风压、风速传感器时，选择输出信号标准为4-20mA的电流信号，再经过转换为电压输出后对数据进行A/D转换。为避免谐波影响，选用二阶巴特沃斯低通滤波器将各次谐波滤除，以保证转换电路的可靠性。2.3.6风机频率监测电路变频在设备节能及系统稳定性方面具有无可比拟的优势，因此频率检测在系统设计中是一个不可忽视的重要环节。风机电压频率的变化反映了风机的转速变化。通过测量风机电压频率值，即可确定风机是否处于正常工作状态，若工作不正常，下位机则关闭主风机，启动冗余风机，以保证通风正常，同时向上位机发出报警信号。频率监测电路采用过零检测原理，具体设计电路如图8所示。图8频率监测电路1监控系统上位机软件设计监控系统上位机软件的设计虽然不能算整个系统的重中之重，但其设计的好坏却也关系到整个监控系统的运行质量，因此，上位机软件的设计也不能忽视。 上位机软件的设计可以选用VB、VC++、Dephi等软件进行开发，但考虑到VB功能强大和简单易学的特点，在上位机设计中选用了VB6.0软件开发，其发布的可执行文件可以脱离开发软件直接在Windows环境下运行。上位机的软件功能主要包括数据监测和数据处理、人机接口，同时经CAN总线实现对下位机监测节点的控制。上位机软件可分为主程序模块、数据处理模块和通讯模块3部分，主程序模块完成界面显示、人机接口、模块调用、输出控制等功能；数据处理模块完成数据采集、风量、温度等待测量的数字滤波、计算等处理功能；通讯模块除了接收下位机上传的数据外还向下位机发出风机控制指令。上位机系统人机交互界面如图9所示。图9上位机系统人机交互界面4小结在矿井风机远程监控系统中，为实现对风机状态的监测和控制，提出了一种基于CH373芯片构建的USB-CAN总线在矿井风机通信中的 总线解决方案，该系统不仅较好地实现了系统的远程通信和控制，同时与传统RS485相比，大大提高了数据传输的可靠性和稳定性，解决了通信距离短和可挂接节点数目少的缺陷。本文通过详细阐述了MSP430单片机与基于MCP2510的CAN总线接口的硬件电路和软件设计，为在工业控制网络上实现基于MCP2510的CAN总线进一步推广和应用提供了借鉴。参考文献:[1]刘文杰.自行研制矿井通风监测系统[J].矿山机械,2001(8):57-58[2]陈在平．现场总线及工业控制网络技术[M]．北京：电子工业出版社，2008．[3]冯鹄.浅谈CAN总线的特点及应用[J].科技信息，2009(17):47-49.[4]常阳光，张咏梅，刘涛，等．专家智能电除尘器监控系统设计[J]．工业控制计算机，2008,21(4):48-49.[5]曹磊．MSP430单片机C程序设计与实践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2007:6-15.[6]秦龙．MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲[M]．北京：电子工业出版社，2006:372-375.[7]翟彩萍．微电机无接触测速方法研究与电路设计[D]．武汉：华中科技大学，2004