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1、 学位论文二维高精度液晶显示电子指南针论文作者姓名： 申请学位专业：电子科学与技术申请学位类别：工学学士指导教师姓名（职称）： 论文提交日期：2008年5月XX日目 录1. 绪论31.1煤矿环境概述31.2嵌入式系统概况11.3ARM处理器概况11.4论文课题的概述11.5论文设计的指标和任务12. 系统框图及实现12.1系统需求分析12.2系统框图23. 系统监测节点33.1监测节点理论概述33.2监测节点实际构造34. 系统核心控制板94.1核心板分析94.2工控底板分析125. 系统人机界面15.1硬件支持15.2设计思路16. 系统网络构建26.1CAN-bus总线架构26.2CAN-
2、bus总线协议47. 系统软件架构107.1C/OS-II操作系统107.2应用程序流程118. 结束语18参考文献199. 附 录110. 致 谢2摘 要指南针是中国古代最著名的四大发明之一，它是利用磁铁在地球磁场中的南北指极性而制成的一种指向仪器。指南针在不同的历史时期，有不同的形体和名称。指南针约出现于战国时期。当时的指南针是用天然磁石制成的，形状像一只勺，底圆，可以在平滑的地盘上自由旋转，其静止时，勺柄会指向南方。古人称之为“司南”。由于早期的指南针采用了磁化指针和方位盘的组合方式，整个指南针从便携性、指示灵敏度上都有一定的缺陷。当前由于电子行业内专用集成电路（ASIC）的飞速发展给各
3、种电子设备的微形化提供了便利的条件。由于地磁场非常的微弱，测量地磁场的强度一般不采用传统的电感线圈，近年来由于巨磁阻（GMR）的发现使得测量地磁场强度变得非常的方便。巨磁阻效应是指当铁磁性材料（ferromagnetism）和非磁性金属（Non-Magnetic Metal）层交替组合成的材料在足够强的磁场中时电阻突然巨幅下降的现象。特别值得注意的是，如果相邻材料中的磁化方向平行的时候，电阻会变得很低；而当磁化方向相反的时候电阻则会变得很大。电阻值的这种变化是由于不同自旋的电子在单层磁化材料中散射性质不同而造成的。正是由于ASIC芯片的发展和巨磁阻效应的发现使得使用电子设备对地磁场的测量成为可
4、能。本次设计任务的电子式指南针就是基于这两种技术的发展。与传统的磁针式指南针相比较，电子式指南针具有便携性好、精度高和寿命长等特点。在本次的设计任务中采用了巨磁阻传感器和专用的磁阻传感器测量ASIC芯片构成了地磁检测前端，通过微控制器（MCU）对ASIC芯片内磁场强度的读取和处理就得到了当前方位与正北的夹角，从而通过液晶显示屏（LCD）指示当前的方向。关键词：指南针；GMR；ASIC；MCU；LCD；The design of electronic compassAbstractAt present, a general problem that exists in mine industry
5、.and pulse measuring technology is low accuracy and poor operability. Meanwhile, the high cost limits the patients and potential patients to duly adopt preventive detecting and to see a doctor. Therefore, it comes to the priority to study and develop an economical measuring technique that is safe, a
6、ccurate and convenient. And the digital pulses counter can non-invasively monitor and automatically measure the heart rate.In accordance with the need of medical care, this design has framed a system diagram of digital pulses counter based on single chip processor(SCP) and analyzes the operational p
7、rinciple of the system; it also schemes out the circuit of all the modules and writes the program of single chip processor controlling and data processing in C language. This design draws the system principle diagrams and makes the PCB plug board chart with Protel 99SE and works out the pulse digita
8、l signal processing(DSP) and the actual sample of display circuit.The system diagram of digital pulses counter based on single chip processor has the following functions, such as pulse measuring, pulse information storage and recalling, time display, arrhythmia alarm, etc. The digital pulses counter
9、 works stably with a simple circuit structure, it is low-cost, easily-operating and applied in a very wide field.Key words: sensor; pulse signal; signal acquisition; signal processing; single chip processor; C language;1. 绪论1.1 指南针发展指南针的发明是我国劳动人民，在长期的实践中对物体磁性认识的结果。由于生产劳动，人们接触了磁矿石，开始了对磁性质的了解。人们首先发现了磁
10、石引铁的性质。后来又发现了磁石的指向性。经过多方的实验和研究，终于发明了可以实用的指南针。指南针的始祖大约出现在战国时期。它是用天然磁石制成的。样子象一把汤勺，圆底，可以放在平滑的“地盘”上并保持平衡，且可以自由旋转。当它静止的时候，勺柄就会指向南方。古人称它为“司南”。司南由青铜盘和天然磁体制成的磁勺组成，青铜盘上刻有二十四向，置磁勺于盘中心圆面上，静止时，勺尾指向为南。但司南也有许多缺陷，天然磁体不易找到，在加工时容易因打击、受热而失磁。所以司南的磁性比较弱，而且它与地盘接触处要非常光滑，否则会因转动摩擦阻力过大，而难于旋转，无法达到预期的指南效果。而且司南有一定的体积和重量，携带很不方便
11、，这可能是司南长期未得到广泛应用的主要原因。随着人们对指南针原理认识的不断深入，指南针也由先前笨重的“司南”发展到现在的便携式的指南针。但其基本构造是没有改变的，都是属于机械的指针式，其指示的机械结构基本上没有改变，都是利用某种支撑使得磁针能够受到地磁场的影响而自由的旋转。由于机械的先天因素导致了指针式指南针在便携性、灵敏度、精度以及使用寿命上都有一定的限制。由于当前电子技术的发展使能指南针的性质有了一定的改变，不再是机械结构而采用了专用的电子传感器对磁场进行测量从而指示方向，这就是当前应用较为广泛的电子式指南针。1.2 微控制器的发展在信息技术高度发达的今天，计算机进入了一个充满机遇和挑战的
12、时代后PC时代。随着工业界对智能控制要求的不断提高，形式多样的数字化智能产品应运而生，并且成为替代通用PC机进行信息处理的主要部件。在这些部件中都嵌入了微控制器（MCU），也就成为所谓的嵌入式系统。嵌入式系统是一个包括硬件和软件的完整的计算机系统。根据实际应用的需要，设计者可以选择和裁剪所用的计算机系统的硬件和软件。在一些简单的应用中，可以选择相对简单的微处理器，不使用操作系统，所有软件由设计者自己完成；但是在一些复杂的系统中，所选微处理器比较复杂，对时间的要求也较为苛刻，在这种情况下，为了更好地管理微处理器，设计者可以选择实时操作系统。操作系统可以屏蔽微处理器的底层硬件，使系统设计者可以在不
13、太了解硬件的情况下，用操作系统提供的接口函数来编写自己的应用程序。本次设计中使用了8051系列单片机作为整个系统的控制核心。1.3 磁阻效应1.4 论文课题的概述本题为煤矿井下瓦斯环境监控，用到CAN-bus、数据库、GUI等专业知识，工程实践性较强，要求综合运用本科阶段所学的软硬件专业知识。本设计要求制作简易数据库、GUI设计，这就要求对数据库和GUI这两方面有一定的兴趣并要求有相当的软件编程能力。本设计对系统整体性能要求较高，适用于机械工程、电子科学与技术、电气工程及其自动化等相关专业学生。通过本此设计，可以培养和提高学生综合运用专业知识分析和解决一般技术问题的能力；加深对CAN、数据库、
14、GUI等相关知识的理解；培养学生文献检索、资料查询的基本方法和获取新知识的能力；培养工程应用系统的设计开发能力；提高学生书面和口头表达能力；提高学生协作配合工作的能力。本设计实际是模拟井下瓦斯环境监控系统，硬件平台使用广州致远电子有限公司最新开发的MiniARM M9020配合M22A series EV Board。MiniARM M9020是一款ARM嵌入式系统开发平台，它硬件资源十分丰富，包含UART、USB、CAN等多种接口，支持多种嵌入式操作系统，提供丰富的配套教材和众多的实验例程，提供多种的商业化软件包，并配备精心设计的多媒体教学课件。在本系统中，学生可以对M22A series
15、EV Board的相应硬件资源进行裁减（有选择的使用），然后将所需的传感器搭接在相应的接口上即可完成硬件的构建。这里由于进行井下瓦斯监控器件较为复杂，可以选用电位器代替。由于系统中用到CAN-bus、GUI、及CF卡，故要求学生在这方面有相当的了解。本设计对软件的要求较高，要求学生对整个系统有一个全局的了解，在扩展要求中要求利用RTC实时记录时间，这就进一步加大了软件编程的难度。1.5 论文设计的指标和任务如图1.5.1所示为井下瓦斯环境监控系统框图。在本设计中用井下监控设备对井下的瓦斯浓度进行监控并通过CAN-bus总线与主控核心板相连；将监控采集的数据通过规定的格式保存在CF卡中，并建立简
16、易数据库；将监控采集的数据通过GUI显示出来，并可进行人机交互。图1.5.1 任务概图设计的要求分为两个部分，基本要求部分和扩展要求部分。基本要求(1) 实现监控设备对井下环境的检测；(2) 实现CAN-bus组网；(3) 利用RTC实时记录时间；(4) 实现GUI设计。扩展要求(5) 将监控到的数据保存到CF卡中；(6) 建立简易数据库；(7) 系统整体性能稳定；(8) 系统软件结构清晰，代码优化。2. 系统框图及实现本次设计的煤矿井下瓦斯实时监控系统集瓦斯浓度采集、CAN-bus网络、主控核心、存储系统和人机界面等功能于一体，这是一个以应用为中心，实现系统对功能、可靠性、成本等综合性都要求
17、严格的专用嵌入式系统，功能繁多，处理比较复杂，要求具有实时性和多任务的体系，这就需要选用嵌入式操作系统作为软件平台，本次设计采用了C/OS-II实时操作系统。嵌入式系统包含了硬件和软件两个方面，其中硬件主要由处理器芯片、存储器、I/O端口以及相关外围器件和电路组成，软件部分主要由嵌入式操作系统及相应的用户应用软件组成。应用程序控制着整个系统各个模块的运作和行为；而操作系统对各个任务（应用程序）进行调度，协调着各个任务同步地对硬件控制，实现软硬件结合，达到预定的各项功能和指标。2.1 系统需求分析井下瓦斯监控系统对数据采集精度、通信稳定性、数据的批量存储，查询以及整个系统的实时性要求都比较高，工
18、程有一定的难度。在设计之前，有必要对整个系统的需求进行分析和论证。2.1.1 硬件需求分析首先，井下瓦斯监控需要对井下瓦斯的浓度进行监测，那么就需要针对瓦斯浓度的传感器，因为瓦斯浓度反映到传感器是连续变化的模拟量，所以一个满足采集精度的ADC是整个转换的关键所在。其次，整个井下的节点众多，不可能要核心控制板对每个节点的A/D转换后的数据数据进行处理，如果这样做，传输距离也是不允许的。基于这种情况的考虑，每个数据采集点都应该有自己的微控制器。这样，数据的采集转换就可以在节点完成。再而，每个节点的数据都需要经过一定的途径上传给主控核心。这就需要一定的通信机制来完成将采集到的数据上传的任务，这就要求
19、，主机和节点都应该具有满足某种协议的通信机制和相应的硬件支持。再次，大批量的数据由节点上传给主控核心，处理这些大批量的数据对核心微处理器的处理能力提出了更高的要求。系统要求能够存储这些节点上传的数据，由于井下瓦斯监控系统可以长时间对井下瓦斯环境进行监测，那么大容量的数据存储器件和有效的数据结构在系统中是必不可少的。通过以上对系统需求的简要分析，我们可以得出，整个井下瓦斯监控系统应该具有智能的监测节点、稳定可靠的通信机制以及较强的数据处理和存储的能力。针对系统的各项需求，本次设计任务瓦斯监测节点使用了智能，符合CAN-bus规范的iCAN协议的iCAN4017模拟量数据采集器，整个监控系统的网络
20、架构采用了稳定可靠的CAN-bust通信网络，系统的核心微处理器采用了性能优良的基于ARM7架构的LPC2290处理器，数据存储器采用了256MB的电子硬盘。可以满足监测系统几个月的数据采集量。2.1.2 软件需求分析井下瓦斯监控所要实现的功能较多，控制对象和控制任务相对比较复杂，在这种情况下，如果采用传统的前后台形式进行程序设计，将是非常困难的，即时实现了某些功能，也难以满足实时性的要求。鉴于此，本次设计选用了C/OS-II操作系统作为软件平台，这可以很好的满足设计指标的要求。2.2 系统框图煤矿井下无人瓦斯监控系统主要由瓦斯传感器、iCAN监测节点、CAN-bus网络、核心控制板、人机交互
21、界面等功能模块组成。系统结构框图如图2.2.1所示。图2.2.1 系统框图系统硬件主要由四个部分组成：系统监测前端瓦斯监测节点、系统控制核心、系统后端的人机交互界面以及系统电源。系统的监测节点主要完成对井下瓦斯浓度的采集并将数据通过CAN-bus总线上传给控制核心。核心控制板完成对节点上传数据的读取和处理，并将收集到的数据存入数据库，如果浓度值超过了预设的报警阀值，核心板将发出报警信息。人机交互界面可以完成当前系统运行状态的显示和一些需要调整的数据的输入。从图2.2.1可以看出整个系统主要由四个部分组成，下面就系统中主要的四个部分分别描述。首先，在整个监测系统中，前端对数据的采集和数据的准确上
22、传起到了至关重要的作用，而且前端处于环境比较恶劣的井下，这势必对其的各种性能有更高的要求。方案的选取将决定整个前端乃至整个系统的性能的高低。其次，核心控制部分作为一个系统的心脏，在数据的处理、传输以及系统内各个模块的协调都起到了决定性的作用。整个系统能否有效的运行都取决于系统核心部分的选择。再次，人机界面部分作为系统核心和人打交到的界面，它的选择涉及到整个系统可操作性程度，也就是能否让人去更好的管理整个系统的资源、去及时而又直观的感知系统运行的状态，所以说这部分的选择也相当的重要。最后，系统电源是整个系统可靠工作的重要保证，特别是在煤矿这种电网恶劣的环境下，能够让整个系统稳定可靠工作的电源就显
23、得格外的重要。3. 系统监测节点3.1 监测节点理论概述从图2.2.1可以看出监测节点好比整个系统的眼睛，可以直接的觉察到外界环境的变化。监测节点的精度和转换速度直接影响到系统数据的精确，再而前端监测节点长期处于恶劣的井下环境，受到较强的电磁辐射和耐潮耐腐的考验，所以一个稳定可靠的监测节点对于整个系统的稳定性来说是非常重要的。监测节点信号的处理流程大致为：传感器将井下瓦斯浓度的变化转化为随浓度变化的电压，该电压通过ADC转变为数字量，监测节点的微控制器将ADC输出的数字量封装为iCAN协议规定的帧格式上传给主机。具体的流程如图3.1.1所示：图3.1.1 节点采集流程3.2 监测节点实际构造本
24、次设计选用了iCAN4017模拟量采集模块作为系统的监测节点。整个iCAN4017信号处理流程紧凑，模块集成度高，整个模块符合工业控制标准，为系统的稳定性提供了保证。整个模块有以下特性：(1) 单电源供电，供电电压：10V+30V DC；(2) 输入通道数： 6路差分输入，2路单端输入；(3) 输入信号范围：10V (默认)、5V、 2.5V、1V、500mV、150mV；(4) 电流输入：20mA（需外接125精密电阻）；(5) AD转换分辨率：16位；(6) 转换速率：2次/每秒（8通道每次）；(7) 输入低通滤波、过压保护；(8) 隔离电压：1000V DC（信号输入）。iCAN4017
25、的信号处理流程如图3.2.1所示：图3.2.1 iCAN4017内部信号处理流程3.2.1 模块前端信号调理在模拟信号输入采集系统中，为保证模拟量输入信号测量的正确性以及系统的精度，对于外部的模拟量信号首先需要进行调理才能进行测量。完成这部分调理功能的电路一般称为“前端电路”。前端电路的基本组成结构如图3.2.2所示。图3.2.2 监测节点前端信号调理3.2.2 模块的信号转换调理后的模拟信号通过多路的ADC进行A/D转换，最后得到MCU能够识别的数字量。如图3.2.3所示。图3.2.3 监测节点ADC3.2.3 模块的通信部分模块的MCU主要负责对ADC得到的数据进行处理，以使得其符合CAN
26、-bus总线协议。在模块内部使用了分立的CAN控制器和CAN收发器组成CAN-bus总线通信部件，通信满足CAN-bus总线协议，通信稳定性好。具体的结构如图3.2.4所示。图3.2.4 监测节点通信结构3.2.4 模块通信报文格式通信连接的建立通过“建立连接”命令实现。功能码为0x04，资源节点为0xF7。建立连接的报文格式如表3.2.1所示。表3.2.1 建立连接报文格式上表格中CAN帧数据部分的第2个字节为主站ID，第3个字节为主站定时循环参数，当主站定时参数CyclicMaster0时，（CyclicMaster*4）时间为从站判断主站发送通讯报文是否超时的时间间隔。在建立连接后，主站
27、必须在（CyclicMaster*4）时间内与从站进行数据通信，以维护主站与从站通信的连接。通信建立状态如图3.2.5所示。 图3.2.5 通信建立状态读取模块的模拟量输入是通过“连续读端口”的命令实现的。功能码为0x02,资源节点为0x40。读模拟量输入的报文格式如表3.2.2所示。表3.2.2 读取模拟量输入报文格式模拟量输入数据长度为16个字节，采用分段传输，模拟量的输入格式如表3.2.3所示。表3.2.3 iCAN4017模拟量输入格式模拟量信号的读入状态如图3.2.6所示。图3.2.6 模拟量读入状态iCAN4017模块可以根据模拟信号的输入幅值大小设定模块的测量范围。设置测量范围通
28、过“连续写端口”命令实现。功能码（FuncID）为0x01，资源节点为0xF9，子资源节点为0xE1。设置测量范围通信报文如表3.2.4所示。表3.2.4 设置测量范围报文格式Range VALUE为测量范围值，0xE1为资源节点，具体的测量范围设定值如表3.2.5所示。表3.2.5 测量范围设定值读取到通道数据后，iCAN4017是以一定的格式上传给主控板的。iCAN-4017的输入测量数据与实际测量电压值之间换算关系如下： 当输入测量数据值为0x8000时，实际测量电压值为0。iCAN-4017的输入测量数据与实际测量电压值之间换算关系如下： 当输入测量数据值为0x8000时，实际测量电压
29、值为0。 iCAN-4017的测量范围最大为10V。假设实际测量电压值为Vm，通道输入数据Adata，Kr为与测量范围相关的系数。 对于正电压值，换算公式为:对于负电压值,换算为:其中系数Kr的定义如表3.2.6所示。 表3.2.6 测量系数Kr定义测量范围系数Kr值150mv64500mv161.0v82.5v45.0v210.0v1通过对模块以上特性的了解，可以得出，整个iCAN4017模块拥有多路输入，这样给现场的多样多路监测提供了便利的条件。模块拥有16位的AD转换分辨率，整个数据的采集精度能够得到提高，模块内部的CAN通信部件，使得使用CAN-bus网络可以轻松的实现多节点数据的上传
30、，更重要的是iCAN4017其内部自带总线隔离器，抗击外部恶劣环境的干扰的特性得到了很大的增强，整个系统稳定性得到了保证。该模块非常适合作为工业现场的各种模拟输入量的监测，在本监测系统中只需要把瓦斯浓度传感器和iCAN4017的模拟输入口做相应的连接即可构成整个系统前端，非常的便捷和可靠。4. 系统核心控制板控制板是煤矿井下瓦斯监控系统的核心。该部分完成了对节点数据的接收、处理和存储，同时也负责对人机交互界面的管理。系统中任务最多最繁重的部分就在核心控制板上完成。要完成许多各种各样复杂的工作，那么核心板需要高速的处理器、稳定可靠的通信部件、大容量的存储器以及各种扩展接口。4.1 核心板分析本次
31、设计核心板的构建使用了广州致远电子研发的M9020-FNU20I核心板外观如图4.1.3所示。图4.1.1 M9020-FNU20I工控模块M9020-FNU20 / M9080-FNU20 基于LPC2290 工业级微控制器，支持10M 以太网通信、CAN 总线通信，具有CF 卡接口、USB 接口、板载大容量NAND Flash 电子盘、A/D 转换、RTC 等功能，模块的硬件特性如图4.1.2所示。产品提供保护型总线设计，使模块在EMC 性能及稳定性方面均有良好的表现。图4.1.2 核心板硬件示意产品提供LPC2290 标准化驱动库，并固化协议栈，调用API 函数即可实现嵌入式设备的TCP
32、/IP 网络通信、CAN 总线通信功能和USB、CF 卡、海量电子盘等存储功能，特别适合电力自动化、煤矿产量监控、机电控制等行业。M9020-FNU20I核心板采用了NXP公司基于ARM7内核的LPC2290处理器。该处理器时钟最高可达60MHz。ARM7系列处理器理论指令执行效率为0.9MIPS，这就使得系统具有较大的数据处理能力，同时芯片也为系统使用实时操作系统提供了保证，另外，该芯片内部集成了丰富的模块。芯片内部结构如图4.1.3所示。图4.1.3 主控板处理器结构图M9020-FNU20I核心板板载2M NOR Flash、2MB 内存、256MB NAND Flash。板载的大容量存
33、储器可以为系统程序运行和数据存储提供足够的空间。从图4.1.2中可以直观的看到，M9020-FNU20I核心板拥有丰富的扩展接口，利用这些接口可以非常方便的完成系统其他部件的连接，为整个系统功能的扩展提供了快速通道。板载的RTC可以非常方便的管理系统的时钟。4.2 工控底板分析M9020-FUN20I核心板提供了可以扩展的接口，并没有提供具体的接口部件，所以更多扩展功能的发挥还是要靠工控底板的支持。本次设计采用了于M9020-FNU20I兼容的工业控制板M22A series EV Board作为系统的硬件平台，如图4.2.1所示。图4.2.1 工控底板工控底板的主要特性有：(1) 支持Min
34、iARM M22A 系列工控板；(2) 1 路10/100M 以太网通信接口；(3) 2 路USB Host 通信接口；(4) 1 路USB Device 通信接口；(5) 2 路CAN-bus 通信接口；(6) 2 路RS232、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 个；(9) 1 个SD/MMC 接口；(10) 1 个240x128 图形液晶接口；(11) 1 个外设PACK 接口，可扩展总线器件；(12) 1 个JTAG 接口支持在线调试。M22A series EV Board工控底板提供了非常丰富的接口。符
35、合工业标准的CAN-bus，RS-485，RS-232等接口。图4.2.2 CAN-bus接口电路图这些接口为系统整个网络体系中数据的高可靠性传输提供了有效的解决方案。工控板还提供了SD/MMC/CF卡等可扩展存储介质接口。这就为大量井下监测数据存储和及时提取提供了便捷。板载的10/100M以太网接口可以方便的进行互联网上的数据传输。异地监测、控制和异地数据的提取提供了可能性。板载的USB接口可以很方便的上传数据到通用PC机，配合PC上位机的软件就可以进行数据的统计等必要工作。图4.2.3 USB接口电路图如果不使用PC机作为人机界面，还可以方便的使用板载的LCD接口作为数据监测界面，直观方便
36、。可见，M22A series EV Board工控底板本身就是非常适合进行工业监测和控制。5. 系统人机界面人机交互界面的选择可以很大程度的提高系统的控制效率，整个系统除了对瓦斯环境的监控并对监控的数据进行一系列的处理以外的就是和人进行交互。系统把自己得到的数据有效的传递给生产监控人员是非常重要的。5.1 硬件支持本次设计采用的核心控制板M22A series EV Board工业控制板上有着丰富的接口，板载的UART接口可以非常方便的和PC机连接，通过UART接口实现核心控制板和PC机的超级终端的双向数据通信，以完成人机交互，系统得到了较大的简化。板载的UART接口电路如图5.1.1所示：
37、图5.1.1 UART接口电路5.2 设计思路本次设计任务中人机界面的显示部分使用了PC机自带的超级终端。以往使用PC机的超级终端一般只是简单的显示几个收发的数据。本次设计将PC机的超级终端作成了窗口界面的形式，采用静态区域和动态区域相结合的方式完成终端显示。系统的每一个功能都会在终端上相应的位置有所反映，在进行一项功能设置时，终端会提示相关的输入规则。由于超级终端可以自动发送用户输入的字符，为了简化系统、实现更多的功能，人机界面的输入部分采用了PC机的键盘。6. 系统网络构建在瓦斯监控系统中，由于井下节点众多、数据传输距离比较远且井下的干扰因素多且复杂。针对矿井下特殊的情况，需要一种稳定性高
38、、传输距离远且有较高传输数率的网络架构。6.1 CAN-bus总线架构CAN（Controller Area Network）总线最早由德国BOSCH公司提出，主要用于汽车内部测量与控制中心之间的数据通信。由于其良好的性能，在世界范围内广泛应用于其他领域当中，如工业自动化、汽车电子、楼宇建筑、电梯网络、电力通讯和安防消防等诸多领域，并取逐渐成为这些行业的主要通讯手段。CAN-bus用于煤矿通讯系统当中，不仅可以增强系统的通讯可靠性、延长系统的距离、扩充系统的节点数，还能增强系统的实时性，让管理者和主控设备能及时了解和处理当前的井下情况，发觉事故隐患，避免事故发生。对于煤矿系统的本安要求，只需总
39、线要CAN-bus设备的电源符合本安要求即可。现场总线CAN-bus本身是符合本质安全要求的。与通常应用的RS-485方式相比，现场总线CAN-bus具有更多方面的优势，可以完全取代RS-485网络，从而组建一个具有高可靠性、远距离、多节点、多主方式的设备通讯网络。同时，现场总线CAN-bus可以直接采用RS-485方式相同的传输电缆、拓扑结构。CAN-bus总线与RS-485通讯方式的特性比较如表6.1.1所示：表6.1.1 CAN-bus总线与RS-485通信方式比较特性RS-485方式CAN-bus总线拓扑结构直线拓扑直线拓扑传输介质双绞线双绞线硬件成本很低每个节点成本有所增加总线利用率
40、低高网络特性单主结构多主结构数据传输率低最高可达1Mbps 容错机制无由硬件完成错误处理和检错机制通讯失败率很高极低节点错误影响故障节点有可能导致整个网络瘫痪故障节点对整个网络无影响通讯距离1.2Km 可达10Km（5Kbps）后期维护成本较高很低通常由于煤矿系统要求比较完整和智能化，所以方案的完整性和可扩展性也是必须考虑的。使用CAN-bus网络架构可以非常方便的进行网络的扩展。具体的示意如图6.1.1所示：图6.1.1 煤矿CAN网络拓扑结构CAN总线上的器件结构主要有CAN控制器和CAN收发器。CAN控制器可以分为三类：(1) 独立CAN控制器；(2) 集成CAN控制器的8位8xC51芯
41、片；(3) 集成CAN控制器的32位ARM7芯片。本次设计中采用的M9020-FUN20I核心板板载的LPC2290属于集成CAN控制器的32位ARM7芯片。整个核心板的CAN接口结构如Error! Reference source not found.所示：图 6.1.2 核心板CAN接口CAN收发器连接CAN控制器和CAN物理总线。本次核心板使用的CAN收发器是PCA82C251，它是CAN协议控制器和物理总线之间的接口。它主要在卡车和公共汽车中速度达1Mbps的应用中使用。这个器件向总线提供了差动的发送能力，向CAN控制器提供了差动的接收能力。该器件的特性有：(1) 完全符合“ISO 1
42、1898-24 V”标准；(2) 在24V系统中防止电池对地的短路；(3) 斜率控制以降低射频干扰(RFI)；(4) 差动接收器具有宽共模范围，有很强的抗电磁干扰(EMI)的能力；(5) 热保护；(6) 高速(可达1Mbaud)；(7) 低电流待机模式；(8) 不上电的节电不会影响总线线路；(9) 至少可挂110个节点。核心控制系统中采用了芯片内部的CAN控制器和PCA82C251 CAN收发器后的电路原理如图4.2.2所示。本次设计中CAN从站使用的是SJA1000 独立CAN控制器和PCA82C251 CAN收发器配合。如图6.1.3所示：图6.1.3 从站CAN接口结构SJA1000独立
43、CAN控制器有两种模式：BasicCAN和PeliCAN模式。BasicCAN与PeliCAN区别有：(1) BasicCAN 模式采用11位ID码，符合CAN2.0A协议；(2) PeliCAN 模式采用29位ID码，符合CAN2.0B协议；(3) SJA1000、P87C591均支持PeliCAN模式；(4) PeliCAN兼容BasicCAN模式，并具有更强功能。SJA1000特性：(1) PeliCAN 模式特性；(2) 可接收/发送标准帧(CAN2.0A)、扩展帧(CAN2.0B)；(3) 内置接收FIFO缓冲区（ 64 字节）；(4) 支持单/双验收滤波器；(5) 可编程的错误限制
44、报警；(6) 错误代码捕获，仲裁丢失捕获；(7) 可读/写访问的错误计数器；(8) 支持单次发送功能；(9) 具有只听模式、自检测模式。6.2 CAN-bus总线协议6.2.1 帧类型(1) 数据帧：从发送节点向其它节点发送数据；(2) 远程帧：向其它节点请求发送具有同一识别符的数据帧；(3) 错误帧：指明已检测到总线错误；(4) 过载帧：过载帧用以在数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。6.2.2 帧格式(1) 标准帧格式：具有11位标识符；图6.2.1 11位标识符标准数据帧(2) 扩展帧格式：具有29位标识符；图6.2.2 29位标识符扩展数据帧(3) 标准远程帧帧格式；图6.2.3
45、标准远程帧帧格式(4) 扩展远程帧帧格式；图6.2.4 扩展远程帧帧格式(5) 错误帧帧格式；图6.2.5 错误帧帧格式(6) 过载帧帧格式。图6.2.6 过载帧帧格式6.2.3 标识符过滤在CAN总线上，CAN帧总是由一个节点发送，其它节点同时接收，也就是说CAN总线上的一个节点总能收到总线上的所有CAN帧，对于一个特定的节点来说，接收所有的CAN帧不一定是必须的，于是出现了标识符过滤。标识符过滤即只接收符合一定条件的信息，对不符合条件的CAN帧只给出应答信号。标识符过滤的作用就是降低硬件中断频率和简化软件实现的复杂度，提高运行时效率。本次设计，监测节点采用了SJA1000CAN控制器，下面
46、以SJA1000CAN控制机为例子来说明标识符过滤的原理及应用。SJA1000验收滤波器由4个验收码寄存器ACR0、ACR1、ACR2、ACR3和4个验收屏蔽寄存器AMR0、AMR1、AMR2、AMR3组成。这8个寄存器在SJA1000的复位模式下可由主控制器设置。ACR的值是预设的验收代码值，AMR值是用来表征相对应的ACR值是否用作验收滤波。滤波的一般规则是：每一位验收屏蔽分别对应每一位验收代码，当该位验收屏蔽位为1的时候（即设为无关），接收的相应帧ID位无论是否和相应的验收代码位相同均会表示为接收；但是当验收屏蔽位为0的时候（即设为相关），只有相应的帧ID和相应的验收代码位值相同的情况才会表示为接收。并且只有在所有的位都表示为接收的时候，CAN控制器才会接收该帧报文。滤波的方式上又分“单滤波”和“双滤波”两种，两种不同的过滤模式由模式寄存器中的AFM（ MOD.3 ）位选择，当AFM位是1为单滤波器模式，反之为双滤波器模式。(1) 单滤波模式这种滤波器配置定义了一个长滤波器（32位），只有一个由4个验收码寄存器和4个验收屏蔽寄存器组成的验收滤波器，总线上的信息只有通过了它的验收滤波才予以接收。滤波器字节和报文字节间的对应关系取决于当前接收帧的格式。l 接收CAN标准帧时单滤波器配置如图6.2.7所示。对于标准帧，11位标识符、RTR位、数据场前两个字节参与滤波。若接收到
