论文题目：基于CAN总线的绞车提升信号系统设计
摘要：近年来,随着煤炭生产技术日益发展,与之对应的煤矿安全形势成为生产中的重要评价指标。由于生产环境恶劣和通信条件不足,导致在连通井上、井下的运输中安全事故频发。除了进一步提高人为安全管理意识外,更关键的是建立高效、稳定的生产运输信号系统,形成井上/井下安全可靠的信号传输机制和安全预警系统。在我国目前的井下绞车提升机信号系统中,仍处于信息处理自动化不够完善,系统维护困难,信号传输在高辐射复杂环境下不够稳定的状态,传统载波带宽小、总线抗扰能力弱及传输间距近等问题难以保证提升信号的稳定传输。针对上述问题,为实现煤矿绞车提升系统各信号平台间点对多点的高效稳定传输,本文对CAN总线的传输模式和报文结构进行了研究,结合煤矿绞车提升系统的设备构造,设计了能够实现声光信号传输、语音对讲、信号回路闭锁、自动区分多水平信号的信号传输装置,并将CAN总线引入煤矿绞车信号系统,进行软件功能设计和硬件实现,研制了一套基于CAN总线的高可靠性、高效率绞车信号传输系统,具体内容如下:第一、课题根据山西大同煤矿公司马脊梁矿实际生产环境,对系统功能进行设计,建立了由井口信号控制器、水平信号控制器和司机绞车房信号台等组成的提升信号传输系统,在此基础上,在各信号台之间完成CAN总线及其信号器的架设。硬件设计方面,系统选择低功耗STM32作为主控制器,进行了主控电路、电源模块、接口电路、数字语音处理模块、电压监测模块、信号检测模块等硬件电路设计。采用了隔离技术和硬件纠错方式,解决信号数据在安全性方面存在的问题。第二、对系统各部分功能的实现进行软件设计,使其实现信号优先级仲裁、电压监测、数字语音处理、信号检测等功能,并根据CAN总线通信协议进行节点接口收发设计,采用循环冗余校验确保总线上信号的准确性。第三、针对远距离传输时的信号衰减,对CAN总线传输介质进行了性能优化,并研究CAN总线由于拓扑结构、振荡器容差、位定时要求和总线阻抗等因素对最大传输距离的影响。通过对CAN总线的位定时参数设置、总线阻抗、延迟特性等参数进行系统分析,获得了限制CAN总线传输距离的制约条件,通过控制上述不同参数,进行参数择优,有效改善系统的信号传输性能。通过对搭建的系统模型进行运行测试,系统运行情况稳定,各功能模块均能正常显示和运作,通过速率、准确率等指标的测试分析,和原有信号系统相比,所搭建的系统通信性能在稳定性与安全性方面均大大提高。设计成果在山西大同煤矿公司雷雨工作室进行模拟运行实验,并证明CAN总线在绞车信号系统中运用的可行性,并有效提高了绞车信号系统运行的安全性和抗干扰性能。在实际使用过程中,取得了可观的经济效益,已投入马脊梁矿井下实现了工业性的推广与应用。
关键词：CAN总线;煤矿自动化;矿用绞车信号;在线监测
学科专业：电子与通信工程（专业学位）
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 研究现状和发展趋势
1.3 研究目的和意义
1.4 论文主要研究内容及创新点
1.5 论文结构安排
第二章 绞车信号系统总体方案设计
2.1 系统需求总体分析
2.2 系统通信总线及协议规范
2.3 绞车信号系统功能设计
2.4 系统设计方案
第三章 绞车信号系统硬件设计
3.1 主控MCU芯片设计
3.1.1 STM32主控板电源电路设计
3.1.2 STM32单片机启动模式和时钟设计
3.1.3 STM32主控板通信电路及接口电路设计
3.1.4 JTAG仿真口电路设计
3.2 数字语音模块硬件设计
3.3 电压监测模块设计
3.4 信号检测及回路闭锁设计
3.5 CAN通信模块设计
3.6 电路保护方案设计
3.7 本章小结
第四章 绞车信号系统软件设计
4.1 系统程序设计
4.2 数字语音程序设计
4.3 电压监测程序设计
4.4 信号检测程序设计
4.5 CAN通信模块及优先级仲裁设计
4.5.1 报文的发送与接收
4.5.2 信号优先级需求分析
4.5.3 帧优先级仲裁设计
4.6 本章小结
第五章 CAN总线传输距离优化
5.1 影响CAN总线传输距离的因素分析
5.1.1 网络传输延时
5.1.2 振荡器容差
5.1.3 位定时要求
5.1.4 总线终端电阻
5.1.5 网络拓扑结构
5.2 CAN总线传输距离优化研究
5.2.1 位定时参数优化研究
5.2.2 终端匹配电阻优化研究
5.2.3 通信介质延迟特性研究
5.2.4 网络拓扑结构的选择
5.3 本章小结
第六章 系统测试与结果分析
6.1 系统平台搭建及功能测试
6.2 传输速率测试
6.3 最佳匹配电阻优化测试
6.4 数据传输准确率测试
6.5 本章小结
第七章 结论
7.1 工作总结
7.2 研究展望
参考文献
附录 A 设计方案
附录 B 设计图纸
附录 C 设计说明及规范标准
致谢