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1 引言can（controller area network）即控制器局域网络，最初是由德国bosch公司为解决汽车监控系统中的自动化系统集成而设计的数字信号通信协议，属于总线式串行通信网络。
由于can总线自身的特点，其应用领域由汽车行业扩展到过程控制、机械制造、机器人和楼宇自动化等领域，被公认为最有发展前景的现场总线之一。
can总线系统网络拓扑结构采用总线式结构，其结构简单、成本低，并且采用无源抽头连接，系统可靠性高。
本设计在保证系统可靠工作和降低成本的条件下，具有通用性、实时性和可扩展性等持点。
2 系统总体方案设计整个can网络由上位机（上位机也是网络节点）和各网络节点组成（见图1）。
上位机采用工控机或通用计算机，它不仅可以使用普通pc机的丰富软件，而且采用了许多保护措施，保证了安全可靠的运行，工控机特别适合于工业控制环境恶劣条件下的使用。
上位机通过can总线适配卡与各网络节点进行信息交换，负责对整个系统进行监控和给下位机发送各种操作控制命令和设定参数。
网络节点由传感器接口、下位机、can控制器和can收发器组成，通过can收发器与总线相连，接收上位机的设置和命令。
传感器接口把采集到的现场信号经过网络节点处理后，由can收发器经由can总线与上位机进行数据交换，上位机对传感器检测到的现场信号做进一步分析、处理或存储，完成系统的在线检测，计算机分析与控制。
本设计can总线传输介质采用双绞线。
图 1 can总线网络系统结构3 can总线智能网络节点硬件设计本文给出以arm7tdmi内核philips公司的lpc2119芯片作为核心构成的智能节点电路设计。
该智能节点的电路原理图如图2所示。
该智能节点的设计在保证系统可靠工作和降低成本的条件下，具有通用性、实时性和可扩展性等特点，下面分别对电路的各部分做进一步的说明。
图2 can总线智能网络点3.1 lpc2119处理器特点lpc2119是philips公司推出的一款高性价比很处理器。
图1基于CAN 总线的煤矿安全监控系统架构收稿日期:2012-03-22;修订日期:2012-10-22作者简介:高静（1974-），女，河北保定人，讲师/主任科员，硕士，研究方向：计算机应用。
0引言目前，我国煤矿的总体现状是老矿、瓦斯突出风险高矿多，具有完备的全自动安全生产监控系统的现代化煤矿少，缺失系统的风险管理在一个方面加剧了煤矿安全事故的发生，为此有必要全面建立自动化煤矿安全监控系统，以提高煤矿安全生产系数。
煤矿安全监控系统是借助对煤矿井下环境（水、电、瓦斯、地质压力）和设备工况进行实时监控，获得状态数据，并利用计算机分析处理，从而研判煤矿安全生产风险的一种控制系统。
现对于其它工业检测系统，煤矿安全检测系统的特点在于测点数量多、分布范围广、传输距离远、扰动因素多、使用环境恶劣。
为此，煤矿安全监控系统必须具备良好的抗噪性能、实时响应性、传输容量大及系统成本低等特点。
CAN （Controller Area Network ）总线是目前唯一具有国际标准的现场总线，具有低成本、总线利用率高、良好的传输防错设计、开发软件易于掌握，其组网模式灵活，性能可靠，支持最远可达10km 的直接通讯，非常适合于的煤矿安全监控系统。
1煤矿安全监控系统架构依据煤矿采掘工作面分布的实际情况，煤矿安全监控系统架构设计如图1所示。
整个监控系统主要由监控主机、控制分站、通信光纤、以及分布于关键点的多种（温度、压力、震动、瓦斯等）传感器组成。
控制分站的数目取决于煤矿井下工作面的实际情况，通常同一深度的多条巷道构成1个工作面，设置1个控制分站（对于大型煤矿，可以再控制分站预留1台备用控制器）。
监控主机与各控制分站保持通信，调控各工作面的传感器进行采集数据，显示环境与设备状态，并反馈状态信息，如通过服务器接入Internet 和局域网，便可实现远程控制。
各控制分站相互连通，除了起到中继通信作用，还可以独立控制本层工作面的监测工作。
关键词：煤矿安全；CAN总线；dsPIC30F6012；监控系统引言煤矿安全监控系统能够对矿井下CH4、CO、温度、通风、粉尘等环境参数及机电设备的开关状态进行准确、实时的监测和报警，减少事故的发生，对煤矿安全生产具有非常重要的意义。
但是，煤矿井下环境十分恶劣，监测数据量大，监测点多且分散，采集的数据需要通过长距离通信线路上传，易受干扰影响，对监测系统的可靠性、实时性提出了严峻的考验。
CAN总线是一种应用于现场设备与控制室之间，支持分布式、实时控制的现场总线网络；采用双绞线传输、全分散、全数字化，抗干扰能力强，可构建多变量、多点检测的通信系统；可靠性高、实时性好，传输速率高，最高可达1Mb/s，最大传输距离为5km，完全满足煤矿安全监控的要求。
因此，本文设计了一种基于CAN总线的煤矿安全监控系统，现场智能节点以单片机dsPIC30F6012为检测控制核心，检测井下环境参数，并通过CAN总线实时、远距离上传至地面上位监控主机进行数据分析，全面实现井下安全生产监控。
1煤矿安全监控系统概述煤矿安全监控系统的总体结构如图1所示,由现场检测节点电路及测量传感器、CAN总线网络、CAN总线适配卡、上位机组成。
现场检测节点收集有害气体含量、温度等矿用传感器检测的环境数据，进行分析处理并就地显示及异常报警，同时通过CAN接口将数据实时发送到CAN总线上，也可通过CAN接口接收上位机下达的指令信息。
CAN总线可挂接110个检测节点，通过网桥方式可扩充节点数量，使监控不留死角。
上位PC机通过CAN适配卡获取由CAN总线传输的井下监测数据，并进行数据分析处理及存储，形成各种报表、异常报警及控制指令的下达。
2系统硬件设计（1）现场检测节点设计现场检测节点电路结构图如图2所示，节点以单片机dsPIC30F6012为核心，井下传感器输出的模拟信号送入dsPIC30F6012的片内A/D转换器，单片机以此获取井下环境参数信息，进行显示及与设定的限值进行比较，对异常情况进行报警；由单片机片内CAN总线控制器及高速光耦6N137、CAN总线收发器TJA1050T构成CAN 通信接口电路，用于数据的实时传输。
can总线的工作原理
CAN总线是一种常见的数据通信协议，广泛应用于汽车和工
业控制系统等领域。
它的工作原理如下：
1. 消息帧与帧格式：CAN总线通信基于消息帧的发送和接收。
每个消息帧由识别码（ID）和数据组成。
ID用于标识消息的
优先级和内容，数据则存储实际的信息。
CAN总线采用一种
基于事件触发的机制，只有当总线上没有其他节点在发送消息时，当前节点才能发送消息。
2. 仲裁机制：CAN总线使用一种分布式仲裁机制，以确保各
个节点之间的通信顺序。
当两个以上的节点准备发送消息时，会根据消息帧的ID来进行仲裁。
ID的低位优先级高，因此具
备低ID的节点在仲裁中具有更高的优先级。
3. 错误检测：CAN总线具有强大的错误检测和纠正机制。
每
个节点在发送消息时，会实时监测总线上的电压变化情况。
如果检测到总线上有其他节点发送了错误的帧，节点将一直等待，并重新尝试发送消息。
这种自适应机制使得CAN总线具有较
高的消息可靠性。
4. 实时性能：CAN总线以固定的时间间隔来发送消息，以确
保实时性的要求。
节点在一个时间窗口内发送消息，并在下一个时间窗口前接收消息。
通过控制时间窗口的大小和频率，可以满足不同应用场景中对实时性的要求。
总而言之，CAN总线通过消息帧的发送和接收来进行数据通
信。
它采用分布式仲裁机制、强大的错误检测和纠正机制，以及固定的时间间隔来保证通信的可靠性和实时性。
CAN总线原理及应用摘要介绍了CAN总线的特点、工作原理和应用领域，并且对每个应用领域进行了描述和举例讲解。
关键字 CAN总线，汽车，现场控制系统，通信1 引言控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。
CAN协议由德国的Robert Bosch公司开发，用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。
该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。
CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。
CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电子干扰性，并且能够检测出产生的任何错误。
CAN总线可以应用于汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监测系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等领域。
2 CAN总线的特点●具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；●采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；●具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上，形成多主机局部网络；●可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；●可靠的错误处理和检错机制；●发送的信息遭到破坏后，可自动重发；●节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；●报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。
3 CAN总线的工作原理CAN总线使用串行数据传输方式，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。
CAN与I2C总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。
当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。
对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。
1、CAN结构分为3层：应用层、数据链路层和物理层。
数据链路层又分为：逻辑链路层（Logic
Link Control，LLC）和媒体访问控制层（Medium Access Control，MAC）。
逻辑链路层的主要功能是：为数据转送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。
在定义目标处理时，存在许多灵活性。
媒体访问控制层的功能主要是定义传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。
MAC子层也要确定为开始一次新的发送，总线是否开放或者是否马上
开始接收。
2、CAN总线是串行通信网络，具有可靠性、实时性和灵活性特点。
（1）、以多主方式工作，
网络上任意节点均可以在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，不分主从，通信方式灵活，而且无需占地址等信息；（2）、CAN网络上的节点信息分不同的优先级，满足不同的实时要求；（3）、当多个节点同时向总线发送信息时，优先级低的节点会主动地退出发送，而优先级最高的节点可不受影响继续传送数据；（4）、CAN只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式来传输数据，无需专门的调度；（5）、CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路；（6）、采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有良好的检错效果。
每帧信息都有CRC校验和其他检错措施；（7）、CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能；（8）、CAN的时间延时是不确定的，只有具有最高优先权的帧延时是确定的。
3、（1）报文，总线上的信息以不同固定格式的报文发送，长度有限制，当总线开放时，
任何连接的单元均可以开始发送一个新报文；（2）节点可以在不要求所有节点积其应用层改变任何软件和硬件的情况下，接入CAN网络；（3）在CAN网络中报文可以确保被所有节点或者指定节点接收；（4）CAN节点能识别永久性故障和短暂扰动，可以自动关闭故障节点；（5）有错误检测功能，措施包括发送自检、循环冗余校验、位填充和报文格式检查；（6）非归零码即未流中每位的逻辑电平在整个位时间内保持不变，或者隐性电平或者显性电平。
相应的曼彻斯特方式要求在每一位中用上升沿或下降沿来表示0或1，因此通信频率要更高一些；（7）CAN中总线数值取显性电平或隐性电平，显性电平表示逻辑0，隐性电平表示逻辑1。
4、基于优先权的总线仲裁，帧的优先权由帧的ID决定。
总线上0代表显性电平，1代表隐
性电平。
总线空闲呈现隐性电平，这是任何一个节点都可以发送一个显性电平作为一帧的开始。
如果有两个以上的节点同时开始发送，即产生总线竞争。
CAN总线解决竞争的方法是对标识符按位进行仲裁。
各发送节点一面向总线发送电平，一面与回收总线电平进行比较，电平相同继续发送下一位，电平不同则不再发送，退出总线竞争。
所谓的电平不一致一定是发生在发隐性电平而收到显性电平之时，它说明总线上尚存在发显性电平的节点，这样的节点继续在支配总线，而自己因发隐性电平而退让。
同时发显性电平的节点可能不止一个，它们继续向下按位仲裁，可见最高优先级的标识符应全是显性电平。
也就是说CAN总线中哪个发送元件的优先级高是由发送的数据决定的，发送数据中0的位置和数目决定了它的优先级。
5、帧类型和帧格式：构成一帧的帧启始、仲裁域、控制域、数据域和CRC序列均借助位填
充规则进行编码。
当发送器在发送的位流中检测到5位连续的相同数值时，将自动地在实际发送的位流中插入一个补码位。
数据帧和远程帧的其余位域采用固定格式，不进行填充。
出错帧和超载帧同样是固定格式，也不进行位填充。
4种帧类型：数据帧携带数据由发送器至接收器；远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；
错误帧由检测处错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。
6、数据帧将数据由发送器传送至接收器。
数据帧由7个不同的位域组成：帧起始、仲裁域、
控制域、数据域、CRC域、应答域和帧结束。
数据域长度可为零。
帧起始只有总线处于空闲状态时才允许开始发送；数据帧理论上最多传送的位数是109位，但是规定连发5个‘1’要补1个‘0’，连发5个‘0’时要补1个‘1’，因此实际发送时一般比109位要多几位。
数据域由数据帧中的发送数据组成。
它可以为0~8字节，每个字节包含8位。
7、远程帧，某节点希望获得总线上另外某个节点上的数据时，需要发出远程帧进行请求。
远程帧由6个不同的位域组成：帧起始、仲裁域、控制域、CRC域、应答域和帧结束。
8、出错帧，报文传输过程中，任一节点检测出错误即于下一位开始发送错误帧，通知发送
端终止发送。
出错帧由两个不同域组成:第一个域由来自各站点的错误标志叠加得到，后随的第二个域是出错界定符。
9、多主和多节点接收：CAN传输协议中标识符及报文中不包括与总线结构有关的参数，如
接收站地址等，所以总线中各个非发送节点，包括欲发送而被迫退让的节点都可接收。
各接收站根据标识符的性质进行过滤，决定是否将报文拆帧取用。
MCU系统控制器内核是CIP-51微控制器，CIP-51系统控制器的指令集与标准MCS-51TM 指令集完全兼容，所有的CIP-51指令在二进制码和功能上与MSC-51产品完全等价，包括操作码、寻址方式和对PSW标志的影响。
10、存储器组织，CIP-51中有两个独立的存储器空间：程序存储器和数据存储器。
程序存储
器和数据存储器共享同一个地址空间，但用不同的指令类型访问。
11、C8051F040、060系列片内有CAN控制器，CAN控制器进行总线通信是由片内硬件和部
分用户应用软件共同完成的。
12、中继器是CAN总线系统组网的关键设配，可以将同一层的两段网络进行互联；也可以
实现上、下两层的不同总线互联，起到网桥和网管（gateway）的作用。
线路中继：GAN 总线中继器只是将通过的电信号强度增强；网络中继：除了可以增加通信距离外，还能增加CAN总线所允许的节点挂接数，此中继器两端的线路可以是不同层次的同一种网
络协议，也可以是两种完全不同的两种网络协议。
13、CAN总线通常使用双绞线通信，信号为差分信号，两条信号线分别为CAN_H和CAN_L，
静态时均为2.5V左右，此时状态表示为逻辑1，称为隐性；用CAN_H比CAN_L高表示逻辑0，称为显性。
14、标准CAN的标志符长度是11位，而扩展格式CAN的标识符长度可达29位。
CAN控制器用于将欲收发的信息（报文）转换为符合CAN规范的CAN帧，通过CAN收发器在CAN总线上交换信息。
15、CAN核心模块：是一个串并转换模块，接收报文时串行转并行，发送时并行转串行。
验
收滤波器：可以根据用户的编程设置，过滤掉无须接收的报文。
16、1 Byte(字节) = 8 bits(位)
17、由于有些供电电源可能存在电压波动大、干扰信号多等缺点。
因此采用DC/DC电源模
块向学习板上CAN总线部分电路供应电源
18、高速光耦实现芯片之间的电气隔离，保护控制系统电路。
光耦以光信号为媒介来实现
电信号的耦合与传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。
对于既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分的工业应用测控系统，采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。
