基于嵌入式和现场总线技术实现煤矸石在线识别与分选系统的设计

引言

随着嵌入式技术的不断发展，高性能、低功耗、低价格的32位RISC芯片的ARM微控制器呈现出强劲的发展趋势，嵌入式系统和现场总线技术结合，结合二者的优点，为传统的选煤技术提供了新的改造方案。将嵌入式技术和现场总线技术相互融合，设计了一种新的煤块和矸石在线识别与自动分选系统。

煤矸石在线识别与自动分选系统

煤块和矸石在线识别与自动分选系统的原理框图如图1所示。根据选煤工艺要求，本系统主要由下面三大部分构成：

（1）检测部分：由进料斗、输送带、CCD摄像头、图像数据采集电路等组成。开采出来的原煤常含有矸石，必须将矸石从传送带上挑选出来。CCD摄像头将煤与矸石图像送图像数据采集电路进行转换，转换后的信息送入ARM微控制器，通过CAN总线网络传送到PC机进行处理。

（2）识别与控制部分：由计算机、ARM微控制器和测控设备组成，它是整个系统的核心。根据模式识别算法计算出煤和矸石的灰分含量，ARM微控制器识别和判断出煤矸石后，完成控制动作。如果判断为煤，控制部分不动作，原煤自然落入煤料斗，从煤块通道运走。如果判断为矸石，发出控制信号，打开阀门，使矸石落入矸石通道。

（3）分拣机构：由阀门、物料斗和系统供电设备等组成，通过CAN总线网络，完成多个通道的煤和矸石的自动分选和运输。

芯片介绍

AT91M40800

SJA1000

由于煤仓、矸石山与分选车间各自有一定距离，需要集中管理和信息处理。而现场总线技术可以把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统。CAN通信速率最高可达1Mbps，直接传输距离最远可达10km（速率5kbps以下），可挂接设备最多达110个，可以完成多通道同时分选和运输任务。SJA1000是Philips公司生产的独立型CAN总线控制器，用于汽车和一般工业环境中的控制器局域网络，它是Philips公司半导体PCA82C200CAN控制器（BasicCAN）的替代产品，增加了新的工作模式（PeliCAN模式），可以方便的和不同模式的处理器相连接，组成CAN控制网络。

硬件接口电路设计

EPM7128用来完成接口间信号的转换与配置，EPM7128的输入来自AT91M40800的片选信号NCS2，数据线D0～D7，地址A0～A1，读信号NRD，写信号NWE和系统复位信号RST，经过内部的逻辑综合处理，产生SJA1000所需的功能信号。根据各芯片信号线的要求及端口地址的分配，可以写出CAN总线收发器的输入/输出逻辑关系表达式如下：

CAN=NCS2·A0

CANALE=NCS2•A0•（NRD+NWE）

CANRD=NRD

CANWR=NWE

CANRST=NCS2+RST

选定SJA1000的地址端口为400000H，数据端口的地址为400001H和复位端口地址为400002H。由于CAN控制器SJA1000的地址数据是复用的，通过ALE信号下降沿可以锁存总线上的地址信号。但是AT91M40800的地址总线和数据总线是单独提供的，不能直接与SJA1000的地址数据总线相连。所以要解决SJA1000与AT91M40800的接口问题，关键在于如何将访问SJA1000所需的信号送入其中。这里采用的办法是分两次I/O *** 作完成，第一次往地址端口400000H送入地址值作为SJA1000的单元地址。此时，片选没有选通，数据锁存在AD0～AD7总线上。第二次访问数据端口400001H时，SJA1000被选中，在ALE信号作用下将第一次的地址值写入SJA1000，CPU对SJA1000进行读/写 *** 作。复位可以分为系统复位和程序复位两种。系统复位信号RST和程序复位信号在EPM7128中进行逻辑或 *** 作，两者之一有效均可使SJA1000可靠的复位。

为了保证数据通信的可靠性，在CAN总线终端各连接一个120Ω的终端反射电阻，进行总线阻抗匹配。SJA1000的TX1引脚通过10k8的电阻接地，RX1引脚电平必须维持在0.5Vcc以上。否则，不能形成CAN总线所需的逻辑电平。如果通信距离较近，环境干扰较小，可以不采用光电隔离电路6N137，这时，可以将82C251的VREF直接与RX1引脚相连，从而简化了电路。

ARM微控制器与CAN总线的数据通信

AT91M40800通过外部总线接口（EBI）产生访问片外存储器和外部器件的信号，EBI支持不同的访问协议，可实现对外部器件的单周期访问，设计中EBI的设置为：（1）选择8位数据总线 ；（2）选择标准读协议 ；（3）选择8个周期的等待时间 ；（4）片选线NCS2的基地址为400000H。所有程序均采用AT91库的C语言编写，它具有可读性强、容易移植、开发简单、调试方便等优点。正确的初始化是程序正常运行的基础，系统的初始化主要是AT91M40800微处理器和SJA1000的初始化（SJA1000工作晶振16M），初始化流程如图3所示。

结论

采用ARM微控制器的AT91M40800芯片和CAN总线控制器SJA1000构成的煤矸石在线识别与自动分选系统，跟传统的MCU作为控制的CAN总线网络相比，是一种新颖的CAN总线网络系统。基于ARM微控制器的嵌入式系统与CAN总线的处理系统具有良好的实时性、可靠性和灵活性，为落后的选煤技术提供了一种新方法。

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