基于ARM核和CAN總線的煤矸石分選系統(tǒng)

摘要：簡要介紹了ARM(Advanced RISCM achines)微控制器和CAN(Controlle rArea Network)總線技術構成的煤矸石在線識別與自動分選系統(tǒng)，給出了ARM微控制器AT91M40800與CAN總線控制器SJA1000之間相連的硬件電路，論述了硬件接口之間的數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)技術，給出了數(shù)據(jù)通信的軟件設計流程。CPLD(EPM7128)是用來調整時序和實現(xiàn)在線修改。實驗證明了設計的可行性，探索了一種新的選煤技術。
關鍵詞：ARM微控制器 ；CAN總線 ；煤矸石 ；分選系統(tǒng) ；CPLD

引言

隨著嵌入式技術的不斷發(fā)展，高性能、低功耗、低價格的32位RISC芯片的ARM微控制器呈現(xiàn)出強勁的發(fā)展趨勢，嵌入式系統(tǒng)和現(xiàn)場總線技術結合，結合二者的優(yōu)點，為傳統(tǒng)的選煤技術提供了新的改造方案。將嵌入式技術和現(xiàn)場總線技術相互融合，設計了一種新的煤塊和矸石在線識別與自動分選系統(tǒng)。

煤矸石在線識別與自動分選系統(tǒng)

煤塊和矸石在線識別與自動分選系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。根據(jù)選煤工藝要求，本系統(tǒng)主要由下面三大部分構成：

圖1　煤矸石在線自動分選系統(tǒng)框圖

(1)檢測部分：由進料斗、輸送帶、CCD攝像頭、圖像數(shù)據(jù)采集電路等組成。開采出來的原煤常含有矸石，必須將矸石從傳送帶上挑選出來。CCD攝像頭將煤與矸石圖像送圖像數(shù)據(jù)采集電路進行轉換，轉換后的信息送入ARM微控制器，通過CAN總線網(wǎng)絡傳送到PC機進行處理。

(2)識別與控制部分：由計算機、ARM微控制器和測控設備組成，它是整個系統(tǒng)的核心。根據(jù)模式識別算法計算出煤和矸石的灰分含量，ARM微控制器識別和判斷出煤矸石后，完成控制動作。如果判斷為煤，控制部分不動作，原煤自然落入煤料斗，從煤塊通道運走。如果判斷為矸石，發(fā)出控制信號，打開閥門，使矸石落入矸石通道。

(3)分揀機構：由閥門、物料斗和系統(tǒng)供電設備等組成，通過CAN總線網(wǎng)絡，完成多個通道的煤和矸石的自動分選和運輸。

芯片介紹

AT91M40800
AT91M40800是ATMEL公司基于ARM7TDMI核的16位/32位微控制器系列中具有較高性價比的一款芯片，其核心為高性能的32位RISC(Reduced Intro-duction Set Computer)體系結構，并具有16位(thumb)指令集。通過可編程的外部總線接口(EBI)直接連接到包括FLASH在內的各種片外存儲器，8個優(yōu)先級的中斷向量控制器和片內外圍數(shù)據(jù)控制器顯著提高了器件的實時性能。AT91M40800集成了ARM7DMIARMThumb處理器內核，提供了8kB的片內SRAM，8個片選線，32個可編程I/O口，軟件可編程的8位或16位的數(shù)據(jù)總線，最大可尋址空間64MB，兩個USART，每個USART有兩個專用的外圍數(shù)據(jù)控制器通道，內置可編程的看門狗定時器，8個具有優(yōu)先級、可單獨屏蔽的向量中斷控制器，4個外部中斷控制寄存器，4個外部中斷，包括一個高優(yōu)先級、低延遲的中斷請求，3個外部時鐘輸入，3通道16位定時器/計數(shù)器。

SJA1000
由于煤倉、矸石山與分選車間各自有一定距離，需要集中管理和信息處理。而現(xiàn)場總線技術可以把單個分散的測量控制設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，以總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自動控制任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。CAN通信速率最高可達1Mbps，直接傳輸距離最遠可達10km(速率5kbps以下)，可掛接設備最多達110個，可以完成多通道同時分選和運輸任務。SJA1000是Philips公司生產(chǎn)的獨立型CAN總線控制器，用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡，它是Philips公司半導體PCA82C200CAN控制器(BasicCAN)的替代產(chǎn)品，增加了新的工作模式(PeliCAN模式)，可以方便的和不同模式的處理器相連接，組成CAN控制網(wǎng)絡。

硬件接口電路設計

圖2 是SJA1000收發(fā)器與AT91M40800芯片的接口電路原理圖。

圖2　SJA1000與AT91M40800接口電路原理圖

EPM7128用來完成接口間信號的轉換與配置，EPM7128的輸入來自AT91M40800的片選信號NCS2，數(shù)據(jù)線D0～D7，地址A0～A1，讀信號NRD，寫信號NWE和系統(tǒng)復位信號RST，經(jīng)過內部的邏輯綜合處理，產(chǎn)生SJA1000所需的功能信號。根據(jù)各芯片信號線的要求及端口地址的分配，可以寫出CAN總線收發(fā)器的輸入/輸出邏輯關系表達式如下：　

CAN=NCS2A0
CANALE=NCS2A0(NRD+NWE)
CANRD=NRD
CANWR=NWE
CANRST=NCS2+RST

選定SJA1000的地址端口為400000H，數(shù)據(jù)端口的地址為400001H和復位端口地址為400002H。由于CAN控制器SJA1000的地址數(shù)據(jù)是復用的，通過ALE信號下降沿可以鎖存總線上的地址信號。但是AT91M40800的地址總線和數(shù)據(jù)總線是單獨提供的，不能直接與SJA1000的地址數(shù)據(jù)總線相連。所以要解決SJA1000與AT91M40800的接口問題，關鍵在于如何將訪問SJA1000所需的信號送入其中。這里采用的辦法是分兩次I/O操作完成，第一次往地址端口400000H送入地址值作為SJA1000的單元地址。此時，片選沒有選通，數(shù)據(jù)鎖存在AD0～AD7總線上。第二次訪問數(shù)據(jù)端口400001H時，SJA1000被選中，在ALE信號作用下將第一次的地址值寫入SJA1000，CPU對SJA1000進行讀/寫操作。復位可以分為系統(tǒng)復位和程序復位兩種。系統(tǒng)復位信號RST和程序復位信號在EPM7128中進行邏輯或操作，兩者之一有效均可使SJA1000可靠的復位。

為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，在CAN總線終端各連接一個120Ω的終端反射電阻，進行總線阻抗匹配。SJA1000的TX1引腳通過10k8的電阻接地，RX1引腳電平必須維持在0.5Vcc以上。否則，不能形成CAN總線所需的邏輯電平。如果通信距離較近，環(huán)境干擾較小，可以不采用光電隔離電路6N137，這時，可以將82C251的V_REF直接與RX1引腳相連，從而簡化了電路。

ARM微控制器與CAN總線的數(shù)據(jù)通信　

AT91M40800通過外部總線接口(EBI)產(chǎn)生訪問片外存儲器和外部器件的信號，EBI支持不同的訪問協(xié)議，可實現(xiàn)對外部器件的單周期訪問，設計中EBI的設置為：(1)選擇8位數(shù)據(jù)總線 ；(2)選擇標準讀協(xié)議 ；(3)選擇8個周期的等待時間 ；(4)片選線NCS2的基地址為400000H。所有程序均采用AT91庫的C語言編寫，它具有可讀性強、容易移植、開發(fā)簡單、調試方便等優(yōu)點。正確的初始化是程序正常運行的基礎，系統(tǒng)的初始化主要是AT91M40800微處理器和SJA1000的初始化(SJA1000工作晶振16M)，初始化流程如圖3所示。

圖3　通信軟件初始化流程圖

結論

采用ARM微控制器的AT91M40800芯片和CAN總線控制器SJA1000構成的煤矸石在線識別與自動分選系統(tǒng)，跟傳統(tǒng)的MCU作為控制的CAN總線網(wǎng)絡相比，是一種新穎的CAN總線網(wǎng)絡系統(tǒng)。基于ARM微控制器的嵌入式系統(tǒng)與CAN總線的處理系統(tǒng)具有良好的實時性、可靠性和靈活性，為落后的選煤技術提供了一種新方法。