??? 摘? 要： 介紹了通過(guò)以太網(wǎng)Ethernet、現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus" title="CAN-bus">CAN-bus、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，形成有2/3層架構(gòu)的數(shù)據(jù)采集與控制網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)建符合國(guó)家煤安要求的煤礦遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)。
??? 關(guān)鍵詞： 現(xiàn)場(chǎng)總線? CAN-bus? 煤礦通訊" title="煤礦通訊">煤礦通訊? 本安? 以太網(wǎng)? 網(wǎng)關(guān)
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??? 煤礦生產(chǎn)是與國(guó)計(jì)民生密切相關(guān)的一個(gè)領(lǐng)域。其中，煤礦安全無(wú)疑是人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。安全問(wèn)題不僅影響到社會(huì)經(jīng)濟(jì)，更關(guān)系到每個(gè)礦業(yè)人員的生命安全。但目前在我國(guó)煤礦系統(tǒng)中，不少煤礦原有的各類(lèi)獨(dú)立設(shè)備已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)的需求。因此，組建一個(gè)技術(shù)先進(jìn)的煤礦通訊網(wǎng)絡(luò)，對(duì)煤礦的工作人員、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，形成一個(gè)能夠滿足地域化控制、符合煤礦安全要求的煤礦數(shù)據(jù)/信息管理系統(tǒng)，是煤礦行業(yè)的發(fā)展大趨勢(shì)。
??? 煤礦通訊主要涉及兩個(gè)方面：考勤和巡檢系統(tǒng)；作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)。
??? 按國(guó)家對(duì)煤礦企業(yè)中現(xiàn)場(chǎng)通訊設(shè)備的參數(shù)要求，目前在煤礦行業(yè)中，常見(jiàn)的通訊方式有：串行通訊RS-485、現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus、調(diào)制解調(diào)Modem、無(wú)線通訊等幾種方式。本文將對(duì)比這幾種通訊方式，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，從而匯總一些煤礦行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)代化通訊的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并重點(diǎn)介紹現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus的主要優(yōu)勢(shì)。
1 煤炭行業(yè)中常用的通訊方式
1.1 串行通訊RS-485
??? RS-485是一個(gè)串行通訊的電氣標(biāo)準(zhǔn),它具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)支持多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍。(2)是一種實(shí)現(xiàn)成本較低的多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通訊方式，通用RS-485收發(fā)器的價(jià)格低于10元/個(gè)。(3)是最常見(jiàn)的通訊方式之一，單一網(wǎng)絡(luò)能夠連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，通訊距離達(dá)到1200米。(4)RS-485設(shè)備可以基于普通單片機(jī)的UART端口進(jìn)行開(kāi)發(fā)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。
??? RS-485標(biāo)準(zhǔn)不足之處是：在比較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，難以保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)的可靠性。而最新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，要求煤礦設(shè)備能夠在不加輔助網(wǎng)橋" title="網(wǎng)橋">網(wǎng)橋的情況下，連接長(zhǎng)達(dá)4千米的網(wǎng)絡(luò)，這是RS-485標(biāo)準(zhǔn)難以逾越的技術(shù)鴻溝。因此，RS-485標(biāo)準(zhǔn)在煤礦行業(yè)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)將越來(lái)越少。
1.2 調(diào)制解調(diào)
??? 調(diào)制解調(diào)(MODEM)即利用模擬信號(hào)" title="模擬信號(hào)">模擬信號(hào)傳輸線路來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)。調(diào)制的過(guò)程，即發(fā)送方將數(shù)字信號(hào)“翻譯”成模擬信號(hào)，才可以通過(guò)模擬信號(hào)傳輸線路進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸；解調(diào)的過(guò)程，即將來(lái)自模擬傳輸線路的模擬信號(hào)“翻譯”回?cái)?shù)字信號(hào)，供接收方閱讀并處理。最常見(jiàn)的產(chǎn)品是：PC機(jī)調(diào)制解調(diào)器和利用電話線路實(shí)現(xiàn)電腦上網(wǎng)。
??? 調(diào)制解調(diào)方式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通訊，但是，構(gòu)建多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)比較麻煩，以及硬件設(shè)備成本較高限制了調(diào)制解調(diào)方式在煤礦行業(yè)中的應(yīng)用。
1.3 無(wú)線通訊
??? 無(wú)線通訊ZigBee符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，是一種短距離的高頻無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)，具有低成本、低功耗、雙向傳輸、高可靠度、自動(dòng)感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)功能等特性。
??? ZigBee技術(shù)是近幾年才發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，主要應(yīng)用在監(jiān)測(cè)、控制與自動(dòng)化等場(chǎng)合。但目前由于ZigBee產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本較高，且只適合短距離、小范圍內(nèi)通訊；雖然已在煤礦行業(yè)有了一些研究性質(zhì)的探索與應(yīng)用，但主要集中在人員考勤與RFID識(shí)別類(lèi)產(chǎn)品上，屬于小范圍現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，并不真正能夠滿足煤礦行業(yè)較多設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。
??? 與ZigBee的應(yīng)用相類(lèi)似，已在煤礦行業(yè)進(jìn)入批量應(yīng)用的無(wú)線通訊的還有433MHz的nRF無(wú)線數(shù)傳技術(shù)，但也屬于短距離無(wú)線數(shù)據(jù)通訊，也主要被用在人員考勤與RFID識(shí)別上。
1.4 現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus
??? CAN-bus（Controller Area Networkbus）總線最早由德國(guó)Bosch公司提出，主要用于汽車(chē)內(nèi)部單元與控制中心之間的數(shù)據(jù)通訊。由于其良好的性能，被廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域中，如工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)電子、樓宇建筑、電梯網(wǎng)絡(luò)、電力通訊和安防消防等諸多領(lǐng)域，并逐漸成為這些行業(yè)的主要通訊手段。
??? 現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus的特點(diǎn)：
??? (1)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線，傳輸可靠、實(shí)時(shí)性高。
??? (2)傳輸距離遠(yuǎn)（無(wú)中繼時(shí)最遠(yuǎn)10千米）、傳輸速率快（最高1Mbps）。
??? (3)單條總線最多可接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，并可方便地?cái)U(kuò)充節(jié)點(diǎn)數(shù)。
??? (4)總線上各節(jié)點(diǎn)的地位平等，不分主從，突發(fā)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳輸。
??? (5)非破壞的總線仲裁技術(shù)，可多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，總線利用率高。
??? (6)出錯(cuò)的CAN節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉并切斷和總線的聯(lián)系，不影響總線的通訊。
??? (7)報(bào)文為短幀結(jié)構(gòu)并有硬件CRC校驗(yàn)，受干擾概率小，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。
??? (8)對(duì)未成功發(fā)送的報(bào)文，硬件有自動(dòng)發(fā)送功能，傳輸可靠性很高。
??? (9)具有硬件地址濾波功能，可簡(jiǎn)化軟件的協(xié)議編制。
??? (10)通訊介質(zhì)可用普通的雙絞線、同軸電纜或光纖等。
??? (11)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比極高。
??? 從以上分析可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus在網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放性、通訊可靠性、網(wǎng)絡(luò)通訊距離、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本等方面都具有很大的優(yōu)勢(shì)。因此，當(dāng)CAN-bus應(yīng)用于煤礦通訊系統(tǒng)時(shí)，立即獲得了廣大設(shè)備用戶的認(rèn)可，成為煤礦行業(yè)中首選的設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)由CAN-bus構(gòu)建的煤礦現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，管理者和主控設(shè)備能即時(shí)地了解、處理當(dāng)前的礦井情況，尋找事故隱患，避免危機(jī)的發(fā)生。
2 煤礦通訊中使用CAN-bus的技術(shù)要素
2.1 本質(zhì)安全
??? 在石油、化工等過(guò)程測(cè)量與自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，可能出現(xiàn)潛在的爆炸性環(huán)境，在實(shí)踐應(yīng)用中設(shè)計(jì)人員必須對(duì)系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及其相關(guān)設(shè)備采取相應(yīng)的防爆措施。隨著電氣設(shè)備防爆技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，在全球范圍內(nèi)已廣泛接受的電氣設(shè)備防爆技術(shù)有：隔爆(Ex d)、增安(Ex e)、本質(zhì)安全(Ex i)、正壓(Ex p)、澆封(Ex m)和無(wú)火花(Ex n)等。在眾多的防爆技術(shù)中，本質(zhì)安全(以下簡(jiǎn)稱(chēng)本安)防爆技術(shù)具有成本低、體積小、重量輕、允許在線測(cè)量和帶電維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它也能用于0區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所。因此在低壓、低功率電氣設(shè)備、儀器儀表等領(lǐng)域內(nèi)，它是首選的防爆技術(shù)。然而，本安防爆實(shí)質(zhì)上是系統(tǒng)防爆，其防爆性能不僅與關(guān)聯(lián)設(shè)備有關(guān)，而且也與相應(yīng)設(shè)備有關(guān)。
??? 煤礦行業(yè)的通訊設(shè)備必須符合《GB3836 爆炸性氣體環(huán)境用設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱(chēng)為“煤安”標(biāo)準(zhǔn)。
??? 現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus的傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，同一網(wǎng)絡(luò)可以連接110個(gè)設(shè)備；通訊報(bào)文以差分信號(hào)的形式進(jìn)行傳輸。常用CAN-bus收發(fā)器的電壓、電流參數(shù)如表1所示。
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??? 煤礦行業(yè)中，構(gòu)建CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的常用CAN-bus設(shè)備的功耗指標(biāo)如表2所示。
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??? 由表1、表2可見(jiàn)，基于現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus的設(shè)備一般都可以長(zhǎng)期安全運(yùn)行在防護(hù)要求很高的煤礦行業(yè)爆炸性氣體環(huán)境中。
2.2 通訊距離
??? 煤礦行業(yè)的通訊網(wǎng)絡(luò)涉及礦上通訊、井下" title="井下">井下礦道通訊。其中，井下礦道通訊是重點(diǎn)。一個(gè)中小型煤礦的通訊網(wǎng)絡(luò)，井下礦道通訊距離可能需要達(dá)到20千米，甚至更遠(yuǎn)。
??? 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中，通訊距離與通訊速率密切相關(guān)。通常，當(dāng)通訊速率為5Kbps時(shí)，CAN-bus總線的通訊距離可以達(dá)到10千米，若安裝1個(gè)CANbridge網(wǎng)橋，通訊距離可以延長(zhǎng)一倍，并可增加連接一倍的CAN-bus節(jié)點(diǎn)數(shù)目。
??? 煤礦行業(yè)建立CAN-bus網(wǎng)絡(luò)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的通訊距離、數(shù)據(jù)流量等需求參數(shù)，一般可選擇的通訊速率有 5Kbps、10Kbps、20Kbps等標(biāo)準(zhǔn)波特率，特殊場(chǎng)合可以選擇2.5Kbps的通訊速率，以獲得更遠(yuǎn)的通訊距離。CANbridge網(wǎng)橋、CANET-E網(wǎng)關(guān)都可以支持2.5Kbps的通訊速率。
??? 通訊電纜的合理選擇，對(duì)CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的通訊距離也有非常重要的影響。通常選擇礦用阻燃電纜作為CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)，該類(lèi)型的電纜線特性：雙絞線、直徑1.5mm2、電阻12.1Ω/km，電感800mH/km，電容0.06μF/km。符合該參數(shù)的礦用阻燃電纜可以在5Kbps的速率下達(dá)到6~7公里的通訊距離。
2.3 網(wǎng)絡(luò)布線
??? 煤礦行業(yè)的礦井結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般都存在較多的分支巷道，多為樹(shù)形結(jié)構(gòu)或者魚(yú)刺形結(jié)構(gòu)。通常的CAN-bus總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不適合礦井內(nèi)的通訊布線；但是，通過(guò)在合適位置安裝CANbridge網(wǎng)橋，改變整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浞绞剑纬蓸?shù)形拓?fù)浠蛐切瓮負(fù)?，既方便施工與布線，節(jié)省電纜成本，又可以提高通訊效率，增加網(wǎng)絡(luò)整體連接設(shè)備的能力。
??? 圖 1是一個(gè)煤礦井下礦道的CAN-bus網(wǎng)絡(luò)布線實(shí)例，說(shuō)明了CANbridge網(wǎng)橋在井下礦道的應(yīng)用，以及如何合理地改變CAN-bus總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
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??? 終端電阻的連接也是CAN-bus網(wǎng)絡(luò)布線中必須注意的要點(diǎn)。主干線的最遠(yuǎn)兩端必須各連接一個(gè)120Ω的終端電阻，而對(duì)于主干線上的其他任何設(shè)備不用接終端電阻；對(duì)于連接到CANbridge網(wǎng)橋的CAN-bus分支線網(wǎng)絡(luò)，同樣必須在最遠(yuǎn)兩端各接一個(gè)120Ω的終端電阻。
3 煤礦通訊的CAN-bus應(yīng)用實(shí)例
??? 目前，煤礦行業(yè)的通訊網(wǎng)絡(luò)主要用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的功能：考勤和巡檢系統(tǒng)、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。下面將介紹已經(jīng)成功投入運(yùn)行的應(yīng)用實(shí)例。
3.1 考勤和巡檢系統(tǒng)
??? 井下監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下的目標(biāo)監(jiān)測(cè)/跟蹤自動(dòng)化、信息化管理。通過(guò)對(duì)煤礦井道內(nèi)遠(yuǎn)距離移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行非接觸式的信息采集處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員的考勤，以及井下的人員、車(chē)輛、物料在不同狀態(tài)下的自動(dòng)識(shí)別。
??? 近年來(lái)，RFID識(shí)別已經(jīng)成為煤礦行業(yè)中人員考勤與巡檢系統(tǒng)的主流技術(shù)。當(dāng)帶有個(gè)人信息的RFID卡進(jìn)入RFID讀卡器的識(shí)別范圍時(shí)，RFID讀卡器將讀取RFID卡片信息，再將卡片信息通過(guò)CAN-bus網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。
??? RFID讀卡器的識(shí)別范圍容易受外部環(huán)境影響，識(shí)別距離在幾十米以內(nèi)。因此，需要合理地設(shè)置RFID讀卡器的間距，一般應(yīng)用中，每間隔50米的礦道就安裝一個(gè)RFID讀卡器。
??? RFID讀卡器集成有UART接口，可以通過(guò)擴(kuò)展CSM100嵌入式UART-CAN芯片，構(gòu)成一個(gè)具有CAN-bus通訊接口的RFID讀卡器，通過(guò)CAN-bus網(wǎng)絡(luò)傳輸RFID卡信息。采用CSM100模塊建立CAN-bus的通訊網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。
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3.2 安全參數(shù)檢測(cè)
??? 煤礦礦井內(nèi)需要檢測(cè)的各種環(huán)境參數(shù)有：溫度濕度、氣體濃度、粉塵濃度、電力設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)參數(shù)等。這些參數(shù)，通過(guò)安裝在各控制點(diǎn)的監(jiān)測(cè)傳感器，轉(zhuǎn)換成4~20mA電流環(huán)信號(hào)，然后通過(guò)信號(hào)電纜集中傳送到環(huán)境參數(shù)采樣設(shè)備。每一個(gè)環(huán)境參數(shù)采樣設(shè)備都可以連接多達(dá)8路的4~20mA電流環(huán)信號(hào)。使用4~20mA電流環(huán)信號(hào)，傳輸距離可達(dá)數(shù)百米，最遠(yuǎn)可以達(dá)到2公里。監(jiān)測(cè)傳感器、傳輸電纜、采樣設(shè)備等多個(gè)因素共同決定了環(huán)境參數(shù)模擬信號(hào)的采樣精度。
??? 環(huán)境參數(shù)采樣設(shè)備與CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的連接可以有以下幾種方式：
??? (1)集成CAN-bus通訊電路的采樣設(shè)備直接連接到CAN-bus網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)備地址、通訊速率等參數(shù)通過(guò)外部的撥碼地址開(kāi)關(guān)設(shè)定，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)。
??? (2)集成RS-232通訊電路的采樣設(shè)備通過(guò)CAN232MB轉(zhuǎn)換器連接到CAN-bus網(wǎng)絡(luò)，采用透明轉(zhuǎn)換方式，需要事先人工設(shè)定RS-232通訊速率和CAN-bus通訊速率，可以增設(shè)惟一的設(shè)備單元地址。
??? (3)集成RS-485通訊電路的采樣設(shè)備通過(guò)CAN485MB轉(zhuǎn)換器連接到CAN-bus網(wǎng)絡(luò)，采用透明轉(zhuǎn)換方式，需要事先人工設(shè)定RS-485通訊速率和CAN-bus通訊速率，可以增設(shè)惟一的設(shè)備單元地址。
??? 煤礦礦井內(nèi)的所有環(huán)境參數(shù)采樣設(shè)備都連接到同一個(gè)CAN-bus網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)同一級(jí)網(wǎng)的CAN-bus網(wǎng)橋(采用光纖通訊或雙絞線通訊介質(zhì)，用于延長(zhǎng)通訊距離)和上一級(jí)網(wǎng)的CANET-E網(wǎng)關(guān)(用于轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)Ethernet數(shù)據(jù))，連接到煤礦井上的主控PC機(jī)。基于CAN-bus的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。
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??? 利用現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus，可以方便地構(gòu)建起煤礦行業(yè)的井下通訊主干網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，作為現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，CANET-E網(wǎng)關(guān)可以與以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互連互通，從而將現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus接入無(wú)處不在的Internet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)10千米以外，乃至整個(gè)地區(qū)的運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和管理，滿足煤礦行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化管理要求。同理，井下的CAN-bus設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以與Wireless網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互連互通，從而構(gòu)成小范圍的無(wú)線數(shù)據(jù)采集(主要是RFID采集)網(wǎng)絡(luò)。煤礦行業(yè)的CAN-bus網(wǎng)絡(luò)正朝著三層網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
??? 采用光纖通訊的CAN-bus網(wǎng)絡(luò)也是煤礦行業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的雙絞線傳輸方式相比較，光纖的低傳輸損耗使傳輸距離大大增加，更適應(yīng)煤礦行業(yè)中一些遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枨?。另外，光纖還具有不輻射能量、不導(dǎo)電、沒(méi)有電感，且光纖中不存在串?dāng)_以及光信號(hào)相互干擾的影響，有著優(yōu)良的抗EMI以及EMC特性，也不會(huì)存在因線路感應(yīng)耦合導(dǎo)致的安全問(wèn)題。因此，一段時(shí)期內(nèi)，光纖通訊方式、雙絞線通訊方式的兩種CAN-bus網(wǎng)絡(luò)將并存于煤礦行業(yè)中。
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[5]? 夏繼強(qiáng).現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.
[6]? 鄔寬明.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用選編. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.