工程設(shè)備CAN總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、工程設(shè)備 CAN 總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 引言工程設(shè)備的數(shù)字化、信息化及施工管理一體化是當(dāng)前工程設(shè)備的開(kāi)展熱潮，自20 世紀(jì) 90年代始，興旺國(guó)家的制造業(yè)就已經(jīng)開(kāi)場(chǎng)進(jìn)展相關(guān)技術(shù)的探索，高新技術(shù) 大量應(yīng)用于先進(jìn)的工程設(shè)備設(shè)計(jì)中。同時(shí) ,以微計(jì)算機(jī)為代表的智能控制器被大量采 用，智能節(jié)點(diǎn)間的信息流量空前增加。將車(chē)載電子設(shè)備按照一定的協(xié)議聯(lián)網(wǎng)，并加 以有效地信息綜合，使之到達(dá)資源和功能的共享已成為開(kāi)展趨勢(shì)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是指把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐 帶，把它們連接成可以相互溝通訊息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。CANController Area Network總線,

2、又稱(chēng)控制域局域網(wǎng)，屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)， 最早由 BOSCH 公司在 80 年代提出，由于可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、靈活方便，便于檢 測(cè)維護(hù)，因而被廣泛應(yīng)用。在工程設(shè)備領(lǐng)域，美國(guó) CAT 公司生產(chǎn)的 CAT980G 裝載 機(jī)，日本小松的 WA380-3和WA500-3,日本川崎的KLD80Z川等均采用CAN總線 技術(shù)，提高設(shè)備的整體控制技術(shù)水平。根據(jù) CAN 總線的技術(shù)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于 CAN 總線的工程設(shè)備控制系 統(tǒng)，通過(guò)分布式智能控制來(lái)提高工程設(shè)備的控制技術(shù)和信息化水平。2 系統(tǒng)組成與功能特點(diǎn)2.1 系統(tǒng)組成傳統(tǒng)的工程裝備控制系統(tǒng)采用集中式控制，除主控制器外一般都不具備可智能 化的條件

3、。 基于 CAN 總線的控制系統(tǒng)采用分布式智能總線控制， 將各功能模塊做成 智能終端，再通過(guò) CAN 總線連接，并輔之以一定的通訊協(xié)議， 這樣不僅提高了整個(gè) 系統(tǒng)的可靠性及智能化水平，同時(shí)降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。系統(tǒng)由主控制器、操縱盒、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和虛擬儀表等組成，各部件采用 CAN 總線互聯(lián)。主控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的信息協(xié)調(diào)與處理 ;作業(yè)終端是作業(yè)手對(duì)作業(yè)過(guò)程 進(jìn)展干預(yù)的主要手段 ;傳感器負(fù)責(zé)感知系統(tǒng)的狀態(tài) ;執(zhí)行器負(fù)責(zé)完成經(jīng)主控制器處理 后的動(dòng)作 ;虛擬儀表提供了一種可視化的人機(jī)界面，用文字或圖形的方式告知作業(yè)手 器材當(dāng)前的狀態(tài) ;調(diào)試診斷儀負(fù)責(zé)定位系統(tǒng)故障源。各模塊都是自成一體的智能終 端，

4、各模塊可以有多個(gè)，只要給它們分配不同的標(biāo)識(shí)符 ID 號(hào)即可，各模塊通過(guò) 4 芯屏蔽電纜并聯(lián)起來(lái)， 4 芯電纜中 2 根電源正和電源負(fù)用于給終端供電，另外 2 根 CANH 和 CANL 用于終端間通信。本系統(tǒng)組成如圖 1 所示。圖1基于CAN總線的智能控制系統(tǒng)組成2.2系統(tǒng)功能特點(diǎn)與傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)相比，本控制系統(tǒng)具有如下功能特點(diǎn)：1防誤操作功能。設(shè)計(jì)人員可以很容易地通過(guò)軟件編程屏蔽掉本系統(tǒng)中可 能出現(xiàn)的誤操作，而只開(kāi)放允許的操作，同時(shí)還可根據(jù)需要發(fā)出聲光報(bào)警，告知作 業(yè)手有操作錯(cuò)誤；2 作業(yè)向?qū)Чδ?。操縱盒的智能化和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享使得設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)作業(yè)過(guò)程，通過(guò)軟件編程點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈

5、，告知作業(yè)手許可的操作。實(shí)現(xiàn)器材 操作的“傻瓜化 ;3 系統(tǒng)自我診斷自我恢復(fù)。智能化終端可以方便地對(duì)自身的狀態(tài)進(jìn)展診斷， 并向總線發(fā)送相關(guān)信息供其它智能節(jié)點(diǎn)處理用，使器材使用者不用掌握太多的專(zhuān)業(yè) 知識(shí)就可以容易地判斷問(wèn)題所在 ;同時(shí)對(duì)于總線內(nèi)部錯(cuò)誤，總線系統(tǒng)可以通過(guò)自身軟 件進(jìn)展自動(dòng)恢復(fù)4 狀態(tài)指示。通過(guò)虛擬儀表或操縱盒指示燈指示器顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。 5 數(shù)據(jù)共享，信息全面，可靠性高。系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都可在CAN 總線上接收到，可以很容易地實(shí)現(xiàn)信息共享，減少了數(shù)據(jù)的重復(fù)處理，降低了對(duì)主控制器的 要求 ;同時(shí) CAN 總線具有線間干擾小、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用模塊化管理， 各模塊按其功能分散

6、布置，簡(jiǎn)化了布線并縮短了線束的長(zhǎng)度，從而降低了耦合電流 的產(chǎn)生，減小了線間干擾。同時(shí)在軟件上， CAN 總線采用短幀傳輸，這樣使總線數(shù) 據(jù)報(bào)文在傳輸過(guò)程中有較強(qiáng)的抗干擾能力 ;6 擴(kuò)大性強(qiáng)，產(chǎn)品升級(jí)快，性?xún)r(jià)比高。7參數(shù)配置靈活。可以通過(guò) CAN 總線進(jìn)展參數(shù)配置，如開(kāi)關(guān)量可以根據(jù)廠 家需求設(shè)置其門(mén)限及控制極性正負(fù)控，模擬量可根據(jù)廠家提供的傳感器性能曲 線進(jìn)展校正，相關(guān)位置量也可以方便地進(jìn)展總線標(biāo)定，縮短產(chǎn)品調(diào)試時(shí)間。3 總線通訊協(xié)議設(shè)計(jì)CAN 通信協(xié)議主要描述設(shè)備之間的基于根本 CAN 通信的應(yīng)用程序信息傳遞方式。CAN通信層的定義與開(kāi)放系統(tǒng)互連OSI參考模型一致，但只定義了最下面 兩層：物理

7、層和數(shù)據(jù)鏈路層。由于沒(méi)有規(guī)定應(yīng)用層，因此 CAN 協(xié)議本身并不完整， 需要一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議來(lái)定義 CAN 報(bào)文中的標(biāo)識(shí)符 11/29 位 、8字節(jié)數(shù)據(jù)的分配 與使用。目前國(guó)際上使用較多的高層協(xié)議有CANopen、J1939和DeviceNet等，但是由于工程設(shè)備的控制節(jié)點(diǎn)一般不多，完全可以根據(jù)自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)高效的應(yīng)用層協(xié) 議。下面給出幾個(gè)實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。3.1 報(bào)文 ID 的設(shè)計(jì)在通信標(biāo)識(shí)符，即 ID 號(hào)分配時(shí)，對(duì)于關(guān)重信息幀或要求快速響應(yīng)的信息幀采用低號(hào)ID，如裝備控制中需要實(shí)時(shí)反應(yīng)信號(hào)的各作業(yè)機(jī)構(gòu)到位信號(hào)；對(duì)于傳遞僅用于監(jiān)測(cè)而不參與實(shí)時(shí)控制信號(hào)的信息幀應(yīng)采用高 ID 號(hào)，如油溫、油壓、車(chē)姿等

8、狀態(tài) 信息。另外，在驗(yàn)收濾波器中對(duì)驗(yàn)收代碼存放器 ACR和驗(yàn)收屏蔽存放器AMR 正確設(shè)置可以屏蔽與該節(jié)點(diǎn)不相干的 ID 號(hào)信息，可以提高有效信息的響應(yīng)速度。3.2 報(bào)文的循環(huán)發(fā)送與查詢(xún)發(fā)送對(duì)于參與控制的重要信息幀一般應(yīng)采取定時(shí)循環(huán)發(fā)送方式，保證信息的實(shí)時(shí)刷 新;而對(duì)于軟硬件版本查詢(xún)、參數(shù)標(biāo)定等需要臨時(shí)數(shù)據(jù)效勞的那么主要采用C/S客戶(hù)機(jī)/效勞器 方式進(jìn)展信息幀發(fā)送， 即進(jìn)展特定的信息幀定義， 當(dāng)效勞器收到客戶(hù) 機(jī)的參數(shù)查詢(xún)或標(biāo)定請(qǐng)求后再處理并發(fā)送相應(yīng)的回饋信息幀。3.3 “心跳檢測(cè)當(dāng)數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)退出總線后故障或人為退出，接收節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的接收數(shù)據(jù)緩沖 區(qū)的數(shù)據(jù)必須進(jìn)展復(fù)位，防止數(shù)據(jù)不一致造成非期望事件

9、發(fā)生。因此，一般要求源 節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送“心跳信息，即設(shè)計(jì)一特定的信息幀或把特定信息幀中的某一位設(shè) 計(jì)成代表該節(jié)點(diǎn)的“心跳'，節(jié)點(diǎn)啟開(kāi)工作后每隔一定時(shí)間發(fā)送“心跳'信息幀或 定義的“心跳位上下電平變化一次， 這樣如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到該節(jié)點(diǎn) “心 跳信息，那么可以判斷節(jié)點(diǎn)不在總線上，進(jìn)而做出相應(yīng)的事件處理。i標(biāo)定設(shè)備1F Y:;控制器;I1_111n:結(jié)束； 結(jié)束ILJ tJ圖2數(shù)據(jù)標(biāo)定流程圖3.4 傳輸錯(cuò)誤檢驗(yàn)為了提高數(shù)據(jù)通訊的可靠性，對(duì)于關(guān)鍵數(shù)據(jù)幀如標(biāo)定數(shù)據(jù)幀，采用和校驗(yàn) 的方式防止數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，即數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)將最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)定義為校驗(yàn)字節(jié)，采 用累加和等校驗(yàn)等方式，將運(yùn)算

10、結(jié)果的低8 位即低位字節(jié)作為校驗(yàn)數(shù)據(jù)值。數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)幀后， 通過(guò)運(yùn)算進(jìn)展比擬， 結(jié)果無(wú)誤后再進(jìn)展相應(yīng)的賦值處理。3.5 數(shù)據(jù)查詢(xún)與參數(shù)標(biāo)定數(shù)據(jù)查詢(xún)和標(biāo)定采用重復(fù)發(fā)送控制信息直到得到特定反應(yīng)信息才完畢的通信方 式，流程如圖 2 所示。4 CAN 總線作業(yè)終端設(shè)計(jì)將作業(yè)終端設(shè)計(jì)成一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)， 采用 CAN 總線通信， 那么可以減少連接線纜 芯數(shù)的數(shù)量，提高工作可靠性 ;同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容豐富，可以傳遞狀態(tài)信息，也可以 傳送報(bào)文信息，提高信息化程度 ;并可增加通信距離，提高工作的適應(yīng)性。1硬件設(shè)計(jì)基于帶CAN總線控制器的單片機(jī)PIC18F458系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)CAN總線收發(fā)器MCP2551 與

11、其它節(jié)點(diǎn)總線相連，外圍有開(kāi)關(guān)量輸入電路、模擬量輸入電路、數(shù)碼管 顯示電路、開(kāi)關(guān)量輸出電路、 CAN 收發(fā)器和電源電路等，見(jiàn)圖 3。數(shù)碼管顯示電苔3 2路開(kāi)關(guān)屢輸入電路2路模擬壘輸入電踣C單機(jī)糸h 乂工總線收發(fā)器圖3 CAN總線作業(yè)終端硬件原理框圖5主控制器設(shè)計(jì)主控制器為主要的操作信號(hào)采集的執(zhí)行單元，它將系統(tǒng)的操縱信號(hào)進(jìn)展防誤操 作處理后控制作業(yè)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件。主控制器采用EPEC系列高可靠性可編程控制器PLC設(shè)計(jì)，該系列控制器 在國(guó)內(nèi)外工程機(jī)械中應(yīng)用較廣泛， 具有兩個(gè)CAN通訊口，本身即可兼做多協(xié)議的網(wǎng) 關(guān)。該型控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)：抗電磁干擾、抗振動(dòng)、耐油、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、構(gòu) 造緊湊、密封性好

12、、具有自我保護(hù)能力的特點(diǎn)，可以長(zhǎng)期在野外惡劣環(huán)境條件下工 作，可以直接驅(qū)動(dòng)多種執(zhí)行器，如電液比例閥、伺服馬達(dá)等，特別適用于移動(dòng)設(shè)備 的使用。當(dāng)然，就 CAN系統(tǒng)作業(yè)集成角度來(lái)看，STW, INTER CONTROL等控制 器的性能也較好，各有其特色，可以根據(jù)控制需求進(jìn)展選擇。6虛擬儀表設(shè)計(jì)虛擬儀表主要用于終端顯示，以提供各種作業(yè)信息。選用PC10 4主板作為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件，硬件配置表如表1所示，軟件采用實(shí)時(shí)性好的 VxWorks操作系統(tǒng)，利用VxWorks BSP包完成移植。表1虛擬儀表硬件配置表辭件型號(hào)srr-3co 5SRAM-E47 B»C2000-32 SIZMEHS

13、 501.2HE104125SG-VC115EM/CSDrC104飯300兆主頻1在兆內(nèi)存32M10. 5寸植晶屏64OM8O 電源模塊弭1血12V1A 視頻采集卡總線邇訊卡虛擬儀表可以完成工作狀態(tài)顯示、傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)定、視頻顯示等，提供了良好的人機(jī)交互界面，并可以通過(guò) RS232接口接入導(dǎo)航定位信息，提高裝備的信息化程 度。7 CAN總線調(diào)試診斷儀設(shè)計(jì)調(diào)試診斷儀基于BIT技術(shù)，采用嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，硬件以 ARM控制器為核心。ARM系列處理器采用32位嵌入式RISC構(gòu)造，內(nèi)部集成多級(jí)流水線以提高處理器指 令的執(zhí)行速度，其強(qiáng)大功能與外圍電路的配合，將信號(hào)采集、處理、故障診斷及網(wǎng) 絡(luò)通信等功能集于一

14、體，特別適合作為智能儀器設(shè)備的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。HMS30C7202是基于ARM720T的32位處理器，包括了 PC機(jī)的所有根本功能。具有高性能低功耗 的特點(diǎn)，片內(nèi)資源非常豐富，具有極高的集成度，非常適用于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。調(diào) 試診斷設(shè)備硬件由基于 ARM芯片HMS30C7202的核心模塊加外圍電路組成，見(jiàn)圖4 為了充分發(fā)揮ARM芯片的效率，提高任務(wù)級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，采用實(shí)時(shí)內(nèi)核 口 C/OSI 來(lái)進(jìn)展資源管理。卩 C/O是一個(gè)完整、可移植的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，具 有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。用戶(hù)界面基于 Mi niGUI 平臺(tái)進(jìn)展開(kāi)發(fā)，極大地提高了人機(jī)交互性能。圖 4

15、調(diào)試診斷儀硬件架構(gòu)8 結(jié)語(yǔ)智能化、信息化是工程機(jī)械裝備的開(kāi)展方向，將先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用其中 必將使裝備智能化、 信息化更易實(shí)現(xiàn)。 文設(shè)計(jì)的基于 CAN 總線的工程設(shè)備控制系統(tǒng) 具有功能完善、通用性好、使用方便等特點(diǎn)，并且技術(shù)架構(gòu)先進(jìn)，符合工程設(shè)備控 制系統(tǒng)向分布式智能控制的總體開(kāi)展方向。通過(guò)多項(xiàng)軍用與民用設(shè)備的應(yīng)用實(shí)踐說(shuō) 明，系統(tǒng)工作可靠，實(shí)時(shí)性好，功能拓展方便，維修性和測(cè)試性好，具有良好的推 廣應(yīng)用前景。本文創(chuàng)新點(diǎn)是將 CAN 總線技術(shù)應(yīng)用于工程設(shè)備控制系統(tǒng)， 使其智能信息化程度 高、通用性、維修性和測(cè)試性好，以提高工程設(shè)備的綜合性能。通過(guò)相關(guān)設(shè)備控制 系統(tǒng)的配套，成果應(yīng)用已產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益近20萬(wàn)元。參考文獻(xiàn)：1 鄒寬明.CAN總線原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)M.:航空航天大學(xué),1996.2余興民分布式系統(tǒng)中的CAN總線應(yīng)用設(shè)計(jì)J機(jī)械與電子，2003, 1：59-63X敬猛嵌入式技術(shù)及其在工程機(jī)械監(jiān)控器中的應(yīng)用J工程機(jī)械，2003,1206:5-84邵中行走機(jī)械控制系統(tǒng)的核心-STW控制器J建立機(jī)械技術(shù)與管