現場(chǎng)總線(xiàn) iCAN 網(wǎng)絡(luò )在工程機械中的應用

一．CAN-bus總線(xiàn)簡(jiǎn)介：

CAN-bus總線(xiàn)是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，最初被設計用作汽車(chē)電子控制單元（ECU：ElectricControlUnit）的串行數據傳輸網(wǎng)絡(luò )，現已被廣泛應用于歐洲的中高檔汽車(chē)中。近幾年來(lái)，由于CAN-bus總線(xiàn)極高的可靠性、實(shí)時(shí)性，CAN-bus總線(xiàn)開(kāi)始進(jìn)入中國各個(gè)行業(yè)的數據通訊應用，并在2002年被確定為電力通訊產(chǎn)品領(lǐng)域的國家標準。

CAN-bus網(wǎng)絡(luò )使用普通雙絞線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，采用直線(xiàn)拓撲結構，單條網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路可以連接到110個(gè)節點(diǎn)。當通訊距離不大于40米時(shí)，傳輸速率可達到1Mbps；當使用5Kbps傳輸速率（收發(fā)器PCA82C250/251支持），同一物理網(wǎng)絡(luò )可達10公里的通訊距離。CAN-bus總線(xiàn)的適用范圍：可適用于節點(diǎn)數目比較多，傳輸距離在10公里以?xún)?，安全性、可靠性要求高的?chǎng)合；也可適用于對實(shí)時(shí)性、安全性要求十分嚴格的機械控制網(wǎng)絡(luò )。

目前，國內的汽車(chē)、電梯行業(yè)已是CAN-bus應用的典型領(lǐng)域，工業(yè)控制、智能樓宇、煤礦設備等行業(yè)也得到了廣泛的應用。

二．CAN-bus總線(xiàn)在工程機械中的應用

由于嵌入式電腦、網(wǎng)絡(luò )通訊、微處理器、自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)的日漸廣泛應用，工程機械控制系統的性能和集成度已經(jīng)有了很大的提高。而CAN-bus總線(xiàn)由于良好性能，特別適合于工程機械中各電子單元之間的互連通訊。隨著(zhù)CAN-bus總線(xiàn)技術(shù)的引入，工程機械中基于CAN-bus總線(xiàn)的分布式控制系統取代原有的集中式控制系統，傳統的復雜的線(xiàn)束被CAN-bus總線(xiàn)所代替：系統中各種控制器、執行器以及傳感器之間通過(guò)CAN-bus總線(xiàn)連接，線(xiàn)纜少、易敷設，實(shí)現成本低，而且系統設計更加靈活，信號傳輸可靠性高，抗干擾能力強。

目前CAN-bus總線(xiàn)技術(shù)在工程機械上的應用越來(lái)越普遍。國際上一些著(zhù)名的工程機械大公司如CAT、VOLVO、利勃海爾等都在自己的產(chǎn)品上廣泛采用CAN-bus總線(xiàn)技術(shù)，大大提高了整機的可靠性、可檢測和可維修性，同時(shí)提高了智能化水平。而在國內，CAN-bus總線(xiàn)控制系統也開(kāi)始在工程汽車(chē)的控制系統中廣泛應用，在工程機械行業(yè)中也正在逐步推廣應用。

三．iCAN網(wǎng)絡(luò )在工程機械中的應用

1．iCAN網(wǎng)絡(luò )的介紹

iCAN協(xié)議即“IndustryCAN-busApplicationProtocol”，是現場(chǎng)總線(xiàn)CAN-bus的應用層協(xié)議之一，具有理解簡(jiǎn)單、易于實(shí)現、實(shí)時(shí)可靠的特點(diǎn)。iCAN網(wǎng)絡(luò )是面向于自動(dòng)控制領(lǐng)域、基于CAN-bus總線(xiàn)和iCAN協(xié)議的控制系統。該系統的目標就是解決用戶(hù)在CAN-bus應用領(lǐng)域中的通訊控制或者數據采集問(wèn)題。

將CAN-bus網(wǎng)絡(luò )的數據鏈路層、物理層與一個(gè)高效的用戶(hù)層結合在一起，既可以保障底層使用CAN-bus總線(xiàn)的高效、實(shí)時(shí)、可靠的特點(diǎn)，又能夠建立一個(gè)易于實(shí)現、成本較低、效率良好的數據通訊網(wǎng)絡(luò )方案。這就形成了一個(gè)基于現場(chǎng)總線(xiàn)CAN-bus的完整通訊網(wǎng)絡(luò )以及數據采集方案，也就是iCAN網(wǎng)絡(luò )的誕生。

iCAN網(wǎng)絡(luò )構建非常靈活，結構簡(jiǎn)單，成本較低；并且iCAN網(wǎng)絡(luò )具有易于組態(tài)，安裝、運行、維護簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。iCAN網(wǎng)絡(luò )組成結構如下圖所示，包括了iCAN模塊、CAN-bus接口卡以及CAN-bus網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋設備。

iCAN網(wǎng)絡(luò )的基礎與核心是iCAN協(xié)議。iCAN協(xié)議是國內對于CAN-bus系統應用的一種全新嘗試。iCAN協(xié)議的設計目標是：實(shí)現一種簡(jiǎn)單/可靠/穩定的CAN-bus應用層協(xié)議。

在iCAN協(xié)議的設計過(guò)程中，充分參考和借鑒了DeviceNet協(xié)議和CANopen協(xié)議。畢竟DeviceNet協(xié)議和CANopen協(xié)議是嚴謹和完善的，并經(jīng)過(guò)實(shí)際工程驗證。

制定iCAN協(xié)議是一個(gè)相當嚴謹的設計過(guò)程。這里主要考慮了一些關(guān)鍵因素：

CAN報文的分配

數據通訊的實(shí)現

網(wǎng)絡(luò )管理

設備建模

通過(guò)以上技術(shù)問(wèn)題的解決，一方面可以保證iCAN網(wǎng)絡(luò )的高通訊效率、高數據可靠性，令基于iCAN協(xié)議的各個(gè)總線(xiàn)節點(diǎn)能夠組成一個(gè)有機的整體網(wǎng)絡(luò )；另一方面，通過(guò)在iCAN協(xié)議設備建模方面的嘗試，可以使產(chǎn)品描述標準化，協(xié)議發(fā)展具有可延續性，保障后續產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中在通訊協(xié)議方面的的一致性。

在iCAN網(wǎng)絡(luò )中，可以根據需要增加CAN-bus網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋設備，以適應實(shí)際系統的網(wǎng)絡(luò )規模和通訊距離，以及用戶(hù)終端設備在安裝、布線(xiàn)等方面的要求。通過(guò)CAN-bus網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋設備，iCAN網(wǎng)絡(luò )也可以方便地互連其它類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )，比如串行通訊網(wǎng)絡(luò )RS-232/RS-485、以太網(wǎng)EtherNet等，或者連接DeviceNet/CANopen網(wǎng)絡(luò )。

2．工程機械中iCAN網(wǎng)絡(luò )結構

在工程機械中iCAN網(wǎng)絡(luò )主要由工控微機、標準PC-CAN接口卡以及iCAN模塊組成，系統結構如圖2所示。

工控微機通過(guò)CAN-bus接口卡接入CAN-bus網(wǎng)絡(luò )中，與總線(xiàn)進(jìn)行數據交換，管理系統中各個(gè)iCAN模塊及其它設備；實(shí)現系統中各設備參數監控、顯示、人機界面以及各種控制功能。iCAN模塊實(shí)現傳感器的信號采集，并實(shí)現控制信號輸出功能。

根據工程機械中的傳感器、控制器類(lèi)型的不同，選擇合適的iCAN模塊。iCAN模塊的輸入端口采集液壓、發(fā)動(dòng)機等系統中傳感器的信號，并傳送到總線(xiàn)上；輸出端口根據來(lái)自總線(xiàn)上的控制信息操作執行機構，完成對于液壓等系統的控制。

iCAN網(wǎng)絡(luò )在工程機械中的應用，避免了復雜的信號連線(xiàn)，使控制系統的安裝為何簡(jiǎn)單，運行可靠，應用靈活，并能夠保證控制的實(shí)時(shí)性。

四．應用實(shí)例：起重力矩限制系統

1．簡(jiǎn)介

起重力矩限制系統為汽車(chē)起重機控制系統中一個(gè)重要組成部分。該系統通過(guò)對起重機械中長(cháng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器等輸出數據進(jìn)行分析處理，實(shí)現對系統工作時(shí)起重力矩的實(shí)時(shí)監控，以保證起重機工作在安全狀態(tài)下。而且該系統能夠實(shí)時(shí)記錄起重機作業(yè)中的危險工況，為事故的分析處理提供可靠的依據。

該系統要求能夠實(shí)時(shí)采集長(cháng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的輸出數據，其中長(cháng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的信號輸出類(lèi)型主要為電壓或者電流信號，傳感器信號的通道共有4路。此外系統要求提供4路數字量輸出通道。

2．解決方案

起重力矩限制系統的CAN-bus解決方案為：系統采用一塊PC104-CAN2I雙路CAN接口卡、一個(gè)iCAN-4017模擬量輸入模塊以及一個(gè)iCAN-4050數字量輸入輸出模塊。起重力矩限制系統結構示意圖如下圖3所示：

1）PC104-CAN2I雙路CAN接口卡作為CAN網(wǎng)絡(luò )主控設備，實(shí)現對于數據采集模塊的管理。PC104-CAN2I接口卡配備2個(gè)通道CAN接口，CAN通道采用光電隔離措施，增強了系統在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。電路板采用4層板技術(shù)，SMT工藝，抗干擾能力強，保障長(cháng)期運行的穩定可靠。

2）iCAN-4017模擬量輸入模塊主要技術(shù)參數如下：

單電源供電，供電電壓：＋10V～+30VDC；

8路模擬量輸入通道；

16位分辨率ADC；

電壓輸入范圍：±10V（默認）、±5V、±2.5V、±1V、±500mV、±150mV；

電流輸入范圍：±20mA（需外接125Ω精密電阻）。

采用iCAN-4017模擬量輸入模塊的四路輸入通道用于采集系統中長(cháng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的輸出數據。

3）iCAN-4050數字量輸入輸出模塊主要技術(shù)參數如下：

單電源供電，供電電壓：＋10V～+30VDC；

8路開(kāi)關(guān)量輸入通道；

8路開(kāi)關(guān)量輸出通道；

開(kāi)關(guān)量輸入信號：高電平：+3.5V～+30V，低電平：≤+1V；

開(kāi)關(guān)量輸出信號：集電極開(kāi)漏輸出，最大負載電壓+30V，電流30mA。采用iCAN-4050數字量輸入輸出模塊四路輸出通道用于提供數字量輸出信號。

3．系統說(shuō)明

起重力矩限制系統通過(guò)iCAN模塊檢測各傳感器的信號，各模塊通過(guò)CAN總線(xiàn)將傳感器數據傳送到控制主機進(jìn)行處理，系統工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在人機界面上。該系統能夠警示危險工況，診斷并排除故障。在危險工況下，通過(guò)實(shí)時(shí)地控制輸出模塊，使系統處于安全狀態(tài)，防止事故的發(fā)生。

起重力矩限制系統軟件采用VC++開(kāi)發(fā)。系統軟件對傳感器數據進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)獲取系統工作狀態(tài)，并以圖形化的界面顯示，在危險狀態(tài)下及時(shí)發(fā)出報警信息，并可以根據鍵盤(pán)指令進(jìn)行相應的控制。

在起重力矩限制系統中采用了iCAN-4017模塊以及iCAN-4050模塊各一個(gè)。在滿(mǎn)足系統需求的基礎之上，模擬量輸入、數字量輸入以及開(kāi)關(guān)量輸出均有剩余通道，可以方便未來(lái)產(chǎn)品功能的擴展。

該起重力矩限制系統的特點(diǎn)是：通過(guò)CAN-bus總線(xiàn)實(shí)現對各傳感器信號的采集以及輸出裝置的控制，使得系統十分容易構建，布線(xiàn)安裝十分方便；同時(shí)系統抗干擾能力強、可靠性高、實(shí)時(shí)響應性好。而且通過(guò)CAN-bus總線(xiàn)的應用，使該起重力矩限制系統的很容易作為一個(gè)子系統嵌入到起重機的控制系統中。

通過(guò)實(shí)際的運行測試表明，該系統運行穩定、可靠，維護接口方便，性能價(jià)格比較高。

五．結論

CAN-bus總線(xiàn)的應用使工程機械控制系統功能具有良好的可擴展性，易于實(shí)現對各分系統得集中監測和管理。此外CAN-bus總線(xiàn)的應用使用戶(hù)的使用、維護、故障診斷更加靈活和方便，例如起重機在出廠(chǎng)調試時(shí)，工廠(chǎng)計算機系統可以通過(guò)CAN-bus總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)其控制系統，記錄保存調試數據，以作為在故障時(shí)維修的原始參考數據。

隨著(zhù)CAN-bus總線(xiàn)在工程機械中的不斷應用，必將大大提高工程機械的可靠性、可檢測、可維修性以及智能化水平。依靠強大的專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)團隊、NXP半導體的領(lǐng)先技術(shù)，我們始終執著(zhù)于工程機械行業(yè)中CAN-bus總線(xiàn)的應用推廣，為客戶(hù)提供更多的優(yōu)質(zhì)的解決方案。