工程設備CAN總線(xiàn)控制系統設計

　　1  引言

　　工程設備的數字化、信息化及施工管理一體化是當前工程設備的發(fā)展熱潮，自20世紀90年代始，發(fā)達國家的制造業(yè)就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的探索，高新技術(shù)大量應用于先進(jìn)的工程設備設計中。同時(shí),以微計算機為代表的智能控制器被大量采用，智能節點(diǎn)間的信息流量空前增加。將車(chē)載電子設備按照一定的協(xié)議聯(lián)網(wǎng)，并加以有效地信息綜合，使之達到資源和功能的共享已成為發(fā)展趨勢。

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是指把單個(gè)分散的測量控制設備變成網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，以現場(chǎng)總線(xiàn)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 )系統與控制系統。CAN（Controller Area Network）總線(xiàn),又稱(chēng)控制域局域網(wǎng)，屬于總線(xiàn)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、靈活方便，便于檢測維護，因而被廣泛應用。在工程設備領(lǐng)域，美國CAT公司生產(chǎn)的CAT980G裝載機，日本小松的WA380-3和WA500-3，日本川崎的KLD80ZⅢ等均采用CAN總線(xiàn)技術(shù)，提高設備的整體控制技術(shù)水平。

　　根據CAN總線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)，本文設計了一種基于CAN總線(xiàn)的工程設備控制系統，通過(guò)分布式智能控制來(lái)提高工程設備的控制技術(shù)和信息化水平。

　　2  系統組成與功能特點(diǎn)

　　2.1  系統組成

　　傳統的工程裝備控制系統采用集中式控制，除主控制器外一般都不具備可智能化的條件?；贑AN總線(xiàn)的控制系統采用分布式智能總線(xiàn)控制，將各功能模塊做成智能終端，再通過(guò)CAN總線(xiàn)連接，并輔之以一定的通訊協(xié)議，這樣不僅提高了整個(gè)系統的可靠性及智能化水平，同時(shí)降低了系統的復雜程度。

　　系統由主控制器、操縱盒、傳感器、執行機構和虛擬儀表等組成，各部件采用CAN總線(xiàn)互聯(lián)。主控制器負責系統的信息協(xié)調與處理；作業(yè)終端是作業(yè)手對作業(yè)過(guò)程進(jìn)行干預的主要手段；傳感器負責感知系統的狀態(tài)；執行器負責完成經(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界面，用文字或圖形的方式告知作業(yè)手器材當前的狀態(tài)；調試診斷儀負責定位系統故障源。各模塊都是自成一體的智能終端，各模塊可以有多個(gè)，只要給它們分配不同的標識符（ID號）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）用于給終端供電，另外2根（CANH和CANL）用于終端間通信。本系統組成如圖1所示。

　　            圖1  基于CAN總線(xiàn)的智能控制系統組成

　　2.2  系統功能特點(diǎn)

　　與傳統的集中式控制系統相比，本控制系統具有如下功能特點(diǎn)：

　?。?）    防誤操作功能。設計人員可以很容易地通過(guò)軟件編程屏蔽掉本系統中可能出現的誤操作，而只開(kāi)放允許的操作，同時(shí)還可根據需要發(fā)出聲光報警，告知作業(yè)手有操作錯誤；

　?。?）    作業(yè)向導功能。操縱盒的智能化和系統數據的共享使得設計人員可以根據作業(yè)過(guò)程，通過(guò)軟件編程點(diǎn)亮相應的指示燈，告知作業(yè)手許可的操作。實(shí)現器材操作的“傻瓜”化；

　?。?）    系統自我診斷自我恢復。智能化終端可以方便地對自身的狀態(tài)進(jìn)行診斷，并向總線(xiàn)發(fā)送相關(guān)信息供其它智能節點(diǎn)處理用，使器材使用者不用掌握太多的專(zhuān)業(yè)知識就可以容易地判斷問(wèn)題所在；同時(shí)對于總線(xiàn)內部錯誤，總線(xiàn)系統可以通過(guò)自身軟件進(jìn)行自動(dòng)恢復

　?。?）    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當前狀態(tài)。

　?。?）    數據共享，信息全面，可靠性高。系統的所有數據都可在CAN總線(xiàn)上接收到，可以很容易地實(shí)現信息共享，減少了數據的重復處理，降低了對主控制器的要求；同時(shí)CAN總線(xiàn)具有線(xiàn)間干擾小、抗干擾能力強的特點(diǎn)。系統采用模塊化管理，各模塊按其功能分散布置，簡(jiǎn)化了布線(xiàn)并縮短了線(xiàn)束的長(cháng)度，從而降低了耦合電流的產(chǎn)生，減小了線(xiàn)間干擾。同時(shí)在軟件上，CAN總線(xiàn)采用短幀傳輸，這樣使總線(xiàn)數據報文在傳輸過(guò)程中有較強的抗干擾能力；

　?。?）    擴充性強，產(chǎn)品升級快，性?xún)r(jià)比高。

　?。?）    參數配置靈活?？梢酝ㄟ^(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行參數配置，如開(kāi)關(guān)量可以根據廠(chǎng)家需求設置其門(mén)限及控制極性(正負控)，模擬量可根據廠(chǎng)家提供的傳感器性能曲線(xiàn)進(jìn)行校正，相關(guān)位置量也可以方便地進(jìn)行總線(xiàn)標定，縮短產(chǎn)品調試時(shí)間。

　　3  總線(xiàn)通訊協(xié)議設計

　　CAN 通信協(xié)議主要描述設備之間的基于基本CAN通信的應用程序信息傳遞方式。CAN 通信層的定義與開(kāi)放系統互連（OSI）參考模型一致，但只定義了最下面兩層：物理層和數據鏈路層。由于沒(méi)有規定應用層，因此CAN協(xié)議本身并不完整，需要一個(gè)應用層協(xié)議來(lái)定義CAN報文中的標識符（11/29位）、8字節數據的分配與使用。目前國際上使用較多的高層協(xié)議有CANopen、J1939和DeviceNet等，但是由于工程設備的控制節點(diǎn)一般不多，完全可以根據自身特點(diǎn)，設計高效的應用層協(xié)議。下面給出幾個(gè)實(shí)用的設計方法。

　　3.1  報文ID的設計

　　在通信標識符，即ID號分配時(shí)，對于關(guān)重信息幀或要求快速響應的信息幀采用低號ID，如裝備控制中需要實(shí)時(shí)反饋信號的各作業(yè)機構到位信號；對于傳遞僅用于監測而不參與實(shí)時(shí)控制信號的信息幀應采用高ID號，如油溫、油壓、車(chē)姿等狀態(tài)信息。

　　另外，在驗收濾波器中對驗收代碼寄存器（ACR）和驗收屏蔽寄存器（AMR）正確設置可以屏蔽與該節點(diǎn)不相干的ID號信息，可以提高有效信息的響應速度。

　　3.2  報文的循環(huán)發(fā)送與查詢(xún)發(fā)送

　　對于參與控制的重要信息幀一般應采取定時(shí)循環(huán)發(fā)送方式，保證信息的實(shí)時(shí)刷新；而對于軟硬件版本查詢(xún)、參數標定等需要臨時(shí)數據服務(wù)的則主要采用C/S（客戶(hù)機/服務(wù)器）方式進(jìn)行信息幀發(fā)送，即進(jìn)行特定的信息幀定義，當服務(wù)器收到客戶(hù)機的參數查詢(xún)或標定請求后再處理并發(fā)送相應的回饋信息幀。

　　3.3  “心跳”檢測

　　當數據源節點(diǎn)退出總線(xiàn)后（故障或人為退出），接收節點(diǎn)相應的接收數據緩沖區的數據必須進(jìn)行復位，防止數據不一致造成非期望事件發(fā)生。因此，一般要求源節點(diǎn)定時(shí)發(fā)送“心跳”信息，即設計一特定的信息幀或把特定信息幀中的某一位設計成代表該節點(diǎn)的“心跳”，節點(diǎn)啟動(dòng)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”高低電平變化一次，這樣如果在一定的時(shí)間內沒(méi)有收到該節點(diǎn)“心跳”信息，則可以判斷節點(diǎn)不在總線(xiàn)上，進(jìn)而做出相應的事件處理。

　　                              圖2  數據標定流程圖

　　3.4  傳輸錯誤檢驗

　　為了提高數據通訊的可靠性，對于關(guān)鍵數據幀（如標定數據幀），采用和校驗的方式防止數據傳輸錯誤，即數據源節點(diǎn)將最后一個(gè)數據字節定義為校驗字節，采用累加和等校驗等方式，將運算結果的低8位（即低位字節）作為校驗數據值。數據接收節點(diǎn)收到數據幀后，通過(guò)運算進(jìn)行比較，結果無(wú)誤后再進(jìn)行相應的賦值處理。

　　3.5  數據查詢(xún)與參數標定

　　數據查詢(xún)和標定采用重復發(fā)送控制信息直到得到特定反饋信息才結束的通信方式，流程如圖2所示。

　　4  CAN總線(xiàn)作業(yè)終端設計

　　將作業(yè)終端設計成一個(gè)智能節點(diǎn)，采用CAN總線(xiàn)通信，則可以減少連接線(xiàn)纜芯數的數量，提高工作可靠性；同時(shí)數據傳輸內容豐富，可以傳遞狀態(tài)信息，也可以傳送報文信息，提高信息化程度；并可增加通信距離，提高工作的適應性。

　　（1）硬件設計

　　基于帶CAN總線(xiàn)控制器的單片機PIC18F458系統設計，通過(guò)CAN總線(xiàn)收發(fā)器MCP2551與其它節點(diǎn)總線(xiàn)相連，外圍有開(kāi)關(guān)量輸入電路、模擬量輸入電路、數碼管顯示電路、開(kāi)關(guān)量輸出電路、CAN收發(fā)器和電源電路等，見(jiàn)圖3。

　　                            圖3  CAN總線(xiàn)作業(yè)終端硬件原理框圖

　　5  主控制器設計

　　主控制器為主要的操作信號采集的執行單元，它將系統的操縱信號進(jìn)行防誤操作處理后控制作業(yè)機構的執行元件。

　　主控制器采用EPEC 系列高可靠性可編程控制器（PLC）設計，該系列控制器在國內外工程機械中應用較廣泛，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、適應環(huán)境能力強、結構緊湊、密封性好、具有自我保護能力的特點(diǎn)，可以長(cháng)期在野外惡劣環(huán)境條件下工作，可以直接驅動(dòng)多種執行器，如電液比例閥、伺服馬達等，特別適用于移動(dòng)設備的使用。當然，就CAN系統作業(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，可以根據控制需求進(jìn)行選擇。

　　6  虛擬儀表設計

　　虛擬儀表主要用于終端顯示，以提供各種作業(yè)信息。選用PC104主板作為嵌入式計算機系統的硬件，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，利用VxWorks BSP包完成移植。

　　表1 虛擬儀表硬件配置表

　　虛擬儀表可以完成工作狀態(tài)顯示、傳感器數據標定、視頻顯示等，提供了良好的人機交互界面，并可以通過(guò)RS232接口接入導航定位信息，提高裝備的信息化程度。

　　7  CAN總線(xiàn)調試診斷儀設計

　　調試診斷儀基于BIT技術(shù)，采用嵌入式系統架構，硬件以ARM控制器為核心。ARM系列處理器采用32位嵌入式RISC結構，內部集成多級流水線(xiàn)以提高處理器指令的執行速度，其強大功能與外圍電路的配合，將信號采集、處理、故障診斷及網(wǎng)絡(luò )通信等功能集于一體，特別適合作為智能儀器設備的開(kāi)發(fā)平臺。HMS30C7202是基于A(yíng)RM720T的32位處理器，包括了PC機的所有基本功能。具有高性能低功耗的特點(diǎn)，片內資源非常豐富，具有極高的集成度，非常適用于嵌入式系統應用。調試診斷設備硬件由基于A(yíng)RM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)級的響應時(shí)間，采用實(shí)時(shí)內核µC/OS-II來(lái)進(jìn)行資源管理。µC/OS-II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，具有執行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴展性強的特點(diǎn)。用戶(hù)界面基于MiniGUI平臺進(jìn)行開(kāi)發(fā)，極大地提高了人機交互性能。

　　                  圖4 調試診斷儀硬件架構

　　8  結語(yǔ)

　　智能化、信息化是工程機械裝備的發(fā)展方向，將先進(jìn)的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用其中必將使裝備智能化、信息化更易實(shí)現。文設計的基于CAN總線(xiàn)的工程設備控制系統具有功能完善、通用性好、使用方便等特點(diǎn)，并且技術(shù)架構先進(jìn)，符合工程設備控制系統向分布式智能控制的總體發(fā)展方向。通過(guò)多項軍用與民用設備的應用實(shí)踐表明，系統工作可靠，實(shí)時(shí)性好，功能拓展方便，維修性和測試性好，具有良好的推廣應用前景。

　　本文創(chuàng )新點(diǎn)是將CAN總線(xiàn)技術(shù)應用于工程設備控制系統，使其智能信息化程度高、通用性、維修性和測試性好，以提高工程設備的綜合性能。通過(guò)相關(guān)設備控制系統的配套，成果應用已產(chǎn)生經(jīng)濟效益近20萬(wàn)元。

　　參考文獻：

　?。?］鄒寬明.CAN總線(xiàn)原理與應用設計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1996.

　?。?］余興民.分布式系統中的CAN總線(xiàn)應用設計[J].機械與電子，2003，（1）:59-61

　?。?］劉敬猛.嵌入式技術(shù)及其在工程機械監控器中的應用[J].工程機械,2003,12(06):5-8

　?。?］邵中.行走機械控制系統的核心-STW控制器[J].建設機械技術(shù)與管理,2006, (7):44

　?。?］孫立輝,原亮.基于CAN總線(xiàn)的多機冗余系統的設計[J].計算機測量與控制,2002,10(12):824-826

　?。?］王彪等.基于嵌入式架構的調試診斷儀設計[J].工兵裝備研究,2006,(6):19-22

　?。?］王大宇.CAN總線(xiàn)技術(shù)在智能推土機控制系統中的應用[J].建筑機械,2005,(6):82-83

　?。?］祁永慶等.基于CAN總線(xiàn)的PLC在多任務(wù)協(xié)同控制中的應用[J].工程機械,2003,(02):1-3

　?。?］周永超,李雯,瞿安連．基于軟件工程的虛擬儀器設計[J].微計算機信息，2005，11-1：111-113。