工程设备CAN总线控制系统设计

1 引言

　　工程设备的数字化、信息化及施工管理一体化是当前工程设备的发展热潮，自20世纪90年代始，发达国家的制造业就已经开始进行相关技术的探索，高新技术大量应用于先进的工程设备设计中。同时,以微计算机为代表的智能控制器被大量采用，智能节点间的信息流量空前增加。将车载电子设备按照一定的协议联网，并加以有效地信息综合，使之达到资源和功能的共享已成为发展趋势。

　　现场总线技术是指把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通讯息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。CAN（Controller Area Network）总线,又称控制域局域网，属于总线式串行通信网络，最早由BOSCH公司在80年代提出，由于可靠性高、实时性强、灵活方便，便于检测维护，因而被广泛应用。在工程设备领域，美国CAT公司生产的CAT980G装载机，日本小松的WA380-3和WA500-3，日本川崎的KLD80ZⅢ等均采用CAN总线技术，提高设备的整体控制技术水平。

　　根据CAN总线的技术特点，本文设计了一种基于CAN总线的工程设备控制系统，通过分布式智能控制来提高工程设备的控制技术和信息化水平。

2 系统组成与功能特点

　　2.1 系统组成

　　传统的工程装备控制系统采用集中式控制，除主控制器外一般都不具备可智能化的条件。基于CAN总线的控制系统采用分布式智能总线控制，将各功能模块做成智能终端，再通过CAN总线连接，并辅之以一定的通讯协议，这样不仅提高了整个系统的可靠性及智能化水平，同时降低了系统的复杂程度。

　　系统由主控制器、操纵盒、传感器、执行机构和虚拟仪表等组成，各部件采用CAN总线互联。主控制器负责系统的信息协调与处理;作业终端是作业手对作业过程进行干预的主要手段;传感器负责感知系统的状态;执行器负责完成经主控制器处理后的动作;虚拟仪表提供了一种可视化的人机界面，用文字或图形的方式告知作业手器材当前的状态;调试诊断仪负责定位系统故障源。各模块都是自成一体的智能终端，各模块可以有多个，只要给它们分配不同的标识符（ID号）即可，各模块通过4芯屏蔽电缆并联起来，4芯电缆中2根（电源正和电源负）用于给终端供电，另外2根（CANH和CANL）用于终端间通信。本系统组成如图1所示。

 

图1 基于CAN总线的智能控制系统组成

　　2.2 系统功能特点

　　与传统的集中式控制系统相比，本控制系统具有如下功能特点：

　　（1） 防误操作功能。设计人员可以很容易地通过软件编程屏蔽掉本系统中可能出现的误操作，而只开放允许的操作，同时还可根据需要发出声光报警，告知作业手有操作错误;

　　（2） 作业向导功能。操纵盒的智能化和系统数据的共享使得设计人员可以根据作业过程，通过软件编程点亮相应的指示灯，告知作业手许可的操作。实现器材操作的“傻瓜”化;

　　（3） 系统自我诊断自我恢复。智能化终端可以方便地对自身的状态进行诊断，并向总线发送相关信息供其它智能节点处理用，使器材使用者不用掌握太多的专业知识就可以容易地判断问题所在;同时对于总线内部错误，总线系统可以通过自身软件进行自动恢复

　　（4） 状态指示。通过虚拟仪表或操纵盒指示灯指示器显示系统当前状态。

　　（5） 数据共享，信息全面，可靠性高。系统的所有数据都可在CAN总线上接收到，可以很容易地实现信息共享，减少了数据的重复处理，降低了对主控制器的要求;同时CAN总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。系统采用模块化管理，各模块按其功能分散布置，简化了布线并缩短了线束的长度，从而降低了耦合电流的产生，减小了线间干扰。同时在软件上，CAN总线采用短帧传输，这样使总线数据报文在传输过程中有较强的抗干扰能力;

　　（6） 扩充性强，产品升级快，性价比高。

　　（7） 参数配置灵活。可以通过CAN总线进行参数配置，如开关量可以根据厂家需求设置其门限及控制极性（正负控），模拟量可根据厂家提供的传感器性能曲线进行校正，相关位置量也可以方便地进行总线标定，缩短产品调试时间。

3 总线通讯协议设计

　　CAN 通信协议主要描述设备之间的基于基本CAN通信的应用程序信息传递方式。CAN 通信层的定义与开放系统互连（OSI）参考模型一致，但只定义了最下面两层：物理层和数据链路层。由于没有规定应用层，因此CAN协议本身并不完整，需要一个应用层协议来定义CAN报文中的标识符（11/29位）、8字节数据的分配与使用。目前国际上使用较多的高层协议有CANopen、J1939和DeviceNet等，但是由于工程设备的控制节点一般不多，完全可以根据自身特点，设计高效的应用层协议。下面给出几个实用的设计方法。

　　3.1 报文ID的设计

　　在通信标识符，即ID号分配时，对于关重信息帧或要求快速响应的信息帧采用低号ID，如装备控制中需要实时反馈信号的各作业机构到位信号;对于传递仅用于监测而不参与实时控制信号的信息帧应采用高ID号，如油温、油压、车姿等状态信息。

　　另外，在验收滤波器中对验收代码寄存器（ACR）和验收屏蔽寄存器（AMR）正确设置可以屏蔽与该节点不相干的ID号信息，可以提高有效信息的响应速度。

　　3.2 报文的循环发送与查询发送

　　对于参与控制的重要信息帧一般应采取定时循环发送方式，保证信息的实时刷新;而对于软硬件版本查询、参数标定等需要临时数据服务的则主要采用C/S（客户机/服务器）方式进行信息帧发送，即进行特定的信息帧定义，当服务器收到客户机的参数查询或标定请求后再处理并发送相应的回馈信息帧。

　　3.3 “心跳”检测

　　当数据源节点退出总线后（故障或人为退出），接收节点相应的接收数据缓冲区的数据必须进行复位，防止数据不一致造成非期望事件发生。因此，一般要求源节点定时发送“心跳”信息，即设计一特定的信息帧或把特定信息帧中的某一位设计成代表该节点的“心跳”，节点启动工作后每隔一定时间发送“心跳”信息帧或定义的“心跳位”高低电平变化一次，这样如果在一定的时间内没有收到该节点“心跳”信息，则可以判断节点不在总线上，进而做出相应的事件处理。

 

图2 数据标定流程图

　　3.4 传输错误检验

　　为了提高数据通讯的可靠性，对于关键数据帧（如标定数据帧），采用和校验的方式防止数据传输错误，即数据源节点将最后一个数据字节定义为校验字节，采用累加和等校验等方式，将运算结果的低8位（即低位字节）作为校验数据值。数据接收节点收到数据帧后，通过运算进行比较，结果无误后再进行相应的赋值处理。

　　3.5 数据查询与参数标定

　　数据查询和标定采用重复发送控制信息直到得到特定反馈信息才结束的通信方式，流程如图2所示。

4 CAN总线作业终端设计

　　将作业终端设计成一个智能节点，采用CAN总线通信，则可以减少连接线缆芯数的数量，提高工作可靠性;同时数据传输内容丰富，可以传递状态信息，也可以传送报文信息，提高信息化程度;并可增加通信距离，提高工作的适应性。

　　（1）硬件设计

　　基于带CAN总线控制器的单片机PIC18F458系统设计，通过CAN总线收发器MCP2551与其它节点总线相连，外围有开关量输入电路、模拟量输入电路、数码管显示电路、开关量输出电路、CAN收发器和电源电路等，见图3。

 

图3 CAN总线作业终端硬件原理框图

5 主控制器设计

　　主控制器为主要的操作信号采集的执行单元，它将系统的操纵信号进行防误操作处理后控制作业机构的执行元件。

　　主控制器采用EPEC 系列高可靠性可编程控制器（PLC）设计，该系列控制器在国内外工程机械中应用较广泛，具有两个CAN通讯口，本身即可兼做多协议的网关。该型控制器具有以下优点：抗电磁干扰、抗振动、耐油、适应环境能力强、结构紧凑、密封性好、具有自我保护能力的特点，可以长期在野外恶劣环境条件下工作，可以直接驱动多种执行器，如电液比例阀、伺服马达等，特别适用于移动设备的使用。当然，就CAN系统作业集成角度来看，STW，INTER CONTROL等控制器的性能也较好，各有其特色，可以根据控制需求进行选择。

6 虚拟仪表设计

　　虚拟仪表主要用于终端显示，以提供各种作业信息。选用PC104主板作为嵌入式计算机系统的硬件，硬件配置表如表1所示，软件采用实时性好的VxWorks操作系统，利用VxWorks BSP包完成移植。

　　表1 虚拟仪表硬件配置表

　　虚拟仪表可以完成工作状态显示、传感器数据标定、视频显示等，提供了良好的人机交互界面，并可以通过RS232接口接入导航定位信息，提高装备的信息化程度。

7 CAN总线调试诊断仪设计

　　调试诊断仪基于BIT技术，采用嵌入式系统架构，硬件以ARM控制器为核心。ARM系列处理器采用32位嵌入式RISC结构，内部集成多级流水线以提高处理器指令的执行速度，其强大功能与外围电路的配合，将信号采集、处理、故障诊断及网络通信等功能集于一体，特别适合作为智能仪器设备的开发平台。HMS30C7202是基于ARM720T的32位处理器，包括了PC机的所有基本功能。具有高性能低功耗的特点，片内资源非常丰富，具有极高的集成度，非常适用于嵌入式系统应用。调试诊断设备硬件由基于ARM芯片HMS30C7202的核心模块加外围电路组成，见图4。为了充分发挥ARM芯片的效率，提高任务级的响应时间，采用实时内核µC/OS-II来进行资源管理。µC/OS-II是一个完整、可移植的抢占式实时多任务操作系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强的特点。用户界面基于MiniGUI平台进行开发，极大地提高了人机交互性能。

 

图4 调试诊断仪硬件架构

8 结语

　　智能化、信息化是工程机械装备的发展方向，将先进的现场总线技术应用其中必将使装备智能化、信息化更易实现。文设计的基于CAN总线的工程设备控制系统具有功能完善、通用性好、使用方便等特点，并且技术架构先进，符合工程设备控制系统向分布式智能控制的总体发展方向。通过多项军用与民用设备的应用实践表明，系统工作可靠，实时性好，功能拓展方便，维修性和测试性好，具有良好的推广应用前景。

　　本文创新点是将CAN总线技术应用于工程设备控制系统，使其智能信息化程度高、通用性、维修性和测试性好，以提高工程设备的综合性能。通过相关设备控制系统的配套，成果应用已产生经济效益近20万元。

 

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