現(xiàn)場(chǎng)總線iCAN網(wǎng)絡(luò)在工程機(jī)械中的應(yīng)用

    CAN-bus 總線是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，最初被設(shè)計(jì)用作汽車電子控制單元（ECU：Electric Control Unit）的串行數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于歐洲的中高檔汽車中。近幾年來(lái)，由于CAN-bus 總線極高的可靠性、實(shí)時(shí)性，CAN-bus 總線開始進(jìn)入中國(guó)各個(gè)行業(yè)的數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用，并在2002 年被確定為電力通訊產(chǎn)品領(lǐng)域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

    CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)使用普通雙絞線作為傳輸介質(zhì)，采用直線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單條網(wǎng)絡(luò)線路可以連接到110 個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)通訊距離不大于40 米時(shí)，傳輸速率可達(dá)到1Mbps；當(dāng)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(dá)10 公里的通訊距離。CAN-bus 總線的適用范圍：可適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)目比較多，傳輸距離在10 公里以內(nèi)，安全性、可靠性要求高的場(chǎng)合；也可適用于對(duì)實(shí)時(shí)性、安全性要求十分嚴(yán)格的機(jī)械控制網(wǎng)絡(luò)。

    目前，國(guó)內(nèi)的汽車、電梯行業(yè)已是CAN-bus 應(yīng)用的典型領(lǐng)域，工業(yè)控制、智能樓宇、煤礦設(shè)備等行業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用。

    二、CAN-bus 總線在工程機(jī)械中的應(yīng)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(yīng)用，工程機(jī)械控制系統(tǒng)的性能和集成度已經(jīng)有了很大的提高。而CAN-bus 總線由于良好性能，特別適合于工程機(jī)械中各電子單元之間的互連通訊。隨著CAN-bus 總線技術(shù)的引入，工程機(jī)械中基于CAN-bus 總線的分布式控制系統(tǒng)取代原有的集中式控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的復(fù)雜的線束被CAN-bus 總線所代替：系統(tǒng)中各種控制器、執(zhí)行器以及傳感器之間通過(guò)CAN-bus 總線連接，線纜少、易敷設(shè)，實(shí)現(xiàn)成本低，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活，信號(hào)傳輸可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。

    目前CAN-bus 總線技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用越來(lái)越普遍。國(guó)際上一些著名的工程機(jī)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 總線技術(shù)，大大提高了整機(jī)的可靠性、可檢測(cè)和可維修性，同時(shí)提高了智能化水平。而在國(guó)內(nèi)，CAN-bus總線控制系統(tǒng)也開始在工程汽車的控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，在工程機(jī)械行業(yè)中也正在逐步推廣應(yīng)用。

    三、iCAN 網(wǎng)絡(luò)在工程機(jī)械中的應(yīng)用

    1．iCAN 網(wǎng)絡(luò)的介紹

    iCAN 協(xié)議即“Industry CAN-bus Application Protocol”，是現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus 的應(yīng)用層協(xié)議之一，具有理解簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、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 總線和iCAN 協(xié)議的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目標(biāo)就是解決用戶在CAN-bus 應(yīng)用領(lǐng)域中的通訊控制或者數(shù)據(jù)采集問(wèn)題。

    將CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層、物理層與一個(gè)高效的用戶層結(jié)合在一起，既可以保障底層使用CAN-bus 總線的高效、實(shí)時(shí)、可靠的特點(diǎn)，又能夠建立一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)、成本較低、效率良好的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)方案。這就形成了一個(gè)基于現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus 的完整通訊網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)采集方案，也就是iCAN 網(wǎng)絡(luò)的誕生。
 
    iCAN 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建非常靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低；并且iCAN 網(wǎng)絡(luò)具有易于組態(tài)，安裝、運(yùn)行、維護(hù)簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。iCAN 網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)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(shè)備。

圖1 iCAN網(wǎng)絡(luò)的組成

    iCAN 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)與核心是iCAN 協(xié)議。iCAN 協(xié)議是國(guó)內(nèi)對(duì)于CAN-bus 系統(tǒng)應(yīng)用的一種全新嘗試。iCAN 協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)單/可靠/穩(wěn)定的CAN-bus 應(yīng)用層協(xié)議。

    在iCAN 協(xié)議的設(shè)計(jì)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(yán)謹(jǐn)和完善的，并經(jīng)過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證。

    制定iCAN 協(xié)議是一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)過(guò)程。這里主要考慮了一些關(guān)鍵因素：

    ·CAN 報(bào)文的分配
    ·數(shù)據(jù)通訊的實(shí)現(xiàn)
    ·網(wǎng)絡(luò)管理
    ·設(shè)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(shù)據(jù)可靠性，令基于iCAN 協(xié)議的各個(gè)總線節(jié)點(diǎn)能夠組成一個(gè)有機(jī)的整體網(wǎng)絡(luò)；另一方面，通過(guò)在iCAN協(xié)議設(shè)備建模方面的嘗試，可以使產(chǎn)品描述標(biāo)準(zhǔn)化，協(xié)議發(fā)展具有可延續(xù)性，保障后續(xù)產(chǎn)品開發(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(jù)需要增加CAN-bus 網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋設(shè)備，以適應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和通訊距離，以及用戶終端設(shè)備在安裝、布線等方面的要求。通過(guò)CAN-bus 網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋設(shè)備，iCAN 網(wǎng)絡(luò)也可以方便地互連其它類型的網(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(jī)械中iCAN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    在工程機(jī)械中iCAN網(wǎng)絡(luò)主要由工控微機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)PC-CAN接口卡以及iCAN模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2

    工控微機(jī)通過(guò)CAN-bus 接口卡接入CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)中，與總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，管理系統(tǒng)中各個(gè)iCAN 模塊及其它設(shè)備；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各設(shè)備參數(shù)監(jiān)控、顯示、人機(jī)界面以及各種控制功能。iCAN 模塊實(shí)現(xiàn)傳感器的信號(hào)采集，并實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)輸出功能。

    根據(jù)工程機(jī)械中的傳感器、控制器類型的不同，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(jī)等系統(tǒng)中傳感器的信號(hào)，并傳送到總線上；輸出端口根據(jù)來(lái)自總線上的控制信息操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成對(duì)于液壓等系統(tǒng)的控制。

    iCAN 網(wǎng)絡(luò)在工程機(jī)械中的應(yīng)用，避免了復(fù)雜的信號(hào)連線，使控制系統(tǒng)的安裝為何簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，應(yīng)用靈活，并能夠保證控制的實(shí)時(shí)性。

四、應(yīng)用實(shí)例：起重力矩限制系統(tǒng)

    1．簡(jiǎn)介

    起重力矩限制系統(tǒng)為汽車起重機(jī)控制系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)起重機(jī)械中長(zhǎng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器等輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作時(shí)起重力矩的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保證起重機(jī)工作在安全狀態(tài)下。而且該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄起重機(jī)作業(yè)中的危險(xiǎn)工況，為事故的分析處理提供可靠的依據(jù)。

    該系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r(shí)采集長(zhǎng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的輸出數(shù)據(jù)，其中長(zhǎng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的信號(hào)輸出類型主要為電壓或者電流信號(hào)，傳感器信號(hào)的通道共有4 路。此外系統(tǒng)要求提供4 路數(shù)字量輸出通道。

    2．解決方案

    起重力矩限制系統(tǒng)的CAN-bus解決方案為：系統(tǒng)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(shù)字量輸入輸出模塊。起重力矩限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖 3 所示：

圖3

    1）PC104-CAN2I 雙路CAN 接口卡作為CAN 網(wǎng)絡(luò)主控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)據(jù)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(qiáng)了系統(tǒng)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(qiáng)，保障長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定可靠。

    2）iCAN-4017 模擬量輸入模塊主要技術(shù)參數(shù)如下：

    單電源供電，供電電壓：＋10V～+30V DC；

    8 路模擬量輸入通道；

    16 位分辨率ADC；

    電壓輸入范圍：±10V （默認(rèn)）、±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(tǒng)中長(zhǎng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的輸出數(shù)據(jù)。

    3）iCAN-4050 數(shù)字量輸入輸出模塊主要技術(shù)參數(shù)如下：

 
    單電源供電，供電電壓：＋10V～+30V DC；

    8 路開關(guān)量輸入通道；

    8 路開關(guān)量輸出通道；

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

    開關(guān)量輸出信號(hào)：集電極開漏輸出，最大負(fù)載電壓+30V，電流30mA。采用iCAN-4050 數(shù)字量輸入輸出模塊四路輸出通道用于提供數(shù)字量輸出信號(hào)。

    3．系統(tǒng)說(shuō)明

    起重力矩限制系統(tǒng)通過(guò)iCAN 模塊檢測(cè)各傳感器的信號(hào)，各模塊通過(guò)CAN 總線將傳感器數(shù)據(jù)傳送到控制主機(jī)進(jìn)行處理，系統(tǒng)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)界面上。該系統(tǒng)能夠警示危險(xiǎn)工況，診斷并排除故障。在危險(xiǎn)工況下，通過(guò)實(shí)時(shí)地控制輸出模塊，使系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，防止事故的發(fā)生。

    起重力矩限制系統(tǒng)軟件采用VC++開發(fā)。系統(tǒng)軟件對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)工作狀態(tài)，并以圖形化的界面顯示，在危險(xiǎn)狀態(tài)下及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，并可以根據(jù)鍵盤指令進(jìn)行相應(yīng)的控制。

    在起重力矩限制系統(tǒng)中采用了iCAN-4017 模塊以及iCAN-4050 模塊各一個(gè)。在滿足系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)之上，模擬量輸入、數(shù)字量輸入以及開關(guān)量輸出均有剩余通道，可以方便未來(lái)產(chǎn)品功能的擴(kuò)展。

    該起重力矩限制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：通過(guò)CAN-bus 總線實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器信號(hào)的采集以及輸出裝置的控制，使得系統(tǒng)十分容易構(gòu)建，布線安裝十分方便；同時(shí)系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、實(shí)時(shí)響應(yīng)性好。而且通過(guò)CAN-bus 總線的應(yīng)用，使該起重力矩限制系統(tǒng)的很容易作為一個(gè)子系統(tǒng)嵌入到起重機(jī)的控制系統(tǒng)中。

    通過(guò)實(shí)際的運(yùn)行測(cè)試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，維護(hù)接口方便，性能價(jià)格比較高。

    五、結(jié)論

    CAN-bus 總線的應(yīng)用使工程機(jī)械控制系統(tǒng)功能具有良好的可擴(kuò)展性，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)各分系統(tǒng)得集中監(jiān)測(cè)和管理。此外CAN-bus 總線的應(yīng)用使用戶的使用、維護(hù)、故障診斷更加靈活和方便，例如起重機(jī)在出廠調(diào)試時(shí)，工廠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以通過(guò)CAN-bus 總線訪問(wèn)其控制系統(tǒng)，記錄保存調(diào)試數(shù)據(jù)，以作為在故障時(shí)維修的原始參考數(shù)據(jù)。

    隨著CAN-bus 總線在工程機(jī)械中的不斷應(yīng)用，必將大大提高工程機(jī)械的可靠性、可檢測(cè)、可維修性以及智能化水平。依靠強(qiáng)大的專業(yè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)、NXP 半導(dǎo)體的領(lǐng)先技術(shù)，我們始終執(zhí)著于工程機(jī)械行業(yè)中CAN-bus 總線的應(yīng)用推廣，為客戶提供更多的優(yōu)質(zhì)的解決方案。