基于CAN總線的平地機自動找平系統(tǒng)設計

2 自動找平系統(tǒng)總體設計
2．1 CAN總線簡介
    CAN(Controller Area Network)總線即控制器局域網，是應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，主要用于監(jiān)控各種過程設備。CAN總線作為一種多主方式的串行通訊總線，其基本設計規(guī)范要求高位速率和高抗電磁干擾性，而且能夠監(jiān)測產生的任何錯誤，具有成本低、總線利用率高、數據傳輸距離遠(長達10 km)、數據傳輸速率高(高達1 Mb／s)、可靠的錯誤處理和檢錯機制以及發(fā)送的信息遭到破壞后可自動重發(fā)等特性；CAN總線作為一種技術先進、可靠性高、功能完善與成本合理的遠程網絡通訊控制方式，已廣泛應用于各個自動化控制系統(tǒng)。因此，CAN總線具有不可比擬的優(yōu)越性。
2．2 系統(tǒng)總體結構
    自動找平系統(tǒng)可使平地機按照操作員預先設定的縱坡和橫坡值進行自動控制，從而使平地機自動操作，保證平地機按照設定值精確平整路面。該控制系統(tǒng)包括橫坡、縱坡傳感器、比例閥組、操作界面以及控制器，如圖1所示。

    其中橫坡、縱坡傳感器測量鏟刀的位置參數信息、比例閥組控制鏟刀油缸、操作界面用于設定系統(tǒng)參數、施丁參數及顯示鏟刀實時位置參數信息，而控制器則用于接收傳感器采集的實時信息。
    傳感器及操作界面通過CAN總線與控制器相連，控制器的信號輸出端與比例閥組的信號輸入端相連，比例閥組與平地機的液壓系統(tǒng)相連。
2．3 系統(tǒng)工作腺理
    采用縱坡傳感器和橫坡傳感器分別測量鏟刀的縱坡、橫坡值，將測量到的實時信息通過CAN總線傳送至控制器?？刂破鲗⑵渑c保存在系統(tǒng)中的設定值相比較，再將相應的PWM信號輸出到比例閥組。比例閥組控制鏟刀油缸進行相應升降，從而保證系統(tǒng)按照設定的橫坡值及縱坡值精確施工。

3 系統(tǒng)硬件設計
3．1 系統(tǒng)組成原理及接口電路
    基于CAN總線的單片機平地機自動找平系統(tǒng)的組成原理如圖2所示，其中硬件設計的關鍵是單片機與總線之間的接口設計，具體接口電路設計如圖3所示。

    數據采集點中的單片機通過輸入模塊采集模擬量和開關量，并對其處理，傳輸至CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動CAN控制器發(fā)送命令，此時CAN控制器將自動向總線發(fā)送數據，無需單片機干預。若系統(tǒng)中有多個CAN控制器同時向總線發(fā)送數據，則CAN控制器通過信息幀中的標識符進行仲裁，標識符數值最小的CAN控制器優(yōu)先使用總線。當控制器執(zhí)行節(jié)點中的CAN控制器監(jiān)測到總線上有數據時，其自動接收總線上的數據，并將該數據存入接收緩沖區(qū)，并向單片機發(fā)送接收中斷，啟動單片機中斷接收程序，從CAN控制器的接收緩沖區(qū)讀取數據，并對其處理后通過輸出模塊輸出，從而控制被控對象。
3．2 液晶顯示接口電路設計
    液晶顯示接口模塊用于顯示平地機作業(yè)過程中工作狀態(tài)：設定系統(tǒng)控制參數；提交控制命令，其接口電路如圖4所示。該液晶顯示模塊有4個按鍵輸入信號，分別是A/M鍵、設定鍵、上升鍵和下降鍵。A/M鍵設置控制器工作狀態(tài)，手動、自動切換。設定鍵設定系統(tǒng)參數和施工參數，例如橫坡值、縱坡值、靈敏度及控制范圍等。上升、下降鍵在自動模式下配合設定值調節(jié)系統(tǒng)的各項參數，而在手動模式下這兩個按鍵直接控制鏟刀的升降。

4 系統(tǒng)軟件設計
4．1 CAN控制器軟件設計
    圖5為CAN控制器的軟件流程，其中系統(tǒng)初始化包括程序緩沖初始化、CAN控制器初始化、中斷初始化、SOC外圍I／O配置及SOC晶振配置等；判斷冷熱啟動是防止在接收到有效發(fā)送請求幀后檢測發(fā)送方式或發(fā)送請求丟失；判斷是否接收是為配合主控制多傳感器分時接收控制。單片機接收來自總線的橫坡、縱坡監(jiān)測值后，設置PWM脈寬，并輸出方波。

4．2 系統(tǒng)通信軟件設計
    系統(tǒng)通信軟件設計主要包括CAN初始化、數據的發(fā)送及接收3部分。初始化主要包括設置工作方式、接收濾波方式、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器、波特率參數和中斷允許寄存器等。在初始化這些寄存器之前，必須確保系統(tǒng)進入復位狀態(tài)。圖6為系統(tǒng)通信軟件流程。

    發(fā)送子程序負責節(jié)點報文的發(fā)送。發(fā)送時，只需將待發(fā)送的一幀報文送入SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動SJA1000發(fā)送即可。在向SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送報文之前，必須先判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否為空。
    接收子程序負責節(jié)點子程序的接收和其他情況處理。在處理報文時，同時要處理一些情況，如總線關閉、錯誤報警等。單片機響應接收中斷后讀取SJA1000接收緩沖區(qū)數據并保存，再清空SJA1000接收緩沖器。
4．3 系統(tǒng)控制策略
    由于平地機的平地精度與其行駛速度、發(fā)動機轉速、負載力等諸多因素有關，因此難以建立精確的數學模型。為了對平地機實施實時控制，最好采用一種簡便、快速且無需被控系統(tǒng)并具有精確的數學模型的控制方法。例如：模糊控制不要求被控對象有精確的數學模型，但單獨使用模糊控制不易消除穩(wěn)態(tài)誤差，采用模糊控制與PID控制相結合，利用模糊控制實時修正PID參數，則可提高系統(tǒng)的控制精度和魯棒性，并具有較好的實用性。

5 結束語
    本文設計的平地機自動找平系統(tǒng)可使平地機按照操作員預先設定的縱坡及橫坡值進行自動控制，從而實現(xiàn)平地機的自動操作，保證平地機按照設定值進行精確平整。該系統(tǒng)具有精度高、操作簡單、效率高、節(jié)省材料和投資等優(yōu)點。采用CAN總線通信方式使整個系統(tǒng)的結構更緊湊，系統(tǒng)更加可靠，更具有實用性，且易于系統(tǒng)及功能擴展。