工程設備CAN總線控制系統(tǒng)設計

1 引言

　　工程設備的數(shù)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)開始進行相關技術的探索，高新技術大量應用于先進的工程設備設計中。同時,以微計算機為代表的智能控制器被大量采用，智能節(jié)點間的信息流量空前增加。將車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(xiàn)場總線技術是指把單個分散的測量控制設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通訊息、共同完成自控任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。CAN（Controller Area Network）總線,又稱控制域局域網(wǎng)，屬于總線式串行通信網(wǎng)絡，最早由BOSCH公司在80年代提出，由于可靠性高、實時性強、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總線技術，提高設備的整體控制技術水平。

　　根據(jù)CAN總線的技術特點，本文設計了一種基于CAN總線的工程設備控制系統(tǒng)，通過分布式智能控制來提高工程設備的控制技術和信息化水平。

2 系統(tǒng)組成與功能特點

　　2.1 系統(tǒng)組成

　　傳統(tǒng)的工程裝備控制系統(tǒng)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總線的控制系統(tǒng)采用分布式智能總線控制，將各功能模塊做成智能終端，再通過CAN總線連接，并輔之以一定的通訊協(xié)議，這樣不僅提高了整個系統(tǒng)的可靠性及智能化水平，同時降低了系統(tǒng)的復雜程度。

　　系統(tǒng)由主控制器、操縱盒、傳感器、執(zhí)行機構和虛擬儀表等組成，各部件采用CAN總線互聯(lián)。主控制器負責系統(tǒng)的信息協(xié)調(diào)與處理;作業(yè)終端是作業(yè)手對作業(yè)過程進行干預的主要手段;傳感器負責感知系統(tǒng)的狀態(tài);執(zhí)行器負責完成經(jīng)主控制器處理后的動作;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(diào)試診斷儀負責定位系統(tǒng)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，只要給它們分配不同的標識符（ID號）即可，各模塊通過4芯屏蔽電纜并聯(lián)起來，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(tǒng)組成如圖1所示。

　　2.2 系統(tǒng)功能特點

　　與傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)相比，本控制系統(tǒng)具有如下功能特點：

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

　?。?） 作業(yè)向?qū)Чδ?。操縱盒的智能化和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享使得設計人員可以根據(jù)作業(yè)過程，通過軟件編程點亮相應的指示燈，告知作業(yè)手許可的操作。實現(xiàn)器材操作的“傻瓜”化;

　　（3） 系統(tǒng)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)進行診斷，并向總線發(fā)送相關信息供其它智能節(jié)點處理用，使器材使用者不用掌握太多的專業(yè)知識就可以容易地判斷問題所在;同時對于總線內(nèi)部錯誤，總線系統(tǒng)可以通過自身軟件進行自動恢復

　　（4） 狀態(tài)指示。通過虛擬儀表或操縱盒指示燈指示器顯示系統(tǒng)當前狀態(tài)。

　?。?） 數(shù)據(jù)共享，信息全面，可靠性高。系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都可在CAN總線上接收到，可以很容易地實現(xiàn)信息共享，減少了數(shù)據(jù)的重復處理，降低了對主控制器的要求;同時CAN總線具有線間干擾小、抗干擾能力強的特點。系統(tǒng)采用模塊化管理，各模塊按其功能分散布置，簡化了布線并縮短了線束的長度，從而降低了耦合電流的產(chǎn)生，減小了線間干擾。同時在軟件上，CAN總線采用短幀傳輸，這樣使總線數(shù)據(jù)報文在傳輸過程中有較強的抗干擾能力;

　?。?） 擴充性強，產(chǎn)品升級快，性價比高。

　?。?） 參數(shù)配置靈活?？梢酝ㄟ^CAN總線進行參數(shù)配置，如開關量可以根據(jù)廠家需求設置其門限及控制極性（正負控），模擬量可根據(jù)廠家提供的傳感器性能曲線進行校正，相關位置量也可以方便地進行總線標定，縮短產(chǎn)品調(diào)試時間。

3 總線通訊協(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 通信層的定義與開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型一致，但只定義了最下面兩層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。由于沒有規(guī)定應用層，因此CAN協(xié)議本身并不完整，需要一個應用層協(xié)議來定義CAN報文中的標識符（11/29位）、8字節(jié)數(shù)據(jù)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(jié)點一般不多，完全可以根據(jù)自身特點，設計高效的應用層協(xié)議。下面給出幾個實用的設計方法。

　　3.1 報文ID的設計

　　在通信標識符，即ID號分配時，對于關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時反饋信號的各作業(yè)機構到位信號;對于傳遞僅用于監(jiān)測而不參與實時控制信號的信息幀應采用高ID號，如油溫、油壓、車姿等狀態(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(jié)點不相干的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)送與查詢發(fā)送

　　對于參與控制的重要信息幀一般應采取定時循環(huán)發(fā)送方式，保證信息的實時刷新;而對于軟硬件版本查詢、參數(shù)標定等需要臨時數(shù)據(jù)服務的則主要采用C/S（客戶機/服務器）方式進行信息幀發(fā)送，即進行特定的信息幀定義，當服務器收到客戶機的參數(shù)查詢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(shù)據(jù)源節(jié)點退出總線后（故障或人為退出），接收節(jié)點相應的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)必須進行復位，防止數(shù)據(jù)不一致造成非期望事件發(fā)生。因此，一般要求源節(jié)點定時發(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(jié)點的“心跳”，節(jié)點啟動工作后每隔一定時間發(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間內(nèi)沒有收到該節(jié)點“心跳”信息，則可以判斷節(jié)點不在總線上，進而做出相應的事件處理。

　　3.4 傳輸錯誤檢驗

　　為了提高數(shù)據(jù)通訊的可靠性，對于關鍵數(shù)據(jù)幀（如標定數(shù)據(jù)幀），采用和校驗的方式防止數(shù)據(jù)傳輸錯誤，即數(shù)據(jù)源節(jié)點將最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)定義為校驗字節(jié)，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(jié)）作為校驗數(shù)據(jù)值。數(shù)據(jù)接收節(jié)點收到數(shù)據(jù)幀后，通過運算進行比較，結果無誤后再進行相應的賦值處理。

　　3.5 數(shù)據(jù)查詢與參數(shù)標定

　　數(shù)據(jù)查詢和標定采用重復發(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總線作業(yè)終端設計

　　將作業(yè)終端設計成一個智能節(jié)點，采用CAN總線通信，則可以減少連接線纜芯數(shù)的數(shù)量，提高工作可靠性;同時數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)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。

　?。?）硬件設計

　　基于帶CAN總線控制器的單片機PIC18F458系統(tǒng)設計，通過CAN總線收發(fā)器MCP2551與其它節(jié)點總線相連，外圍有開關量輸入電路、模擬量輸入電路、數(shù)碼管顯示電路、開關量輸出電路、CAN收發(fā)器和電源電路等，見圖3。

5 主控制器設計

　　主控制器為主要的操作信號采集的執(zhí)行單元，它將系統(tǒng)的操縱信號進行防誤操作處理后控制作業(yè)機構的執(zhí)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(nèi)外工程機械中應用較廣泛，具有兩個CAN通訊口，本身即可兼做多協(xié)議的網(wǎng)關。該型控制器具有以下優(yōu)點：抗電磁干擾、抗振動、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，可以長期在野外惡劣環(huán)境條件下工作，可以直接驅(qū)動多種執(zhí)行器，如電液比例閥、伺服馬達等，特別適用于移動設備的使用。當然，就CAN系統(tǒng)作業(yè)集成角度來看，STW，INTER CONTROL等控制器的性能也較好，各有其特色，可以根據(jù)控制需求進行選擇。

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(tǒng)的硬件，硬件配置表如表1所示，軟件采用實時性好的VxWorks操作系統(tǒng)，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(shù)據(jù)標定、視頻顯示等，提供了良好的人機交互界面，并可以通過RS232接口接入導航定位信息，提高裝備的信息化程度。

7 CAN總線調(diào)試診斷儀設計

　　調(diào)試診斷儀基于BIT技術，采用嵌入式系統(tǒng)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(nèi)部集成多級流水線以提高處理器指令的執(zhí)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)絡通信等功能集于一體，特別適合作為智能儀器設備的開發(fā)平臺。HMS30C7202是基于ARM720T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，片內(nèi)資源非常豐富，具有極高的集成度，非常適用于嵌入式系統(tǒng)應用。調(diào)試診斷設備硬件由基于ARM芯片HMS30C7202的核心模塊加外圍電路組成，見圖4。為了充分發(fā)揮ARM芯片的效率，提高任務級的響應時間，采用實時內(nèi)核µC/OS-II來進行資源管理。µC/OS-II是一個完整、可移植的搶占式實時多任務操作系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強的特點。用戶界面基于MiniGUI平臺進行開發(fā)，極大地提高了人機交互性能。

8 結語

　　智能化、信息化是工程機械裝備的發(fā)展方向，將先進的現(xiàn)場總線技術應用其中必將使裝備智能化、信息化更易實現(xiàn)。文設計的基于CAN總線的工程設備控制系統(tǒng)具有功能完善、通用性好、使用方便等特點，并且技術架構先進，符合工程設備控制系統(tǒng)向分布式智能控制的總體發(fā)展方向。通過多項軍用與民用設備的應用實踐表明，系統(tǒng)工作可靠，實時性好，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)新點是將CAN總線技術應用于工程設備控制系統(tǒng)，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。通過相關設備控制系統(tǒng)的配套，成果應用已產(chǎn)生經(jīng)濟效益近20萬元。