名稱:工程設(shè)備CAN總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1引言
工程設(shè)備的數(shù)字化、信息化及施工管理一體化是當(dāng)前工程設(shè)備的發(fā)展熱潮，自20世紀(jì)90年代始，發(fā)達(dá)國(guó)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(yīng)用于先進(jìn)的工程設(shè)備設(shè)計(jì)中。同時(shí)，以微計(jì)算機(jī)為代表的智能控制器被大量采用，智能節(jié)點(diǎn)間的信息流量空前增加。將車(chē)載電子設(shè)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(dá)到資源和功能的共享已成為發(fā)展趨勢(shì)。
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是指把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)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(wù)的網(wǎng)絡(luò)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(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(qiáng)、靈活方便，便于檢測(cè)維護(hù)，因而被廣泛應(yīng)用。在工程設(shè)備領(lǐng)域，美國(guó)CAT公司生產(chǎn)的CAT980G裝載機(jī)，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(shù)，提高設(shè)備的整體控制技術(shù)水平。
根據(jù)CAN總線的技術(shù)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的工程設(shè)備控制系統(tǒng)，通過(guò)分布式智能控制來(lái)提高工程設(shè)備的控制技術(shù)和信息化水平。
2系統(tǒng)組成與功能特點(diǎn)
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(guò)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(gè)系統(tǒng)的可靠性及智能化水平，同時(shí)降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
系統(tǒng)由主控制器、操縱盒、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和虛擬儀表等組成，各部件采用CAN總線互聯(lián)。主控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的信息協(xié)調(diào)與處理；作業(yè)終端是作業(yè)手對(duì)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行干預(yù)的主要手段；傳感器負(fù)責(zé)感知系統(tǒng)的狀態(tài)；執(zhí)行器負(fù)責(zé)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(jī)界面，用文字或圖形的方式告知作業(yè)手器材當(dāng)前的狀態(tài)；調(diào)試診斷儀負(fù)責(zé)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(gè)，只要給它們分配不同的標(biāo)識(shí)符（ID號(hào)）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(fù)）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。
圖1基于CAN總線的智能控制系統(tǒng)組成
總線的智能控制系統(tǒng)組成
2.2系統(tǒng)功能特點(diǎn)
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(diǎn)：
（1）防誤操作功能。設(shè)計(jì)人員可以很容易地通過(guò)軟件編程屏蔽掉本系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的誤操作，而只開(kāi)放允許的操作，同時(shí)還可根據(jù)需要發(fā)出聲光報(bào)警，告知作業(yè)手有操作錯(cuò)誤；
（2）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(shè)計(jì)人員可以根據(jù)作業(yè)過(guò)程，通過(guò)軟件編程點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈，告知作業(yè)手許可的操作。實(shí)現(xiàn)器材操作的“傻瓜”化；
（3）系統(tǒng)自我診斷自我恢復(fù)。智能化終端可以方便地對(duì)自身的狀態(tài)進(jìn)行診斷，并向總線發(fā)送相關(guān)信息供其它智能節(jié)點(diǎn)處理用，使器材使用者不用掌握太多的專業(yè)知識(shí)就可以容易地判斷問(wèn)題所在；同時(shí)對(duì)于總線內(nèi)部錯(cuò)誤，總線系統(tǒng)可以通過(guò)自身軟件進(jìn)行自動(dòng)恢復(fù)
（4）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(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。
（5）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(shí)現(xiàn)信息共享，減少了數(shù)據(jù)的重復(fù)處理，降低了對(duì)主控制器的要求；同時(shí)CAN總線具有線間干擾孝抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用模塊化管理，各模塊按其功能分散布置，簡(jiǎn)化了布線并縮短了線束的長(zhǎng)度，從而降低了耦合電流的產(chǎn)生，減小了線間干擾。同時(shí)在軟件上，CAN總線采用短幀傳輸，這樣使總線數(shù)據(jù)報(bào)文在傳輸過(guò)程中有較強(qiáng)的抗干擾能力；（6）擴(kuò)充性強(qiáng)，產(chǎn)品升級(jí)快，性價(jià)比高。
（7）參數(shù)配置靈活?？梢酝ㄟ^(guò)CAN總線進(jìn)行參數(shù)配置，如開(kāi)關(guān)量可以根據(jù)廠家需求設(shè)置其門(mén)限及控制極性(正負(fù)控)，模擬量可根據(jù)廠家提供的傳感器性能曲線進(jìn)行校正，相關(guān)位置量也可以方便地進(jìn)行總線標(biāo)定，縮短產(chǎn)品調(diào)試時(shí)間。
3總線通訊協(xié)議設(shè)計(jì)
CAN通信協(xié)議主要描述設(shè)備之間的基于基本CAN通信的應(yīng)用程序信息傳遞方式。CAN通信層的定義與開(kāi)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(méi)有規(guī)定應(yīng)用層，因此CAN協(xié)議本身并不完整，需要一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議來(lái)定義CAN報(bào)文中的標(biāo)識(shí)符（11/29位）、8字節(jié)數(shù)據(jù)的分配與使用。目前國(guó)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(shè)備的控制節(jié)點(diǎn)一般不多，完全可以根據(jù)自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)高效的應(yīng)用層協(xié)議。下面給出幾個(gè)實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。
3.1報(bào)文ID的設(shè)計(jì)
在通信標(biāo)識(shí)符，即ID號(hào)分配時(shí)，對(duì)于關(guān)重信息幀或要求快速響應(yīng)的信息幀采用低號(hào)ID，如裝備控制中需要實(shí)時(shí)反饋信號(hào)的各作業(yè)機(jī)構(gòu)到位信號(hào)；對(duì)于傳遞僅用于監(jiān)測(cè)而不參與實(shí)時(shí)控制信號(hào)的信息幀應(yīng)采用高ID號(hào)，如油溫、油壓、車(chē)姿等狀態(tài)信息。
另外，在驗(yàn)收濾波器中對(duì)驗(yàn)收代碼寄存器（ACR）和驗(yàn)收屏蔽寄存器（AMR）正確設(shè)置可以屏蔽與該節(jié)點(diǎn)不相干的ID號(hào)信息，可以提高有效信息的響應(yīng)速度。
3.2報(bào)文的循環(huán)發(fā)送與查詢發(fā)送
對(duì)于參與控制的重要信息幀一般應(yīng)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(duì)于軟硬件版本查詢、參數(shù)標(biāo)定等需要臨時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)的則主要采用C/S（客戶機(jī)/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(dāng)服務(wù)器收到客戶機(jī)的參數(shù)查詢或標(biāo)定請(qǐng)求后再處理并發(fā)送相應(yīng)的回饋信息鄭
3.3“心跳”檢測(cè)
當(dāng)數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)退出總線后（故障或人為退出），接收節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行復(fù)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(diǎn)定時(shí)發(fā)送“心跳”信息，即設(shè)計(jì)一特定的信息幀或把特定信息幀中的某一位設(shè)計(jì)成代表該節(jié)點(diǎn)的“心跳”，節(jié)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(nèi)沒(méi)有收到該節(jié)點(diǎn)“心跳”信息，則可以判斷節(jié)點(diǎn)不在總線上，進(jìn)而做出相應(yīng)的事件處理。
圖2數(shù)據(jù)標(biāo)定流程圖
數(shù)據(jù)標(biāo)定流程圖
3.4傳輸錯(cuò)誤檢驗(yàn)
為了提高數(shù)據(jù)通訊的可靠性，對(duì)于關(guān)鍵數(shù)據(jù)幀（如標(biāo)定數(shù)據(jù)幀），采用和校驗(yàn)的方式防止數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，即數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)將最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)定義為校驗(yàn)字節(jié)，采用累加和等校驗(yàn)等方式，將運(yùn)算結(jié)果的低8位（即低位字節(jié)）作為校驗(yàn)數(shù)據(jù)值。數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)幀后，通過(guò)運(yùn)算進(jìn)行比較，結(jié)果無(wú)誤后再進(jìn)行相應(yīng)的賦值處理。
3.5數(shù)據(jù)查詢與參數(shù)標(biāo)定
數(shù)據(jù)查詢和標(biāo)定采用重復(fù)發(fā)送控制信息直到得到特定反饋信息才結(jié)束的通信方式，流程如圖2所示。
4 CAN總線作業(yè)終端設(shè)計(jì)
將作業(yè)終端設(shè)計(jì)成一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，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(shí)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(bào)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(yīng)性。
（1）硬件設(shè)計(jì)
基于帶CAN總線控制器的單片機(jī) PIC18F458系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)CAN總線收發(fā)器 MCP2551與其它節(jié)點(diǎn)總線相連，外圍有開(kāi)關(guān)量輸入電路、模擬量輸入電路、數(shù)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總線作業(yè)終端硬件原理框圖
總線作業(yè)終端硬件原理框圖
5主控制器設(shè)計(jì)
主控制器為主要的操作信號(hào)采集的執(zhí)行單元，它將系統(tǒng)的操縱信號(hào)進(jìn)行防誤操作處理后控制作業(yè)機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)，該系列控制器在國(guó)內(nèi)外工程機(jī)械中應(yīng)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(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、密封性好、具有自我保護(hù)能力的特點(diǎn)，可以長(zhǎng)期在野外惡劣環(huán)境條件下工作，可以直接驅(qū)動(dòng)多種執(zhí)行器，如電液比例閥、伺服馬達(dá)等，特別適用于移動(dòng)設(shè)備的使用。當(dāng)然，就CAN系統(tǒng)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(jù)控制需求進(jìn)行選擇。
6虛擬儀表設(shè)計(jì)
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(jì)算機(jī)系統(tǒng)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(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(biāo)定、視頻顯示等，提供了良好的人機(jī)交互界面，并可以通過(guò)RS232接口接入導(dǎo)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(shè)計(jì)
調(diào)試診斷儀基于BIT技術(shù)，采用嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，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(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成多級(jí)流水線以提高處理器指令的執(zhí)行速度，其強(qiáng)大功能與外圍電路的配合，將信號(hào)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(shè)備的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。 HMS30C7202是基于ARM720T的32位處理器，包括了PC機(jī)的所有基本功能。具有高性能低功耗的特點(diǎn)，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(yīng)用。調(diào)試診斷設(shè)備硬件由基于ARM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(jí)的響應(yīng)時(shí)間，采用實(shí)時(shí)內(nèi)核C/OS-II來(lái)進(jìn)行資源管理。C/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(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間孝實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。用戶界面基于MiniGUI平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，極大地提高了人機(jī)交互性能。
圖4調(diào)試診斷儀硬件架構(gòu)
調(diào)試診斷儀硬件架構(gòu)
◆ 企業(yè)名稱：廈門(mén)興潤(rùn)星貿(mào)易有限公司
◆ 企業(yè)性質(zhì)： 有限責(zé)任公司
◆ 主營(yíng)業(yè)務(wù)：DCS,PLC
◆ 經(jīng)營(yíng)模式： 貿(mào)易
◆ 貿(mào)易地區(qū)： 全國(guó)
◆ 聯(lián)系人:陽(yáng)先生
◆ 商務(wù)電話：0592-6895320
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本公司主營(yíng)產(chǎn)品：
DCS集散式控制系統(tǒng)、PLC可編程控制器、數(shù)控系統(tǒng)、
(CPU處理器、模塊、卡件、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)、工作站、驅(qū)動(dòng)器、
馬達(dá)、 內(nèi)存卡、 電源，機(jī)器人備件等)各類工控產(chǎn)品
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