基于CAN總線嵌入式工程機(jī)械控制系統(tǒng)研究

摘 要：通過 CAN總線實現(xiàn)對各傳感器信號的采集以及輸出裝置的控制，使得系統(tǒng)容易構(gòu)建，布線安裝方便；同時系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、實時響應(yīng)性好。而且通過CAN總線的應(yīng)用，使該起重力矩控制系統(tǒng)能夠作為一個子系統(tǒng)嵌入到其他工程機(jī)械的控制系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：CAN總線；嵌入工程機(jī)械；控制系統(tǒng)

中圖分類號：T-1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-291X（2012）04-0336-02

隨著嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)逐步應(yīng)用到工程機(jī)械控制系統(tǒng)中，其性能和集成度也隨之得到了很大的提高，這使得其操作更便利、安全性更高。工程機(jī)械采用基于集中控制方式的方案，使用多個ECU 單元并行工作，各ECU 之間的通訊越來越復(fù)雜，必然導(dǎo)致了更多的信號連接線，使控制系統(tǒng)安裝、維護(hù)煩瑣，運行的可靠性、應(yīng)用的靈活性降低，維修難度增大。為提高系統(tǒng)中信號的利用率，要求有大量的數(shù)據(jù)信息在不同的控制單元中共享，大量的控制信號也需要實時交換。因此，工程機(jī)械控制中傳統(tǒng)的集中控制式系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代工程機(jī)械對通訊功能的要求。如何提高系統(tǒng)的性能，開發(fā)通訊應(yīng)用的靈活性和方便性，降低使用和維護(hù)的成本不僅是現(xiàn)代工程機(jī)械必須解決的問題，也正是 CAN總線在工程機(jī)械控制系統(tǒng)中的應(yīng)用能夠有效解決這些問題。

一、CAN系列功能模塊簡介

CAN系列功能模塊主要針對工業(yè)應(yīng)用設(shè)計，適用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域。CAN 系列功能模塊通過隔離電源供電，在模塊內(nèi)部輸入輸出單元與控制單元之間采用光電隔離，并對輸入信號采取濾波措施，極大地降低了工業(yè)現(xiàn)場干擾對模塊正常運行的影響，使模塊具有良好的可靠性，完全符合工業(yè)應(yīng)用的需要。此外CAN 系列功能模塊采用表面安裝工藝，大大提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。將CAN系列功能模塊、ZLG系列CAN接口卡組建成一個可靠控制、易于開發(fā)的CAN總線應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)以及在工程機(jī)械控制網(wǎng)絡(luò)中快速應(yīng)用的方法。通過 CAN總線實現(xiàn)對各傳感器信號的采集以及輸出裝置的控制，使得系統(tǒng)容易構(gòu)建，布線安裝方便；同時系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、實時響應(yīng)性好。而且通過CAN總線的應(yīng)用，使該起重力矩控制系統(tǒng)能夠作為一個子系統(tǒng)嵌入到其他工程機(jī)械的控制系統(tǒng)中。

二、工程機(jī)械控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在20世紀(jì)工程機(jī)械誕生和發(fā)展的五十年中，它在人類改造自然的過程中發(fā)揮了巨大的作用，從二戰(zhàn)以后的經(jīng)濟(jì)恢復(fù)期、經(jīng)濟(jì)高速增長期到現(xiàn)在的經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展期間，工程機(jī)械在能源開發(fā)、交通建設(shè)、建筑等方面發(fā)揮了巨大的作用。特別是改革開放以來，中國工程機(jī)械行業(yè)目前已經(jīng)逐步走向規(guī)模化發(fā)展方向。各種各樣的設(shè)備生產(chǎn)及零部件加工基本能夠滿足國內(nèi)外一般市場需求，但由于中國許多的生產(chǎn)廠家至今沒有掌握當(dāng)今世界工程機(jī)械制造領(lǐng)域里最頂尖的核心技術(shù)，如挖掘機(jī)等設(shè)備里必不可少的大流量泵、閥、缸、變速箱、過橋等產(chǎn)品的精密制造技術(shù)和熱處理技術(shù)，使絕大部分產(chǎn)品在國際主流市場上處于二、三流產(chǎn)品的地位，價格僅為世界一流產(chǎn)品的1/2或1/3。與日本企業(yè)生產(chǎn)的各類工程機(jī)械每年出口量為全國總產(chǎn)量的60%，韓國為70%，美國和德國差不多為50%相比，我們的差距是顯而易見。因此，有必要進(jìn)行對工程機(jī)械等設(shè)備的研究與開發(fā)。

中國的工程機(jī)械行業(yè)總體水平與國際先進(jìn)水平相比，要落后大約15年，但是中國的工程機(jī)械行業(yè)也具備了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，可以生產(chǎn)16大類，219個系列，1 000多個型號，3 000多個品種的各類機(jī)械工程產(chǎn)品，產(chǎn)品主要供應(yīng)國內(nèi)市場。國外進(jìn)口的工程機(jī)械在中國工程應(yīng)用中，占40%，國產(chǎn)的產(chǎn)品占60%。

“十一五” 期間，雖然國內(nèi)企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)和老產(chǎn)品更新速度加快但是借鑒國際先進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)移植或重新“克隆”的較多。雖然改變了機(jī)型其中核心技術(shù)、關(guān)鍵零部件自主開發(fā)的少造成這種現(xiàn)象的主要原因是技術(shù)開發(fā)力量薄弱投入的開發(fā)資金有限。目前只有少數(shù)幾個企業(yè)集團(tuán)技術(shù)開發(fā)水平達(dá)到或接近發(fā)達(dá)國家水平但產(chǎn)品總體技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距。尤其是大型施工成套設(shè)備國產(chǎn)化率很低如大型土石方施工機(jī)械、大型架橋機(jī)、大型箱型混凝土梁轉(zhuǎn)運機(jī)、盾構(gòu)機(jī)與全斷面掘進(jìn)機(jī)成套設(shè)備、高等級公路大型瀝青混凝土再生成套設(shè)備等領(lǐng)域主要依靠國外直接進(jìn)口或利用國外先進(jìn)技術(shù)合作生產(chǎn)。另外，國外先進(jìn)企業(yè)以電子、信息技術(shù)為先導(dǎo)在計算機(jī)故障診斷與監(jiān)控、精確定位與作業(yè)發(fā)動機(jī)燃料控制和人機(jī)工程學(xué)等方面進(jìn)行了大量的研究與開發(fā)提高了產(chǎn)品的技術(shù)含量而國內(nèi)只有極少數(shù)產(chǎn)品達(dá)到了信息化和智能化水平。

目前中國工廠機(jī)械產(chǎn)品平均無故障間隔時間為200~300小時不等，而國際先進(jìn)水平已達(dá)到500~800小時，不采用進(jìn)口發(fā)動機(jī)的大修期壽命只有4 000~5 000小時，而國際先進(jìn)水平已達(dá)到8 000~10 000小時，功率超過200千瓦大型產(chǎn)品達(dá)到近20 000小時可見產(chǎn)品可靠性和大修期壽命是中國工程機(jī)械缺乏國際競爭力的主要問題工程機(jī)械整機(jī)可操作性和使用壽命，60%~70%故障來自于零部件及發(fā)動機(jī)，其中，柴油發(fā)動機(jī)是衡量整機(jī)水平的主要指標(biāo)之一，液壓元件和傳動變速箱等部件是否漏油和工作可靠性是影響整機(jī)水平的關(guān)鍵因素。中國工程機(jī)械制造業(yè)總體規(guī)模已進(jìn)入國際生產(chǎn)大國行列，但總體競爭和發(fā)展后勁仍無法與發(fā)達(dá)國家相抗衡，目前國內(nèi)高端用戶和出口產(chǎn)品配套的基礎(chǔ)零部件主要依靠進(jìn)口。

自20世紀(jì)90年代以來，國外工程機(jī)械進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期，在廣泛應(yīng)用新技術(shù)的同時，不斷涌現(xiàn)出新結(jié)構(gòu)和新產(chǎn)品。繼完成提高整機(jī)可靠性任務(wù)之后，技術(shù)發(fā)展的重點變?yōu)樵黾赢a(chǎn)品的電子信息技術(shù)含量，努力完善產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，改善駕駛?cè)藛T的工作條件，向節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展。

近幾年，國外工程機(jī)械產(chǎn)品以信息技術(shù)為先導(dǎo)，在發(fā)動機(jī)燃料燃燒與電控、液壓控制系統(tǒng)、自動操縱、可視化駕駛、精確定位與作業(yè)、故障診斷與監(jiān)控、節(jié)能與環(huán)保等方面，進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)出許多新結(jié)構(gòu)（或系統(tǒng)）和新產(chǎn)品，提高了工程機(jī)械的高科技含量，促進(jìn)了工程機(jī)械的發(fā)展。

三、CAN總線嵌入式工程機(jī)械控制系統(tǒng)的要求及其難點

近年來，隨著建筑施工和資源開發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大，對工程機(jī)械需求量迅速增加，因而對其可靠性、維修性、安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性也提出了以下更高的要求：一是系列化、特大型化要求。系列化是工程機(jī)械發(fā)展的重要趨勢。著名大公司逐步實現(xiàn)其產(chǎn)品系列化進(jìn)程，形成了從微型到特大型不同規(guī)格的產(chǎn)品。與此同時，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期明顯縮短。所謂特大型工程機(jī)械，是指其裝備的發(fā)動機(jī)額定功率超過746kW （1 000HP）。二是多功能化、多用途、超小型化、微型化為了全方位地滿足不同用戶的需求。工程機(jī)械在朝著系列化、特大型化方向發(fā)展的同時，已進(jìn)入多用途、超小型化、微型化發(fā)展階段。推動這一發(fā)展的因素首先源于液壓技術(shù)的發(fā)展——通過對液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計，使得工作裝置能夠完成多種作業(yè)功能；為了盡可能地用機(jī)器作業(yè)替代人力勞動，提高生產(chǎn)效率，通過利用GPS（全球定位系統(tǒng)）、GIS 和GSM技術(shù)，多功能化作業(yè)來改變單一作業(yè)功能。多功能化作業(yè)也已從中、大型工程機(jī)械應(yīng)用的局限中解脫出來，在小型和微型工程機(jī)械上也開始了應(yīng)用。三是節(jié)能與環(huán)保的需求。為提高產(chǎn)品的節(jié)能效果和滿足日益苛刻的環(huán)保要求，工程機(jī)械公司主要從降低發(fā)動機(jī)排放、提高液壓系統(tǒng)效率和減振、降噪等方面入手。目前人機(jī)工程學(xué)、無污染綠色施工等成為人們的共識。

CAN總線嵌入式工程機(jī)械控制系統(tǒng)能夠通過圖形界面完整地實現(xiàn)控制功能，如果監(jiān)控器有特殊消息向管理中心發(fā)送，例如故障，停機(jī)時間也會在相應(yīng)的消息區(qū)顯示，同時可以針對系統(tǒng)故障設(shè)定相應(yīng)的反應(yīng)時間本系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)本地控制功能，還有各種接口，包括網(wǎng)絡(luò)、CAN 總線、顯示接口等，可以將本機(jī)狀態(tài)信息發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心。上位機(jī)基本界面的顯示，系統(tǒng)采用320*240的LCD顯示器來開發(fā)圖形界面，LCD顯示器上將顯示系統(tǒng)信息區(qū)、狀態(tài)參數(shù)區(qū)、故障指令區(qū)三個部分，接收下位機(jī)信息由下位控制監(jiān)控器進(jìn)行。包括GPS數(shù)據(jù)處理和GSM通信，系統(tǒng)根據(jù)下位監(jiān)控器傳送的信息，計算系統(tǒng)所需要的參數(shù)，并將需要發(fā)送的參數(shù)存儲到指定的數(shù)組里面。在此基礎(chǔ)上，分別對硬件、GPS數(shù)據(jù)處理和GSM通信模塊、上位機(jī)圖形顯示系統(tǒng)進(jìn)行檢測，并對系統(tǒng)的噪聲污染、電磁信號污染進(jìn)行檢測，并記錄相關(guān)的檢測報告。

目前CAN總線嵌入式工程機(jī)械控制系統(tǒng)的難點如下：（1）CAN總線的擴(kuò)展，本課題選用飛利浦公司生產(chǎn)的SJA1000芯片與ARM擴(kuò)展鏈接，直接采用 CPU的總線擴(kuò)展。而使用總線方式擴(kuò)展CAN總線接口，要解決ARM系統(tǒng)和SJA1000芯片的時序配合。（2）GPS數(shù)據(jù)處理，利用系統(tǒng)中的GPS模塊實時獲取移動終端的地理位置信息，GPS模塊與系統(tǒng)的串口1相連接，每秒鐘向監(jiān)控器發(fā)送信息。（3）GSM通信，GSM通信部分分擔(dān)的任務(wù)是 通過使用GSM通信模塊每分鐘向管理中心發(fā)送本機(jī)信息，在發(fā)生故障或者有緊急情況下發(fā)送信息，同時接收管理中心信息，GSM通信模塊與系統(tǒng)的串行口2相連。（4）數(shù)據(jù)處理與故障處理。

四、結(jié)語

工程機(jī)械控制系統(tǒng)在朝著系列化、特大型化方向發(fā)展的同時，已進(jìn)入多用途、超小型化、微型化發(fā)展階段。推動這一發(fā)展的因素首先源于液壓技術(shù)的發(fā)展——通過對液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計，使得工作裝置能夠完成多種作業(yè)功能；為了盡可能地用機(jī)器作業(yè)替代人力勞動，提高生產(chǎn)效率。將CAN系列功能模塊、ZLG系列CAN接口卡組建成一個可靠控制、易于開發(fā)的CAN總線應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)以及在工程機(jī)械控制網(wǎng)絡(luò)中快速應(yīng)用的方法。本課題通過 CAN總線實現(xiàn)對各傳感器信號的采集以及輸出裝置的控制，使得系統(tǒng)容易構(gòu)建，布線安裝方便；同時系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、實時響應(yīng)性好。而且通過CAN總線的應(yīng)用，使該起重力矩控制系統(tǒng)能夠作為一個子系統(tǒng)嵌入到其他工程機(jī)械的控制系統(tǒng)中。

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