車載鉆機CAN總線數據記錄儀設計

趙 良，翁寅生，田宏亮

（中煤科工集團西安研究院有限公司 陜西 西安 710077）

車載鉆機是一種將工作裝置高度集成在車輛底盤上的多功能鉆機，專用于煤層氣抽采及地面施工兼有高空作業。車載鉆機采用了機電液一體化技術，配備了電子控制系統，其監測參數主要包括柴油機、鉆進系統以及輔助系統的工作參數，參數種類多，系統雖能夠實時顯示，但不具備后臺保存、查詢和分析的功能，不利于作業期間故障分析、偶發事故的原因判別以及后期升級優化。目前市場上的相關設備主要存在以下三方面問題：一是產品已經固化，不易擴展，隨著容量變大，成本、體積及供貨周期都有明顯增加；二是數據不能循環覆蓋，存滿即失去作用；三是基本都為通用產品，不適合車載鉆機的工作環境使用要求。

車載鉆機電控系統采用了CAN（Controller Area Network，控制器局域網）通信總線，它是一種可以解決眾多測量控制部件之間數據交換的串行通信現場總線，具有可靠性、實時性強、成本低、傳輸距離遠、傳輸速度高的優點，其應用范圍非常廣[1]。

基于此，設計一種車載鉆機專用的CAN總線數據記錄儀，能根據用戶需要進行配置和記錄參數，對車載鉆機具有實際使用意義。

1 系統總體構成

如圖1中所示，系統總體由車載鉆機電控系統、數據記錄儀及計算機構成。車載鉆機發動機參數、車身各傳感器及各控制單元的狀態參數都可通過CAN總線網絡與電控系統的控制器進行通訊，處理后將數據通過CAN總線發送到顯示器，方便工作人員操作；CAN總線數據記錄儀由數據記錄儀硬件和計算機軟件組成，其硬件連接在CAN總線網絡中，并由電控系統的電源為其供電，用戶根據靈活的配置要求將所需要的通信參數進行配置并由記錄儀進行記錄，并通過SPI總線保存在SD卡中；用戶可以通過計算機的USB接口與數據記錄儀進行通信，根據上位機軟件設定記錄時間間隔及過濾ID參數等，同時計算機可將SD卡中的數據以Excel或記事本打開進行查詢和分析，實現對車載鉆機的某段時間內作業參數數據進行再現。

圖1 系統整體構成Fig.1 Composition of the system as a whole

2 數據記錄儀硬件設計

2.1 硬件電路結構

CAN總線數據記錄儀的硬件電路由CAN通信模塊、USB通信模塊及SD卡存儲模塊組成，其組成框圖如圖2所示。為了增強數據記錄儀的實時性，提高大量數據處理和后期擴展能力，主控制芯片選用NXP公司生產的基于第二代ARM CORTEX-M3內核微控制器的LPC1768，它是一種針對嵌入式系統應用而設計的高性能、低功耗32位微處理器，適用于儀器儀表、工業通訊、電機控制等領域，其工作頻率可達100 MHz，內部集成CAN控制器、USB控制器、SPI接口等外設組件[2]，可減少各模塊外圍電路的設計工作量；為了與CAN總線進行通信，在CAN通訊模塊中必須有CAN收發器進行數據的發送與接收。收發器是協議單元（控制器）與物理傳輸介質（總線電纜）之間的鏈路，除驅動功能（總線和電控單元之間的信號收發）外，收發器還具備廣泛的保護和故障診斷功能。CAN收發器選用NXP公司生產的高速PCA82C250與PCA82C251的升級產品TJA1050，它是CAN協議控制器和物理總線之間的接口，可以為CAN控制器提供差動接收性能，具有CANH和CANL的最佳匹配，使電磁輻射更低[3]，其工作電壓與主控制芯片使用的電壓一致，都為3.3 V，分別由電源模塊獨立供電。

圖2 硬件結構框圖Fig.2 Diagram of hardware structure

2.2 硬件電路設計

在工業現場的數據采集中，現場情況比較復雜，各節點之間存在很高的共模電壓，容易造成總線接口無法通訊，甚至出現損壞儀器等狀況，因此有強干擾或者性能需求下，必須對通訊節點實現電氣隔離。數據記錄儀設計有CAN總線、USB總線及SPI總線3種通信總線接口，同時車載鉆機施工技術條件高、作業時間長并伴隨有振動、噪音、電磁、雨水等，可能影響到通信質量甚至丟失數據，因此在設計中也必須考慮數據記錄儀在使用中對環境的適應性及可靠性，硬件接口電路如圖3所示。

圖3 硬件接口電路圖Fig.3 Circuit diagram of hardware interface

CAN總線是一種可以解決眾多測量控制部件之間數據交換的串行數據通訊網絡，為了增強通信鏈路的抗干擾問題，隔離器件選用Toshiba公司生產的6N137光耦合器，最高速率10 Mbps，工作溫度一般為0℃到70℃，隔離電壓2 500 Vrms，其是使用光束來隔離和保護檢測電路以及在高壓和低壓電氣環境之間提供了一個安全接口[4]，電路中便加在TJA1050及主芯片LPC1768之間進行隔離，同時在CANH和CANL之間接120Ω電阻，此終端電阻與電纜阻抗緊密匹配，確保信號不會在CAN總線之間反射，提高了CAN節點的穩定性，也避免影響主控芯片的正常運行。

USB是計算機及外設的標準接口，首選串行接口，已經得到各行業的充分認可，雖然在工業通訊標準中還配備有RS232接口，可以簡單實現所需要的魯棒隔離，但其速度低，接口切換復雜、熱插拔容易損壞，因此使用USB作為首選串行接口，其傳輸速度遠遠大于RS232，速率能提高到1 Mbit/s以上，即插即用，性價比高，通用性強；同時數據記錄儀作為一種移動存儲設備，USB接口設計可以更好的實現記錄儀的實用性與便攜性。在此USB接口電路中選用ADI公司生產的USB隔離芯片ADuM4160來提高安全性和可靠性，ADuM4160隔離芯片內部包含兩個USB收發器、數據流處理部件、光耦等，電源電路提供3.3 V供電，可在任何位置隔離USB總線，同時具有ESD保護，允許在D+和D-引腳在沒有外部保護電路時熱插拔，極大簡化了USB通信隔離的實現。

SD卡存儲模塊作為數據記錄儀的重要部分，在工作時CAN總線數據傳輸速度快，數據量大，為確保采集中不丟失數據，同時方便查看讀取存儲的數據，設計以SD卡作為存儲設備，其具備容量大、性價比高等優點。SD卡具備SD總線和SPI總線，SPI總線傳輸速率比SD總線低，但SPI理論傳輸最高速度為4 Mb/s，滿足使用需求，同時SPI通訊協議傳輸數據簡單通用，采用 CS、CLK、DataIn、DataOut四線進行數據通信，方便與LPC1768的SPI接口通信[5-6]。傳統的SPI總線隔離采用光耦合器，一般也使用6N137比較多，但每個芯片僅提供一個隔離通道，若采用SPI接口電路中將需要4個，同時需要大量的電阻及三極管提供輔助，所以電路復雜，這里采用ADI公司的通用型四通道數字隔離器ADuM1411，其采用磁耦隔離技術，性能優良，在SPI總線中使用不僅提高了數據傳輸速率、時序精度和瞬態共模抑制能力，而且簡化了接口路，提高了系統穩定性。

3 數據記錄儀軟件設計

3.1 底層軟件設計

系統軟件的設計直接決定了數據記錄儀是否能夠準確的實現所設計的功能，并發揮硬件的最佳性能。軟件以C語言程序編寫，采用分層和模塊化設計，并采用自頂向下的程序結構，底層驅動層包括USB驅動程序、CAN總線驅動程序、SD存儲驅動程序等；上層為應用程序，包括CAN總線數據過濾、數據幀讀寫、命令參數接收等，只有合理的設計軟件才能夠實現各個模塊的相互協調工作，從而實現對硬件電路的有效控制。

針對車載鉆機的作業特點，數據記錄儀設計以車載鉆機作業啟停時間為文件記錄方式，開機作業時，建立當前時間文件夾，記錄開機時間、數據起始地址，同時以設置的每個文件大小及時間間隔為記錄要求，直至作業完畢。軟件設計如圖4中所示，記錄儀上電后首先判斷工作模式，在記錄數據時如果SD卡內存已滿，將自動覆蓋最早的文件，保持數據的實時性，同時由于CAN總線接收速率跟SD卡接收速率不同，數據接收將采用中斷方式，在LPC1768芯片中設置數據緩存區，暫存CAN數據幀，待緩存區存滿時，再轉存入SD存儲器中，并寫有掉電保護，保證掉電前將緩存區的數據及時存入SD卡，以免丟失數據。為了防止數據記錄儀被私自拆除，車載鉆機控制器將在固定時間內接收到數據記錄儀發送的固定數據，若長時間未接收到此數據，控制器將視為記錄儀被拆除，電控系統報錯后，不及時處理，車載鉆機將無法正常作業。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Flow chart of software

3.2 上位機軟件設計

系統上位機軟件使用LabVIEW2012開發，LabVIEW軟件以計算機為載體，使用圖形化G語言編寫程序，程序以框圖的形式產生，適合開發多種測試控制軟件，函數庫豐富、人性化，并建立有虛擬儀器、檢測系統等，是開發人員的理想平臺[7]。LabVIEW開發軟件具有硬件控制及數據處理優勢，只要調用動態鏈接庫和接口函數即可完成USB通訊設計，如圖5中所示，上位機軟件可以對CAN總線數據記錄儀進行配置，設置波特率、ID參數過濾、生成文件大小、記錄間隔時間、循環保存等功能，同時數據記錄儀存儲在SD卡中的CAN總線數據可以使用Excel或者記事本打開，如圖6中所示，方便查詢每個時間段具體參數變化。

圖5 上位機參數配置界面Fig.5 Host-computer software interface of parameter configuration

圖6 數據記錄表Fig.6 Chart of data record

4 結束語

本數據記錄儀采用外部SD卡作為存儲介質，通過USB接口與計算機通訊，并通過CAN總線實時記錄車載鉆機電控系統的參數。經72小時不間斷測試，數據記錄儀能夠根據設置條件對CAN總線上的數據進行準確、可靠的實時記錄；由于SD卡容量可以根據需求自行更換，可以保證車載鉆機在24小時不停機作業的情況下記錄一年；上位機軟件操作簡便，SD卡存儲方式更好的實現了便攜性、擴展性，達到了設計標準，配套車載鉆機即可方便掌握鉆機作業狀態及參數變化，進行后續數據分析和科學研究，同時此CAN總線數據記錄儀為后期升級遠程監控功能提供了良好載體。

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