基于虛擬仿真技術的CAN總線柔性化測控實驗平臺

張 軍，陶 君，許振華，迪茹俠，張新榮，葉 敏，王 欣

(長安大學 a.工程機械虛擬仿真實驗教學中心；b.附屬中學，西安 710064)

基于虛擬仿真技術的CAN總線柔性化測控實驗平臺

張 軍a，陶 君b，許振華a，迪茹俠a，張新榮a，葉 敏a，王 欣a

(長安大學 a.工程機械虛擬仿真實驗教學中心；b.附屬中學，西安 710064)

為提高機械電子專業碩士研究生的實踐能力和創新能力，以專業實踐課程的典型工程機械控制系統實驗為對象，提出了將CAN總線柔性化測控平臺用于拓展創新性實驗內容。分析了柔性化測控平臺的功能需求，提出了系統軟件功能框架。以LabVIEW為軟件平臺，PEAK USB/CAN為硬件平臺，采用隊列消息機制、全局變量和多線程的編程方式，設計了CAN總線柔性化測控平臺，并在遠程鉆機控制系統實驗項目上進行了功能驗證。結果表明，設計的測控平臺能實現報文自動解析、存儲和參數顯示，實時性良好，數據拖動功能便于控制系統的功能調試，動態窗口加載功能利于系統擴展。該實驗平臺設計利于學生進行CAN總線控制系統設計和試驗，有助于培養學生的實踐能力和創新能力。

控制器局域網絡總線； 柔性化測控平臺； LabVIEW； 教學實驗

0 引 言

工程機械學院行業特色鮮明，學院下屬的機械電子工程專業為國家級特色專業，每年為各企業培養和輸送大量優秀創新性人才。然而隨著技術進步和企業的飛速發展，企業對學生的實踐能力和創新能力也提出了越來越高的要求。

為解決大學生就業問題并且避免學術型研究生擴招而導致的質量下降，教育部推出了“全日制專業型碩士”，重點培養學生的工程實踐能力，成為應用型高級人才。自2009年開啟專業碩士招生以來，專業型碩士比例已從2009年7.2%上升到2015年的50%[1]，與學術型持平。實踐能力的培養是全日制專業學位研究生區別于學術型研究生的關鍵所在[2-3]，然而在專業碩士教育急速發展的過程中，生源質量、學生知識結構差異以及課程結構設置方面的問題逐漸暴露出來。此外，校外導師和校企合作的實踐方式也存在一定的局限性，因此有必要針對專業型碩士的培養目標，依據各專業的特點及生源質量，開展實踐性實驗課程建設，提高專業碩士的實踐能力。

CAN總線是工程機械控制系統的通用總線標準，面向專業碩士開設“機電控制系統設計與制作”系統的創新型實驗，是以TTC 60控制器為基礎的硬件平臺，CoDeSys為軟件平臺開展典型工程機械控制系統的實驗?，F有實驗平臺多承載重復性和驗證性實驗，如通過指示燈信號狀態來展示工程機械控制系統的部分功能，大大限制了學生對相關知識的認識和思考。

目前已有不少關于CAN總線測控系統的研究[4-7]，然而大多集中于某對象的總線參數采集，缺乏滿足不同系統需求的通用性和柔性化研究。針對在工程機械控制系統和總線監控系統設計方面有一定的經驗積累[8-16]，為此本文以“機電控制系統設計與制作”課程的創新實驗內容為對象，采用 LabVIEW 為開發平臺，提出了通用CAN總線柔性化測控平臺。以適應控制系統各項調試要求和總線參數監控需要為目標，進行了CAN 總線柔性化測控平臺設計。以“軟”代“硬”，拓展了可實驗項目的范圍，籍此提高學生的實踐能力和創新能力。

1 系統功能與總體架構

1.1系統功能分析

考慮到實驗項目各控制系統功能差別大、通信協議不一致和監控需求不一等特點，CAN總線柔性化測控平臺需滿足靈活性、通用性和實時性要求，既具備總線參數監控功能，能夠實時采集和自動解析報文參數，又能實現報警、存儲、圖形化顯示等功能，有良好的可擴展性。

因此測控平臺應該具備：①CAN卡驅動程序的通用接口；②采集報文的參數設置或報文自動導入功能；③報文實時采集和發送功能；④報文自動解析功能；⑤參數自動存儲功能；⑥參數報警設置功能；⑦參數拖動顯示功能；⑧系統功能的動態加載；⑨硬件故障診斷功能。

其中CAN卡驅動程序的通用接口，是為了兼容不同CAN卡驅動的接口；參數為報文解析后的實際值；參數存儲和報警設置，是為了實現機器系統功能狀態監測和性能分析；參數拖動顯示用于控制系統的功能調試，用戶只需要拖動參數到顯示區域即可，可滿足不同控制系統的參數監控顯示的要求；硬件故障診斷主要是監測CAN卡的狀態和通信是否正常。

1.2系統構架

為了快速實現系統開發，并滿足后續系統的擴展開發，采用虛擬儀器LabVIEW作為開發平臺，根據系統的功能分析，設計的軟件框架功能如圖1所示，個人計算機(PC)通過CAN卡與控制系統的CAN網絡通信，其中通信線纜符合CAN通信標準。CAN總線平臺運行于PC端，通過配置CAN網絡(控制系統組成的CAN通信網絡)的通信協議，即可實現參數的解析，根據調試需求選擇對應的功能，實現參數監控和控制系統的功能調試。

圖1 CAN總線柔性化測控平臺的系統架構

2 軟件系統設計

2.1總體設計思想

軟件平臺需要實現實時報文采集、報文解析、曲線顯示、數據存儲、參數報警、硬件狀態監測等功能，同時滿足用戶的交互性操作，如數據拖動、參數配置等，為保證數據的實時性，本文提出用隊列來處理數據流，同時借助全局變量傳遞各項參數，利用多線程方式保證各項功能的靈活性。

以報文采集到參數存儲的數據流為例，其流程如圖2所示，為每個模塊分配一個線程：①報文采集。采集報文，并將報文壓入報文隊列；②報文解析。根據CAN報文特點對報文進行解析，解析后的參數值存入參數全局變量AI_Data；③參數報警、參數顯示和參數存儲模塊根據設定的時間間隔，采用隊列通知的方式對AI_Data進行操作。

圖2 參數傳遞流程

2.2CAN卡驅動接口設計

為兼容不同CAN卡，設置相同的報文接收變量CAN_MSG)，包括報文ID(CAN_ID),幀標志(Flag),幀長度(Length)和幀數據(Data_array，8 B,共64 bit)，建立具有相同輸入和輸出參數的硬件操作函數，包括初始化CAN_Init()、報文接收CAN_Rec()、報文發送CAN_Send()和硬件釋放CAN_Close()。硬件操作是通過設備句柄CAN_Dev進行傳遞。

CAN卡操作流程如圖3所示，在CAN_Init初始化配置中，選擇CAN卡，設置通信參數，并判斷設備是否初始化成功，如果未成功，則延時再次啟動初始化工作，以保證軟件平臺在拔插硬件設備后正常使用，因為CAN卡還兼顧為控制系統程序下載器，需要拔插。如果CAN_Init()初始化成功，則進行CAN_Rec()和CAN_Send()操作，其中CAN_Rec()接收到報文將清除通信故障，否則100 ms未接收到數據將進行通信故障報警，同時屏蔽CAN_Send()功能，直到通信故障解除。工程機械控制系統采用PEAK 或者SYS TEC 的USB/CAN卡進行程序下載，因此平臺設計了這兩種CAN卡的驅動接口。

圖3 CAN硬件操作流程

2.3報文自動解析

CAN報文包括ID(CAN_ID)(11 bit或29 bit)，幀標志(Flag)(遠程幀、標準幀)，幀長度Length(1～8)和幀數據Data_array(1～8 B)。由于CAN報文數據格式標準，根據報文CAN_ID和參數在幀數據中的定義，進行參數搜索即可實現報文解析。

設置了用于報文解析的變量CAN Msg Para define，定義為結構體數組，包括參數名稱(一般同ID名稱)、ID、幀類型、通道參數(結構體數組型變量)。通道參數即為各報文中定義的參數，即需要解析的內容，其定義包括通道名稱Channel_name,單位unit,數據起始位Start_bit,數據位長度number_of_bit,數據類型data_type，數據模式Byte_order(大端或者小端模式)，數據比例系數a和b，數據值value(value=a*Byte數據值+b，Byte數據值從Start_bit起number_of_bit長的數據決定)，邏輯類型bool(若value>0，該位為真)。

報文解析流程如圖4所示，根據CAN卡采集到的報文Rec_ID，搜索 Msg Para define中的ID，若二者相等，則讀取Channel_name定義的參數，根據其定義進行參數解析，直到完成所有通道參數的解析，再進行下一個報文解析。報文解析程序框圖如圖5所示，隊列CAN Frame queue在CAN_Rec模塊中產生數據，采集到報文后，隊列判斷有數據，將自動進行報文解析，并在列表框中實時更新列表框內容。

圖4 報文解析流程圖

圖5 基于隊列的報文解析程序框圖

2.4其他功能設計

CAN柔性化采集平臺的主要功能是報文的采集和自動解析，為了進一步擴大平臺功能的柔性化功能，設計了報文設置、存儲設置、報警設置等功能。報文設置用于設置或者導入CAN的通信協議，自動將定義的參數存入Msg Para define變量。存儲設置和報警設置，主要是針對解析的參數變量AI_Data，根據控制系統的需求，設置相應的條件，對設置的參數定時存儲或者達到報警條件進行報警。

《機電控制系統設計與制作》課程中典型工程機械控制系統實驗都需要根據被控對象的特性整定PID參數，為此設置了圖形顯示功能，可以根據需要增添圖形化顯示參數和更新速率，通過PID參數整定的原則進行參數整定；圖形化顯示功能同時可便于觀測控制系統的參數變化。

3 系統功能試驗

CAN柔性化測控平臺部署在PC機上，通過PEAK USB/CAN卡與《機電控制系統設計與制作》的TTC 60的工程機械專用實驗箱聯機，進行功能調試，以某遠程鉆機的控制系統進行試驗，從報文解析、平臺調試和總線參數監控系統定制進行功能驗證。

3.1報文自動解析功能試驗

遠程鉆機控制系統的報文ID(hex)包括101、102、103、104、105、201、202、203和204共9個ID，由于參數數量較大，僅給出部分報文參數的定義，如表1所示，設計的CAN總線平臺可以根據表1定義的參數手動添加報文定義到變量CAN Msg Para define，也可以直接按照表1的.xls格式數據導入系統，報文導入平臺后的結果如圖6所示。

表1 報文參數定義表

圖6 報文參數設置

在圖6所示的報文設置中，可導入Excel或dbc格式定義的CAN總線報文定義，也可通過增加/刪除/編輯來定義報文參數，圖中左側顯示各ID下的通道參數名稱，系統后續將以這些參數進行顯示、存儲和曲線顯示等操作。

為了驗證CAN自動解析功能的正確性，控制系統將101報文中的給進壓力、起拔壓力、主泵壓力和副泵壓力分別設置為1、1.01、1.02和1.03 MPa，以副泵壓力參數為例進行參數定義和參數值驗證。打開全局變量CAN Msg Para define，如圖7所示，副泵壓力與表1中定義一致，位于ID 101內，起始位為48，長度16，解析結果value值為1.03，與設定值一致。同理也可驗證表1中其他參數，通過試驗驗證，各參數均能正確實現自動解析功能。

為進一步測試平臺功能的正確性和系統響應的實時性，以5 ms的間隔同時發送30個ID的方式對系統進行測試，結果表明系統運行穩定，CAN報文接收無延時，實時性好，工程機械控制系統報文間隔一般大于10 ms，證明了采用的隊列數據傳送機制的有效性。

3.2平臺調試功能試驗

課程實驗中往往需要調試各項功能，并且需求不一致，因此柔性化調控平臺需要具備控制系統調試功能，為此系統設置了拖動顯示和曲線動態調整功能。

以拖動顯示功能為例，所有被解析的報文參數顯示在左側的list控件中，為了調試或者觀察某些參數，可選擇左側控件中的參數，按住鼠標左鍵不放，拖動到右側顯示控件中。如果是拖動到數字型顯示控件，則顯示參數的value值，如果是拖動到最右側的bool控件中，則使用通道參數的boolean value進行顯示。

圖7 CAN參數解析變量

圖8是調試的結果圖，控制系統中設置的動力頭位移為1 000，拖動到右側后，動力頭位移顯示為1 000，與實際一致。同時可查看平臺的實時記錄結果，存儲格式為.txt，但可通過Excel軟件打開，結果如圖9所示，圖中給進壓力、起拔壓力、主泵壓力、副泵壓力以及動力頭位移與實際結果一致。存儲的時間間隔可根據系統設置，最小存儲間隔為100 ms。

圖8 柔性化平臺的調試功能

圖9 平臺測試的存儲結果

通過圖8、9可知，平臺的調試功能可以滿足實驗用控制系統的功能調試和參數監測。

3.3監控系統定制功能試驗

設計的CAN總線柔性化測控平臺不僅僅滿足《機電控制系統設計與制作》課程功能實驗，還可針對控制系統的需求定制參數監控系統。

以某遠程鉆機控制系統為例，其功能是通過控制煤礦井下鉆機的液壓系統來實現鉆桿的裝卸，在完成了控制系統的功能調試后，為進一步擴展學生的創新能力，可在此基礎上開發針對遠程鉆機的參數監控系統。平臺顯示的所有窗口均采用動態加載的方式，即可通過加載一個新的主界面窗口來替換圖8中的調試窗口，程序功能如圖10(a)的加載方式，動態加載針對遠程鉆機的自定義顯示面板。顯示面板上的各參數顯示值是通過讀取AI_data實現，其AI_data中的參數順序與表1中的順序一致，但序號是從0開始，如動力頭位移在表的順序為第7，則解析時讀取第7個數據即可，解析和顯示參數的流程見圖10(b)，定制的參數解析過程很便捷，最終定制的監控系統面板見圖10(c)。

(a) 顯示窗口動態加載后面板

(b) 主界面解析流程圖

(c) 加載結果

由圖10可知，設計的CAN總線柔性化測控平臺可以滿足CAN總線控制系統的參數監控、調試和存儲等功能，并能在此基礎上快速定制和設計專業化的參數監控系統。

該測試平臺在“機電控制系統設計與制作”課程和《機電綜合實踐》課程進行教學實驗后，可將控制系統的參數可視化，提高了學生的學習積極性，鍛煉了學生開發控制系統的能力，并讓學生快速掌握通信系統設計和上位機系統開發，進一步拓寬了學生的視野。同時，學生可利用該平臺來調試各種基于CAN總線的控制系統，并可不斷拓展系統功能，利于培養學生的創新性和綜合實踐能力。

4 結 論

(1) 針對機械電子工程專業的行業特色，以“機電控制系統設計與制作”的課程實驗為對象，提出了工程機械典型控制系統CAN總線柔性化測控平臺思想，拓展了課程實驗的功能。

(2) 采用LabVIEW為軟件平臺，PEAK USB/CAN為硬件平臺，以隊列的數據傳送方式，通過全局變量共享和多線程的操作方式，完成了CAN總線柔性化測控平臺的開發，通過實驗測試，平臺運行穩定，實時性好。

(3) 教學實踐表明，所設計的CAN總線柔性化測控平臺提高了學生的創新能力和實踐能力，該平臺通過簡單擴展即可滿足商用總線參數監控系統性能，進一步拓寬了學生的視野。

(4) 現有的測控平臺僅針對CAN總線系統的調試，后續可拓展如Modbus的其他總線監控，并將監控數據存到中心服務器，進一步拓展學生的知識面和綜合實踐能力。

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Flexible CAN Bus Measurement Platform Based on Virtual Instrument Technology

ZHANGJuna,TAOJunb,XUZhenhuaa,DIRuxiaa,ZHANGXinronga,YEMina,WANGXina

(a.Construction Machinery Simulation Experiment Teaching Center; b.Middle School Attached to Chang’an University,Chang’an University,Xi’an 710064,China )

To enhance the creative and practical ability for graduate students of mechanical electronic engineering,flexible CAN bus measurement platform was proposed to expand the innovative experimental content of professional practice in typical control systems course.Functional requirements of flexible CAN bus measurement system were analyzed,and the functional framework of system was put forward.LabVIEW and PEAK USB/CAN card were respectively taken as software development platform and hardware platform,queue message method,global variables and multithread programming method were used to design the software.System tests were carried on a remote drilling machine control system project,which is an innovation experiment in this course.The results indicate that the measurement platform has a good real-time performance and it can realize the functions of automatic acquisition,automatic parse of CAN frame data,automatic storage and display of the setting parameters.The dragging and drop function is convenient for debugging and testing the functions of newly designed control system,dynamic loading window function is beneficial to extend system functions.The platform is easy for students to develop more powerful function and thus improves their practical and creative ability.

controller area network(CAN) bus; flexible measurement platform; LabVIEW; experiment teaching

2016-10-20

中央高校教育教學改革專項資金項目(jgy16029)

張 軍(1980-)，男，四川廣漢人，博士，講師，主要研究方向為智能化檢測與控制技術。

Tel.：15332496673；E-mail：selfstudy@qq.com

G 642.0

：A

：1006-7167(2017)07-0097-06