WiFi與CAN結合的工程機械控制器研究應用

魏 彬，劉會娟，張 濤

（徐工集團江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州 221004）

工程機械車載控制器可分為實現某種特定功能的單一功能型控制器和完成整車邏輯的控制器。前者目前已從傳統意義上單一獨立執行某項功能的控制器，發展成為集成故障信息上傳、數據信息傳輸、可聯合整機參數綜合控制、可支持物聯網調控等多種功能的智能化車載設備。隨著數字電子技術的不斷發展，對工程機械控制器的實時性、控制精度和控制效果要求越來越高，但現在的多數車載功能型控制器由于特定了功能，仍采用簡單的單片機構架，由單一主循環加若干中斷組成，編譯過程生成一個單一的可執行文件，不具備功能模塊的管理，已經明顯無法滿足現有的高智能化和高實時性的要求。而且現有參數設置模塊多數仍采用有線通訊，攜帶笨重，給工作帶來一定不便。

為此，設計既能夠快速響應參數變化，又能實時完成控制輸出動作，具備一定的自適應匹配相關參數功能的，且內置操作系統支持軟件功能模塊管理和支持系統遠程控制的無線車載控制器已成為必然之選。將WiFi數據傳輸技術[1]與CAN數據采集[2]結合起來應用的智能車載控制器，不僅可以解決單點找平的實時控制，還可以聯合貫穿整車的各個CAN總線節點，結合整車信息實現各種控制功能；更可以主動實現系統遠程升級、無線參數配置和遠程故障診斷等功能。

1 車載功能型控制器的總體結構設計

帶參數設置的車載功能型控制器系統包含上位機部分與功能執行部分。其中上位機控制部分可選為功能設置模塊、手機、車載主控制器、接入局域網的服務器；功能設置部分則包括功能設置控制模塊、CAN模塊與WiFi-CAN通信模塊。功能執行部分則是包括功能控制模塊、CAN模塊與WiFi-CAN通信模塊。功能設置部分與功能控制部分構成了完整的功能型控制器主體。

系統總體結構圖如圖1所示。功能型控制器的功能控制模塊用來執行采集相關參數，同時將這些參數通過WiFi-CAN無線模塊通過WiFi完成數據的無線收發進而實現參數設置匹配，也可通過CAN總線傳輸給車載主控制器，可以通過車載主控制器實現參數設置以及遠程無線傳輸，以及與物聯網監控中心實現遠程故障診斷與遠程調控。其中，功能設置模塊可以是同樣配置WiFi-CAN無線模塊的控制單元，也可以是開發了相應APP功能的手機。下面以攤鋪機找平控制器開發為例，闡述功能型控制器的軟硬件選型及實現。

圖1 車載功能型控制器系統總體結構圖

2 攤鋪機找平控制器硬件設計

根據攤鋪機找平工作的特殊環境功能要求，在綜合考慮了整個系統設計的難易程度、硬件的工作溫度和找平控制器的研制成本后，最終選取了ATMEL的ATSAM4E16CB-ANR單片機作為找平控制器的主控制器。這款微控制芯片工作溫度范圍-40℃～105℃，集成CortexTM-M4內核，超低功耗，工作頻率為120MHz，具備兩路獨立16位ADC和浮點計算能力，完全可以進行曲線找平動作的精準數據采集和控制。另外，該單片機含有硬件實現的雙UART串行接口、完全支持USB控制功能以及符合IEEE 1588 v2標準要求的以太網MAC10/100的網絡接口，為找平控制器后期功能擴展升級提供硬件基礎。找平控制器總體硬件設計框圖如圖2所示，該系統的找平控制模塊硬件電路主要包括以ATSAM4E16CB-ANR為核心的復位電路、時鐘電路、電源電路、JTAG調試電路構成的MCU最小系統，以及AD采集電路、SPI存儲電路、CAN總線收發模塊電路和WiFi-CAN模塊電路。該系統的找平設置模塊硬件電路則是由上述MCU最小系統加載WiFi-CAN模塊電路組成。其中，為了WiFi-CAN模塊選擇滿足工業標準的LCWLAN-622模塊，支持完善的無線安全設置和TCP/ UDP通訊。

圖2 攤鋪機找平控制器硬件框圖

3 攤鋪機找平控制器軟件設計

傳統的單片機程序設計一般采用的超循環方式，由單一主循環加若干中斷組成，編譯過程生成一個單一的可執行文件，而攤鋪機智能找平控制器針對不同種類通信要求不同的任務優先級，比如故障種類中危險性較大的故障，要求控制器實時切斷輸出調整，而找平動作的執行要求實時性要好，因此系統本身要求有較高的實時性，單純地通過傳統系統無法保證系統工作的實時性，更加難以滿足多任務并行的實時數據采集的需要。因此采用基于嵌入式實時操作系統RTOS的多任務軟件結構化設計方案，選擇了rt-thread作為系統開發的軟件平臺。

3.1 系統任務的劃分

rt-thread操作系統雖然代碼稍多，但是具備商業免費、可閉源、可移植性強、可裁剪、多任務及可剝奪性等優點，且支持ARM，Cortex-M，MIPS，ARV32，PPC等多種架構處理器，可以輕松實現系統移植。基于模塊化的軟件設計思想，具體的將系統任務劃分為參數設置模塊、數據采集模塊、數據通信模塊、數據處理與顯示模塊和中斷處理模塊，各任務之間通過時間序列、定時和中斷來實現數據通信和共享。其中參數設置模塊（包括系統初始化任務和靈敏度參數設置任務）、數據采集模塊（即找平數據采集任務）、數據通信模塊（包括CAN總線數據收發任務以及WiFi數據采集任務）、數據處理模塊（包括數據信號濾波處理及核算任務、PWM輸出驅動任務）、數據顯示模塊（LED顯示任務與CANOPEN協議任務）與中斷處理模塊。其中參數設置模塊主要功能是系統初始化堆棧任務及選擇指定找平控制器的靈敏度，通過掃描EEPROM存儲數據或CAN與WiFi通信得到相應的信息，完成參數設置。

3.2 系統任務結構與分析

結合找平控制系統的需求，將以上四大模塊的優先級分別設定為：數據采集任務是實現找平關鍵因素的信息采集，實時性要求較高，故而將數據采集模塊定義為3ms定時中斷，快速響應；參數設置模塊包含任務的初始化，設定為最高優先級組；數據通信模塊包含CAN通信與WiFi通信收發與轉存，設為次低優先級組；將包含PWM輸出驅動任務以及數據濾波及核算任務的數據處理模塊定義為次高優先級組；將數據顯示模塊定義為最低優先級組。

參數設置模塊為最高優先級，系統首先初始化定義了堆棧和任務，使得除中斷外的余下各個模塊的任務都在等待參數設置任務完成之后，按照優先級依次運行，通過找平控制器調試，獲得了良好的效果。簡要通信機制如圖3所示。

圖3 系統的通信機制結構

參數設置模塊完成初始化操作系統及系統控制器的各個硬件端口初始化，根據具體的需要建立起多任務，采用時間片輪詢、中斷及多任務優先級同時使用，保證數據采集任務與輸出控制的有效性與實時性。系統結構見圖4。

圖4 系統的軟件結構

4 結 論

本文介紹了將WiFi數據傳輸技術[1]與CAN數據采集[2]結合起來應用的智能車載控制器的實現方式，以一種基于ATSAM4E16CB-ANR單片機的找平控制器的設計方案為例，闡述了利用rtthread操作系統移植實現多任務多優先級結合時間片輪詢與中斷聯合來執行的找平信號處理與找平動作控制的軟件過程，選擇支持TCP/UDP通訊協議的CAN-WiFi模塊與無線網絡設備完成遠程參數設置，簡化了遠程的開發難度。尤其用戶可以選擇通過手機車載主控制器或者接入局域網的服務器遠程實現對找平控制器的設置及監控信號傳輸以及遠程故障診斷，只需后續開發手機APP軟件，就可以升級到直接與手機APP連接實現遠程監控。

通過在攤鋪機找平控制器上的試驗表明：本文開發的工程機械控制器不僅可以可靠實現找平控制功能，更可以實現無線參數設置，提出了解決了工程機械控制線束多雜的方法，而且可以通過無線網絡實時傳遞攤鋪機找平過程中的各種故障及相關信息，監控方式靈活，方便實用。

[1]史添添，周琳凱，曾奕哲，等.新能源汽車ECU與手機APP數據傳輸的實現方法[J].單片機與嵌入式系統應用，2017，(1)：76-79.

[2]王 俊，胡 平，施 濤，等.基于GIS/GPS/GPRS的車輛監控系統的實現[J].微計算機信息，2006，(22)：90-92.

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