基于CAN總線的數字式自動找平控制系統設計

隨著微型電子技術的發展以及成本的降低,數字式控制系統在現代工程機械中得到了越來越廣泛的應用,基于CAN總線的控制系統在現代工程機械中正在逐漸普及。數字式自動找平控制系統可提高瀝青混凝土攤鋪機的性能,改善操縱性等,由于具有高可靠性和靈活性。因此對其研究具有重要的現實意義。實現數字式控制系統的方案很多,筆者所研制的控制系統是基于CAN總線,以C8051F040單片機為核心而設計的。

??? 2 CAN總線的特點

??? CAN(Controller Aera Networ)總線是德國BOSCH公司在80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議。

??? CAN總線與其他總線相比有如下特點：

??? 1)CAN總線是多主總線結構,即每個節點機均可成為主機,且節點機之間也可相互通信。

??? 2)CAN總線通信接口集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能,可完成對通信數據的成幀處理,包括位填充、數據塊編碼、循環冗余校驗、優先級判別等。

??? 3)通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維,通信速率最高可達1 Mb／s。

??? 4)CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼,取而代之是對通信數據塊進行編碼。數據塊的標識碼可由11或29位二進制數組成。因此可以定義11或29個不同的數據塊,這種數據塊編碼方式還可使不同的節點同時接收相同的數據。

??? 5)數據段最大長度為8位,可以滿足通常工業領域中控制命令、工作狀態及測試數據的一般要求。同時8位不會占用總線時間過長,從而保證了通信的實時性。

??? 6)CAN協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能,保證了數據通信的可靠性。

??? CAN總線具有通信速率高、結構簡單、可靠性強的特點,因此。選用CAN總線作為控制器通信方式可以較好地滿足系統要求。

??? 3 攤鋪機自動找平控制系統設計

??? 自動找平控制系統是根據測量面距基準面(線)的距離,自動調節電磁閥實現自動找平。該控制系統是由控制器、橫坡傳感器、縱坡傳感器。顯示器單元及電纜組成。系統控制結構如圖1所示。縱坡傳感器可選配接觸式、超聲波、超聲波平衡梁、激光等不同形式的傳感器件。縱向控制器、橫向控制器、顯示器和傳感器采用模塊化設計以滿足各自不同的控制要求。模塊之間通信采用CAN總線方式。模塊化設計有利于系統集中操作以及系統擴展。

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??? 系統中控制器根據相應的傳感器信號控制電磁閥動作;顯示器為可選單元,安裝在操作室內,顯示每個控制器的參數和信息,還可以通過按鈕控制相應的控制器。

??? 3．1 控制器

??? 控制器為自動找平系統的核心部分。數據處理部分采用C8051F040單片機。C8051F040是由美國Cygnal公司生產的完全集成的混合信號系統級芯片SoC(System on Chip),具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核。它集成了構成單片機數據采樣或控制系統所需的所有模擬和數字外設及其他功能元件。C8051F040包括64 kB Flash、4352 B RAM、CAN控制器2．0、2個串行接口、5個16位定時器、12位A／D轉換器、8位A／D轉換器、12位D／A轉換器以及6個PCA模塊等．它內部還帶有JTAG接口,使調試非常方便。通訊部分主要采用C8051F040內部集成的CAN控制器,并留有其他主流通訊接口。基于CAN總線的設計可以隨意擴展任何新型傳感器,實現多種找平控制功能。

??? 3．1．1 顯示功能

??? LCD顯示：數字液晶顯示屏采用香港精電公司的DMF-50840點陣圖形液晶顯示模塊,其特點如下：分辨率320x240;亮度350流明;分區顯示系統狀態。包括左右縱坡顯示區及橫坡顯示區;液晶接口使用CPU總線、CPLD、顯存進行擴展;采用組合顯示,可讀性強。顯示控制器向上、下輸出;顯示坡度值及方向、超高值及方向、靈敏度、控制器參數和故障信息等。

??? LED顯示：僅用于指示當前閥驅動方向。它指示方向與LCD的箭頭方向一致。當操作人員處于距控制器較遠的位置時。LED的作用就會非常明顯。

??? 功能指示燈：用于自動功能指示、方向指示、基準繩功能指示。

??? 3．1．2 菜單功能

??? 功能選擇和參數設置,包括：橫坡傳感器識別;顯示橫向所測的的坡度數;傳感器選擇;選擇相應的傳感器類型;外部控制設置;是否允許其他設備(如顯示器鍵盤等)的控制命令有效,利用該功能來確定是否允許這一命令參與控制器的操作。

??? 靈敏度設定：如果配置不同類型的傳感器,系統的靈敏度要重新設置。調節范圍為1(低靈敏度)至10(高靈敏度),這組數據實際上是針對受很多因素影響的“死區”、“比例區”兩個參數而設置的。縱向傳感器和坡度傳感器需要分別設置。如果需要更換傳感器,則靈敏度值會自動保存。如果系統在自動狀態下工作很不穩定,則需要降低靈敏度。

??? 控制范圍設定：如果外部需要的控制偏差超過預先設定的控制范圍,系統將認為是故障信號,控制器將停止有關的驅動。僅對縱向傳感器有效。

??? 長度單位設定：預設顯示值的長度單位。長度單位可在“厘米”、“英寸”選擇。僅對縱向傳感器有效。

??? 位置系數：位置系數=執行部件的位置變化／傳感器產生的位置變化,實際下降高度=傳感器位置變化×位置系數。僅對縱向傳感器有效。

??? 自檢：檢測控制器狀態。
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??? 3．1．3 操作模式選擇

??? 包括自動模式(可以改變設定值,控制器自動工作,執行部件將被驅動)、半自動模式(可以改變設定值,控制器無輸出)、手動模式(控制器停止自動工作,不改變設定值)。

??? 控制器還具備以下功能：

??? 零點設置：設定標準值;自動識別傳感器的類型;故障診斷功能;檢測出由傳感器,電磁閥,連線或操作程序而出現的錯誤,并顯示出信息或以聲,光信號提示;系統上電時,控制器自檢;具有驅動電磁閥電路;校正功能;當顯示值與實際值不等時,需要進行參數校正;電源極性保護、電壓瞬變保護。

??? 3．2 橫坡傳感器

??? 采用SEIKA固態角度傳感器NB43210,具有模擬信號輸出,傾角靈敏度0．2°,全密封,用于檢測執行部件的坡度值。CPU選用C8051F040,采用其內置CAN總線接口,外部進行光電隔離。

??? 3．3 縱坡傳感器

??? 可選配接觸式、超聲波、超聲波平衡梁等不同形式的傳感器件。

??? 接觸式：旋轉電位計采用導電塑料電位器WDD35D系列,阻值1 kΩ～5 kΩ．獨立線性度0．2％。轉軸可以自零點位置向兩個方向轉動,利用其機械部件感應參考面進行距離檢測。經過C8051F040處理。通過CPU內置CAN總線接口發送,外部進行光電隔離。要求基準繩和參考面固定可靠。

??? 非接觸式：超聲波傳感器常采用多探頭超聲波技術。如圖2所示。該傳感器通過多點探測可以精確檢測到面或線的細微變化,經過微處理器處理,通過CAN接口發送給控制器。如果測量的是基準地面,對一個超聲波探頭其原理可用公式表示為：

??? L=1／2vt

??? 其中t為傳播時間,v為已知超聲波在介質中的傳播速度。超聲波傳播速度受溫度、空氣介質等環境因素的影響。這可以通過校準超聲波探頭檢測L1間的超聲波傳播時間t1來進行校正,即由L1=1／2vt1可得V=2L1／t1,于是有L=t／t1L1。超聲波傳感器為非接觸式測量,使用方便。

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??? 4 結束語

??? 數字式控制系統的人機界面友好,操作簡單,通過顯示器可以清楚地了解具體的偏差值和方向;通過修改軟件可以實現不同的控制方法;可以實現系統的智能化。具有故障分析能力,并發出報警信號,將事故消滅在萌芽狀態,減少經濟損失;以微處理器為核心的數字式控制器可以方便地實現控制器間的通訊。采用CAN總線通信方式使整個系統的結構更加緊湊,系統更加可靠,更具有實用性,易于系統及功能擴展。