1、引言

工程設備的數字化、信息化及施工管理一體化是當前工程設備的發展熱潮，自20世紀90年代始，發達國家的制造業就已經開始進行相關技術的探索，高新技術大量應用于先進的工程設備設計中。同時，以微計算機為代表的智能控制器被大量采用，智能節點間的信息流量空前增加。將車載電子設備按照一定的協議聯網，并加以有效地信息綜合，使之達到資源和功能的共享已成為發展趨勢。

現場總線技術是指把單個分散的測量控制設備變成網絡節點，以現場總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通訊息、共同完成自控任務的網絡系統與控制系統。CAN（Controller Area Network）總線，又稱控制域局域網，屬于總線式串行通信網絡，最早由BOSCH公司在80年代提出，由于可靠性高、實時性強、靈活方便，便于檢測維護，因而被廣泛應用。在工程設備領域，美國CAT公司生產的CAT980G裝載機，日本小松的WA380-3和WA500-3，日本川崎的KLD80ZⅢ等均采用CAN總線技術，提高設備的整體控制技術水平。

根據CAN總線的技術特點，本文設計了一種基于CAN總線的工程設備控制系統，通過分布式智能控制來提高工程設備的控制技術和信息化水平。

2 、 系統組成與功能特點

2.1 系統組成

傳統的工程裝備控制系統采用集中式控制，除主控制器外一般都不具備可智能化的條件。基于CAN總線的控制系統采用分布式智能總線控制，將各功能模塊做成智能終端，再通過CAN總線連接，并輔之以一定的通訊協議，這樣不僅提高了整個系統的可靠性及智能化水平，同時降低了系統的復雜程度。

系統由主控制器、操縱盒、傳感器、執行機構和虛擬儀表等組成，各部件采用CAN總線互聯。主控制器負責系統的信息協調與處理；作業終端是作業手對作業過程進行干預的主要手段；傳感器負責感知系統的狀態；執行器負責完成經主控制器處理后的動作；虛擬儀表提供了一種可視化的人機界面，用文字或圖形的方式告知作業手器材當前的狀態；調試診斷儀負責定位系統故障源。各模塊都是自成一體的智能終端，各模塊可以有多個，只要給它們分配不同的標識符（ID號）即可，各模塊通過4芯屏蔽電纜并聯起來，4芯電纜中2根（電源正和電源負）用于給終端供電，另外2根（CANH和CANL）用于終端間通信。本系統組成如圖1所示。

2.2 系統功能特點

與傳統的集中式控制系統相比，本控制系統具有如下功能特點：

（1） 防誤操作功能。設計人員可以很容易地通過軟件編程屏蔽掉本系統中可能出現的誤操作，而只開放允許的操作，同時還可根據需要發出聲光報警，告知作業手有操作錯誤；

（2） 作業向導功能。操縱盒的智能化和系統數據的共享使得設計人員可以根據作業過程，通過軟件編程點亮相應的指示燈，告知作業手許可的操作。實現器材操作的“傻瓜”化；

（3） 系統自我診斷自我恢復。智能化終端可以方便地對自身的狀態進行診斷，并向總線發送相關信息供其它智能節點處理用，使器材使用者不用掌握太多的專業知識就可以容易地判斷問題所在；同時對于總線內部錯誤，總線系統可以通過自身軟件進行自動恢復

（4） 狀態指示。通過虛擬儀表或操縱盒指示燈指示器顯示系統當前狀態。

（5） 數據共享，信息全面，可靠性高。系統的所有數據都可在CAN總線上接收到，可以很容易地實現信息共享，減少了數據的重復處理，降低了對主控制器的要求；同時CAN總線具有線間干擾小、抗干擾能力強的特點。系統采用模塊化管理，各模塊按其功能分散布置，簡化了布線并縮短了線束的長度，從而降低了耦合電流的產生，減小了線間干擾。同時在軟件上，CAN總線采用短幀傳輸，這樣使總線數據報文在傳輸過程中有較強的抗干擾能力；

（6） 擴充性強，產品升級快，性價比高。

（7） 參數配置靈活。可以通過CAN總線進行參數配置，如開關量可以根據廠家需求設置其門限及控制極性（正負控），模擬量可根據廠家提供的傳感器性能曲線進行校正，相關位置量也可以方便地進行總線標定，縮短產品調試時間。

3 、 總線通訊協議設計

CAN 通信協議主要描述設備之間的基于基本CAN通信的應用程序信息傳遞方式。CAN 通信層的定義與開放系統互連（OSI）參考模型一致，但只定義了最下面兩層：物理層和數據鏈路層。由于沒有規定應用層，因此CAN協議本身并不完整，需要一個應用層協議來定義CAN報文中的標識符（11/29位）、8字節數據的分配與使用。目前國際上使用較多的高層協議有CANopen、J1939和DeviceNet等，但是由于工程設備的控制節點一般不多，完全可以根據自身特點，設計高效的應用層協議。下面給出幾個實用的設計方法。

3.1 報文ID的設計

在通信標識符，即ID號分配時，對于關重信息幀或要求快速響應的信息幀采用低號ID，如裝備控制中需要實時反饋信號的各作業機構到位信號；對于傳遞僅用于監測而不參與實時控制信號的信息幀應采用高ID號，如油溫、油壓、車姿等狀態信息。

另外，在驗收濾波器中對驗收代碼寄存器（ACR）和驗收屏蔽寄存器（AMR）正確設置可以屏蔽與該節點不相干的ID號信息，可以提高有效信息的響應速度。

3.2 報文的循環發送與查詢發送

對于參與控制的重要信息幀一般應采取定時循環發送方式，保證信息的實時刷新；而對于軟硬件版本查詢、參數標定等需要臨時數據服務的則主要采用C/S（客戶機/服務器）方式進行信息幀發送，即進行特定的信息幀定義，當服務器收到客戶機的參數查詢或標定請求后再處理并發送相應的回饋信息幀。

3.3 “心跳”檢測

當數據源節點退出總線后（故障或人為退出），接收節點相應的接收數據緩沖區的數據必須進行復位，防止數據不一致造成非期望事件發生。因此，一般要求源節點定時發送“心跳”信息，即設計一特定的信息幀或把特定信息幀中的某一位設計成代表該節點的“心跳”，節點啟動工作后每隔一定時間發送“心跳”信息幀或定義的“心跳位”高低電平變化一次，這樣如果在一定的時間內沒有收到該節點“心跳”信息，則可以判斷節點不在總線上，進而做出相應的事件處理。

3.4 傳輸錯誤檢驗

為了提高數據通訊的可靠性，對于關鍵數據幀（如標定數據幀），采用和校驗的方式防止數據傳輸錯誤，即數據源節點將最后一個數據字節定義為校驗字節，采用累加和等校驗等方式，將運算結果的低8位（即低位字節）作為校驗數據值。數據接收節點收到數據幀后，通過運算進行比較，結果無誤后再進行相應的賦值處理。

3.5 數據查詢與參數標定

數據查詢和標定采用重復發送控制信息直到得到特定反饋信息才結束的通信方式，流程如圖2所示。

4 、 CAN總線作業終端設計

將作業終端設計成一個智能節點，采用CAN總線通信，則可以減少連接線纜芯數的數量，提高工作可靠性；同時數據傳輸內容豐富，可以傳遞狀態信息，也可以傳送報文信息，提高信息化程度；并可增加通信距離，提高工作的適應性。

（1）硬件設計

基于帶CAN總線控制器的單片機PIC18F458系統設計，通過CAN總線收發器MCP2551與其它節點總線相連，外圍有開關量輸入電路、模擬量輸入電路、數碼管顯示電路、開關量輸出電路、CAN收發器和電源電路等，見圖3。

5、 主控制器設計

主控制器為主要的操作信號采集的執行單元，它將系統的操縱信號進行防誤操作處理后控制作業機構的執行元件。

主控制器采用EPEC 系列高可靠性可編程控制器（PLC）設計，該系列控制器在國內外工程機械中應用較廣泛，具有兩個CAN通訊口，本身即可兼做多協議的網關。該型控制器具有以下優點：抗電磁干擾、抗振動、耐油、適應環境能力強、結構緊湊、密封性好、具有自我保護能力的特點，可以長期在野外惡劣環境條件下工作，可以直接驅動多種執行器，如電液比例閥、伺服馬達等，特別適用于移動設備的使用。當然，就CAN系統作業集成角度來看，STW，INTER CONTROL等控制器的性能也較好，各有其特色，可以根據控制需求進行選擇。

6、 虛擬儀表設計

虛擬儀表主要用于終端顯示，以提供各種作業信息。選用PC104主板作為嵌入式計算機系統的硬件，硬件配置表如表1所示，軟件采用實時性好的VxWorks操作系統，利用VxWorks BSP包完成移植。

虛擬儀表可以完成工作狀態顯示、傳感器數據標定、視頻顯示等，提供了良好的人機交互界面，并可以通過RS232接口接入導航定位信息，提高裝備的信息化程度。

7 、 CAN總線調試診斷儀設計

調試診斷儀基于BIT技術，采用嵌入式系統架構，硬件以ARM控制器為核心。ARM系列處理器采用32位嵌入式RISC結構，內部集成多級流水線以提高處理器指令的執行速度，其強大功能與外圍電路的配合，將信號采集、處理、故障診斷及網絡通信等功能集于一體，特別適合作為智能儀器設備的開發平臺。HMS30C7202是基于ARM720T的32位處理器，包括了PC機的所有基本功能。具有高性能低功耗的特點，片內資源非常豐富，具有極高的集成度，非常適用于嵌入式系統應用。調試診斷設備硬件由基于ARM芯片HMS30C7202的核心模塊加外圍電路組成，見圖4。為了充分發揮ARM芯片的效率，提高任務級的響應時間，采用實時內核μC/OS-II來進行資源管理。μC/OS-II是一個完整、可移植的搶占式實時多任務操作系統，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強的特點。用戶界面基于MiniGUI平臺進行開發，極大地提高了人機交互性能。

8、 結語

智能化、信息化是工程機械裝備的發展方向，將先進的現場總線技術應用其中必將使裝備智能化、信息化更易實現。文設計的基于CAN總線的工程設備控制系統具有功能完善、通用性好、使用方便等特點，并且技術架構先進，符合工程設備控制系統向分布式智能控制的總體發展方向。通過多項軍用與民用設備的應用實踐表明，系統工作可靠，實時性好，功能拓展方便，維修性和測試性好，具有良好的推廣應用前景。

本文創新點是將CAN總線技術應用于工程設備控制系統，使其智能信息化程度高、通用性、維修性和測試性好，以提高工程設備的綜合性能。通過相關設備控制系統的配套，成果應用已產生經濟效益近20萬元。

責任編輯：gt