基于CAN總線嵌入式工程機械控制系統(tǒng)研究

摘 要：通過 CAN總線實現(xiàn)對各傳感器信號的采集以及輸出裝置的控制，使得系統(tǒng)容易構建，布線安裝方便；同時系統(tǒng)抗干擾能力強、可靠性高、實時響應性好。而且通過CAN總線的應用，使該起重力矩控制系統(tǒng)能夠作為一個子系統(tǒng)嵌入到其他工程機械的控制系統(tǒng)中。

關鍵詞：CAN總線；嵌入工程機械；控制系統(tǒng)

中圖分類號：T-1 文獻標志碼：A 文章編號：1673-291X（2012）04-0336-02

隨著嵌入式技術、網絡技術、自動控制技術逐步應用到工程機械控制系統(tǒng)中，其性能和集成度也隨之得到了很大的提高，這使得其操作更便利、安全性更高。工程機械采用基于集中控制方式的方案，使用多個ECU 單元并行工作，各ECU 之間的通訊越來越復雜，必然導致了更多的信號連接線，使控制系統(tǒng)安裝、維護煩瑣，運行的可靠性、應用的靈活性降低，維修難度增大。為提高系統(tǒng)中信號的利用率，要求有大量的數(shù)據信息在不同的控制單元中共享，大量的控制信號也需要實時交換。因此，工程機械控制中傳統(tǒng)的集中控制式系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代工程機械對通訊功能的要求。如何提高系統(tǒng)的性能，開發(fā)通訊應用的靈活性和方便性，降低使用和維護的成本不僅是現(xiàn)代工程機械必須解決的問題，也正是 CAN總線在工程機械控制系統(tǒng)中的應用能夠有效解決這些問題。

一、CAN系列功能模塊簡介

CAN系列功能模塊主要針對工業(yè)應用設計，適用于各種工業(yè)控制領域。CAN 系列功能模塊通過隔離電源供電，在模塊內部輸入輸出單元與控制單元之間采用光電隔離，并對輸入信號采取濾波措施，極大地降低了工業(yè)現(xiàn)場干擾對模塊正常運行的影響，使模塊具有良好的可靠性，完全符合工業(yè)應用的需要。此外CAN 系列功能模塊采用表面安裝工藝，大大提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。將CAN系列功能模塊、ZLG系列CAN接口卡組建成一個可靠控制、易于開發(fā)的CAN總線應用網絡以及在工程機械控制網絡中快速應用的方法。通過 CAN總線實現(xiàn)對各傳感器信號的采集以及輸出裝置的控制，使得系統(tǒng)容易構建，布線安裝方便；同時系統(tǒng)抗干擾能力強、可靠性高、實時響應性好。而且通過CAN總線的應用，使該起重力矩控制系統(tǒng)能夠作為一個子系統(tǒng)嵌入到其他工程機械的控制系統(tǒng)中。

二、工程機械控制系統(tǒng)的國內外發(fā)展現(xiàn)狀

在20世紀工程機械誕生和發(fā)展的五十年中，它在人類改造自然的過程中發(fā)揮了巨大的作用，從二戰(zhàn)以后的經濟恢復期、經濟高速增長期到現(xiàn)在的經濟平穩(wěn)發(fā)展期間，工程機械在能源開發(fā)、交通建設、建筑等方面發(fā)揮了巨大的作用。特別是改革開放以來，中國工程機械行業(yè)目前已經逐步走向規(guī)模化發(fā)展方向。各種各樣的設備生產及零部件加工基本能夠滿足國內外一般市場需求，但由于中國許多的生產廠家至今沒有掌握當今世界工程機械制造領域里最頂尖的核心技術，如挖掘機等設備里必不可少的大流量泵、閥、缸、變速箱、過橋等產品的精密制造技術和熱處理技術，使絕大部分產品在國際主流市場上處于二、三流產品的地位，價格僅為世界一流產品的1/2或1/3。與日本企業(yè)生產的各類工程機械每年出口量為全國總產量的60%，韓國為70%，美國和德國差不多為50%相比，我們的差距是顯而易見。因此，有必要進行對工程機械等設備的研究與開發(fā)。

中國的工程機械行業(yè)總體水平與國際先進水平相比，要落后大約15年，但是中國的工程機械行業(yè)也具備了相當?shù)囊?guī)模，可以生產16大類，219個系列，1 000多個型號，3 000多個品種的各類機械工程產品，產品主要供應國內市場。國外進口的工程機械在中國工程應用中，占40%，國產的產品占60%。

“十一五” 期間，雖然國內企業(yè)新產品開發(fā)和老產品更新速度加快但是借鑒國際先進產品進行技術移植或重新“克隆”的較多。雖然改變了機型其中核心技術、關鍵零部件自主開發(fā)的少造成這種現(xiàn)象的主要原因是技術開發(fā)力量薄弱投入的開發(fā)資金有限。目前只有少數(shù)幾個企業(yè)集團技術開發(fā)水平達到或接近發(fā)達國家水平但產品總體技術水平與發(fā)達國家相比仍有較大差距。尤其是大型施工成套設備國產化率很低如大型土石方施工機械、大型架橋機、大型箱型混凝土梁轉運機、盾構機與全斷面掘進機成套設備、高等級公路大型瀝青混凝土再生成套設備等領域主要依靠國外直接進口或利用國外先進技術合作生產。另外，國外先進企業(yè)以電子、信息技術為先導在計算機故障診斷與監(jiān)控、精確定位與作業(yè)發(fā)動機燃料控制和人機工程學等方面進行了大量的研究與開發(fā)提高了產品的技術含量而國內只有極少數(shù)產品達到了信息化和智能化水平。

目前中國工廠機械產品平均無故障間隔時間為200~300小時不等，而國際先進水平已達到500~800小時，不采用進口發(fā)動機的大修期壽命只有4 000~5 000小時，而國際先進水平已達到8 000~10 000小時，功率超過200千瓦大型產品達到近20 000小時可見產品可靠性和大修期壽命是中國工程機械缺乏國際競爭力的主要問題工程機械整機可操作性和使用壽命，60%~70%故障來自于零部件及發(fā)動機，其中，柴油發(fā)動機是衡量整機水平的主要指標之一，液壓元件和傳動變速箱等部件是否漏油和工作可靠性是影響整機水平的關鍵因素。中國工程機械制造業(yè)總體規(guī)模已進入國際生產大國行列，但總體競爭和發(fā)展后勁仍無法與發(fā)達國家相抗衡，目前國內高端用戶和出口產品配套的基礎零部件主要依靠進口。

自20世紀90年代以來，國外工程機械進入了一個新的發(fā)展時期，在廣泛應用新技術的同時，不斷涌現(xiàn)出新結構和新產品。繼完成提高整機可靠性任務之后，技術發(fā)展的重點變?yōu)樵黾赢a品的電子信息技術含量，努力完善產品的標準化、系列化和通用化，改善駕駛人員的工作條件，向節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展。

近幾年，國外工程機械產品以信息技術為先導，在發(fā)動機燃料燃燒與電控、液壓控制系統(tǒng)、自動操縱、可視化駕駛、精確定位與作業(yè)、故障診斷與監(jiān)控、節(jié)能與環(huán)保等方面，進行了大量的研究，開發(fā)出許多新結構（或系統(tǒng)）和新產品，提高了工程機械的高科技含量，促進了工程機械的發(fā)展。

三、CAN總線嵌入式工程機械控制系統(tǒng)的要求及其難點

近年來，隨著建筑施工和資源開發(fā)規(guī)模的擴大，對工程機械需求量迅速增加，因而對其可靠性、維修性、安全性和燃油經濟性也提出了以下更高的要求：一是系列化、特大型化要求。系列化是工程機械發(fā)展的重要趨勢。著名大公司逐步實現(xiàn)其產品系列化進程，形成了從微型到特大型不同規(guī)格的產品。與此同時，產品更新?lián)Q代的周期明顯縮短。所謂特大型工程機械，是指其裝備的發(fā)動機額定功率超過746kW （1 000HP）。二是多功能化、多用途、超小型化、微型化為了全方位地滿足不同用戶的需求。工程機械在朝著系列化、特大型化方向發(fā)展的同時，已進入多用途、超小型化、微型化發(fā)展階段。推動這一發(fā)展的因素首先源于液壓技術的發(fā)展——通過對液壓系統(tǒng)的合理設計，使得工作裝置能夠完成多種作業(yè)功能；為了盡可能地用機器作業(yè)替代人力勞動，提高生產效率，通過利用GPS（全球定位系統(tǒng)）、GIS 和GSM技術，多功能化作業(yè)來改變單一作業(yè)功能。多功能化作業(yè)也已從中、大型工程機械應用的局限中解脫出來，在小型和微型工程機械上也開始了應用。三是節(jié)能與環(huán)保的需求。為提高產品的節(jié)能效果和滿足日益苛刻的環(huán)保要求，工程機械公司主要從降低發(fā)動機排放、提高液壓系統(tǒng)效率和減振、降噪等方面入手。目前人機工程學、無污染綠色施工等成為人們的共識。

CAN總線嵌入式工程機械控制系統(tǒng)能夠通過圖形界面完整地實現(xiàn)控制功能，如果監(jiān)控器有特殊消息向管理中心發(fā)送，例如故障，停機時間也會在相應的消息區(qū)顯示，同時可以針對系統(tǒng)故障設定相應的反應時間本系統(tǒng)要求能夠實現(xiàn)本地控制功能，還有各種接口，包括網絡、CAN 總線、顯示接口等，可以將本機狀態(tài)信息發(fā)送到遠程控制中心。上位機基本界面的顯示，系統(tǒng)采用320*240的LCD顯示器來開發(fā)圖形界面，LCD顯示器上將顯示系統(tǒng)信息區(qū)、狀態(tài)參數(shù)區(qū)、故障指令區(qū)三個部分，接收下位機信息由下位控制監(jiān)控器進行。包括GPS數(shù)據處理和GSM通信，系統(tǒng)根據下位監(jiān)控器傳送的信息，計算系統(tǒng)所需要的參數(shù)，并將需要發(fā)送的參數(shù)存儲到指定的數(shù)組里面。在此基礎上，分別對硬件、GPS數(shù)據處理和GSM通信模塊、上位機圖形顯示系統(tǒng)進行檢測，并對系統(tǒng)的噪聲污染、電磁信號污染進行檢測，并記錄相關的檢測報告。

目前CAN總線嵌入式工程機械控制系統(tǒng)的難點如下：（1）CAN總線的擴展，本課題選用飛利浦公司生產的SJA1000芯片與ARM擴展鏈接，直接采用 CPU的總線擴展。而使用總線方式擴展CAN總線接口，要解決ARM系統(tǒng)和SJA1000芯片的時序配合。（2）GPS數(shù)據處理，利用系統(tǒng)中的GPS模塊實時獲取移動終端的地理位置信息，GPS模塊與系統(tǒng)的串口1相連接，每秒鐘向監(jiān)控器發(fā)送信息。（3）GSM通信，GSM通信部分分擔的任務是 通過使用GSM通信模塊每分鐘向管理中心發(fā)送本機信息，在發(fā)生故障或者有緊急情況下發(fā)送信息，同時接收管理中心信息，GSM通信模塊與系統(tǒng)的串行口2相連。（4）數(shù)據處理與故障處理。

四、結語

工程機械控制系統(tǒng)在朝著系列化、特大型化方向發(fā)展的同時，已進入多用途、超小型化、微型化發(fā)展階段。推動這一發(fā)展的因素首先源于液壓技術的發(fā)展——通過對液壓系統(tǒng)的合理設計，使得工作裝置能夠完成多種作業(yè)功能；為了盡可能地用機器作業(yè)替代人力勞動，提高生產效率。將CAN系列功能模塊、ZLG系列CAN接口卡組建成一個可靠控制、易于開發(fā)的CAN總線應用網絡以及在工程機械控制網絡中快速應用的方法。本課題通過 CAN總線實現(xiàn)對各傳感器信號的采集以及輸出裝置的控制，使得系統(tǒng)容易構建，布線安裝方便；同時系統(tǒng)抗干擾能力強、可靠性高、實時響應性好。而且通過CAN總線的應用，使該起重力矩控制系統(tǒng)能夠作為一個子系統(tǒng)嵌入到其他工程機械的控制系統(tǒng)中。

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