基于CAN總線的電動(dòng)叉車工況檢測(cè)終端

王強(qiáng)+洪占勇+朱國(guó)強(qiáng)

摘 要：針對(duì)目前用戶對(duì)電動(dòng)叉車工況檢測(cè)要求愈來(lái)愈高以及各制造商也在不斷提高電動(dòng)叉車狀態(tài)信息可監(jiān)控性和安全性的情況，提出以MSP430F149為主控芯片、以CAN現(xiàn)場(chǎng)總線完成數(shù)據(jù)采集和傳輸并聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)出一套面向電動(dòng)叉車的遠(yuǎn)程工況檢測(cè)終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)叉車運(yùn)行狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將采集到的信息上傳到PC客戶端，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)叉車工況的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和信息采集。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)叉車；MSP430F149；CAN現(xiàn)場(chǎng)總線；工況檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）04-00-03

0 引 言

電動(dòng)叉車在使用過(guò)程中，其系統(tǒng)工況直接影響叉車的工作性能和使用效率。并且目前用戶對(duì)叉車工況監(jiān)控、維護(hù)保養(yǎng)等售后服務(wù)的要求也愈來(lái)愈高，因此各制造商在不斷提高叉車安全性的同時(shí)，也在不斷提高叉車工況檢測(cè)、維修等服務(wù)能力。其中，叉車工況檢測(cè)等售后服務(wù)水平將是叉車制造商、供應(yīng)商及銷售商為用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的主要著力點(diǎn)之一。研發(fā)有實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的電動(dòng)叉車工況檢測(cè)系統(tǒng)，關(guān)鍵在于獲取實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、保存狀態(tài)信息，從狀態(tài)信息中判斷車輛有無(wú)故障。因此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出經(jīng)濟(jì)適用的叉車工況檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)叉車的安全使用具有深遠(yuǎn)意義。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

電動(dòng)叉車工況檢測(cè)終端的主控芯片采用MSP430F149，通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線與電動(dòng)叉車的各控制器進(jìn)行通信，提取控制器內(nèi)部傳感器所獲取的電動(dòng)叉車運(yùn)行狀態(tài)信息，進(jìn)行存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示。并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器相聯(lián)，使工作人員可遠(yuǎn)程通過(guò)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)叉車的運(yùn)行狀態(tài)。

電動(dòng)叉車工況檢測(cè)系統(tǒng)集成了CAN現(xiàn)場(chǎng)總線通信、狀態(tài)信息存儲(chǔ)、信息實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)纫幌盗泄δ?，主要分為主控模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)顯示模塊、CAN通信模塊、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊。硬件設(shè)計(jì)將著重介紹主控模塊、電源模塊、CAN通信模塊、無(wú)線傳輸模塊的選擇和設(shè)計(jì)思路。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 主控模塊

主控芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制著系統(tǒng)中所有模塊的協(xié)調(diào)工作。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主控芯片的功能主要是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化；響應(yīng)SJA1000中斷，將監(jiān)聽(tīng)到的數(shù)據(jù)從SJA1000中讀出，并存儲(chǔ)到Flash中；驅(qū)動(dòng)顯示模塊對(duì)采集的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息進(jìn)行顯示；驅(qū)動(dòng)無(wú)線傳輸模塊將采集存儲(chǔ)的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)端服務(wù)器。

MSP430系列單片機(jī)是一種16位超低功耗，可實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)字信號(hào)、混合信號(hào)處理的單片機(jī)，具有低電壓、超低功耗、處理能力強(qiáng)、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、高性能模擬技術(shù)及片上外圍模塊豐富、開(kāi)發(fā)環(huán)境方便靈活等顯著特點(diǎn)[1]。本系統(tǒng)采用MSP430F149型單片機(jī)，它具有豐富的片上模塊，即48個(gè)可獨(dú)立編程的I/O、8路快速12位A/D轉(zhuǎn)換器、3個(gè)16位定時(shí)器、60 KB的Flash、2 KB的RAM。完全能夠滿足次檢測(cè)終端設(shè)計(jì)對(duì)主控芯片的要求。

1.2 電源模塊

系統(tǒng)的供電由電動(dòng)叉車車載蓄電池提供，但是叉車車載蓄電池的供電電壓為24V，不同于MSP430F149主控芯片的3.3V供電，所以需采用MP1584EN DC-DC轉(zhuǎn)換芯片將24 V電壓轉(zhuǎn)換為主控芯片可用的3.3 V工作電壓。

MP1584EN是一個(gè)高頻率、異步的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，其輸入電壓的范圍為4.5～28 V，具有軟件啟動(dòng)、精密的電流限制等特點(diǎn)。1.5 MHz的開(kāi)關(guān)頻率使其能有效防止電磁干擾。其24 V電壓轉(zhuǎn)3.3 V 電壓的轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

1.3 CAN通信模塊

調(diào)研FRC15型號(hào)的電動(dòng)叉車使用CURTIS控制器對(duì)叉車的動(dòng)力和方向進(jìn)行控制，并監(jiān)控電動(dòng)叉車中上百種狀態(tài)信息參數(shù)，提供CAN接口供上位機(jī)連接，以進(jìn)行叉車系統(tǒng)的調(diào)試與檢測(cè)工作。狀態(tài)信息主控單元通過(guò)控制器開(kāi)放的CAN通訊接口實(shí)時(shí)獲取控制器中的狀態(tài)參數(shù)信息。

整體的通信模塊由CAN控制器（SJA1000）、CAN總線收發(fā)（TJA1050T）、雙電源移位器74LVC4245等組成， 在系統(tǒng)硬件接口設(shè)計(jì)時(shí)，選用主控芯片P5口作為數(shù)據(jù)和地址總線對(duì)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)和地址的操作，選用P4口的部分管腳進(jìn)行對(duì)控制器的讀寫和使能操作，同時(shí)通過(guò)P1.0所具有的中斷功能對(duì)控制器的中斷進(jìn)行響應(yīng)。CAN通信電路的原理如圖3所示。

在CAN通信電路的設(shè)計(jì)中，為了防止總線接收器TJA1050T遭受過(guò)流沖擊，在其CANL和CANH引腳與外接端口CON2之間分別串聯(lián)一個(gè)5 Ω的電阻。其次為防止電磁輻射，濾除總線上的高頻干擾，在總線收發(fā)器的CANL和CANH兩引腳和地之間分別連接一個(gè)30 pF的電容[2]。TJA1050的電源引腳就近加入0.1 μF去耦電容。此外，在CAN總線的兩端和地之間還分別加入了一個(gè)瞬變抑制二極管（反接），目的在于總線的過(guò)壓保護(hù)。

在CAN通信電路設(shè)計(jì)中采用74LVC4245雙電源電平移位器來(lái)解決MSP430F149主控芯片與CAN控制器SJA1000之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)存在的電平邏輯問(wèn)題。

1.4 無(wú)線傳輸模塊

在國(guó)內(nèi)“互聯(lián)網(wǎng)+”潮流的背景下，將電動(dòng)叉車車況監(jiān)控終端與網(wǎng)絡(luò)化相聯(lián)系，進(jìn)行叉車狀態(tài)信息遠(yuǎn)程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)化診斷。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)叉車設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化順應(yīng)了國(guó)內(nèi)“互聯(lián)網(wǎng)+”的潮流。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，無(wú)線網(wǎng)傳輸模塊選用無(wú)線WiFi模塊CC3100。CC3100包含專用的ARM MCU，此MCU可完全免除主機(jī)MCU的處理負(fù)擔(dān)。包含802.11 b/g/n射頻、基帶和具有強(qiáng)大加密引擎的MAC及嵌入式TCP/IP和TLS/SSL堆棧與HTTP服務(wù)器和多個(gè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議[3]，大大簡(jiǎn)化了叉車狀態(tài)信息主控模塊的互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，作為模塊的從設(shè)備，與遠(yuǎn)程PC端服務(wù)器進(jìn)行通信。

2 軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要對(duì)電動(dòng)叉車進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)通信。主要程序包括系統(tǒng)的初始化程序、主處理程序、CAN通信程序、顯示和存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送程序。

2.1 系統(tǒng)的初始化

系統(tǒng)的初始化主要包括主控芯片MSP430F149的初始化、CAN控制器SJA1000的初始化以及無(wú)線WiFi模塊CC3100的初始化。主控芯片的初始化主要是對(duì)端口及定時(shí)器進(jìn)行初始化。CAN控制器SJA1000上電后處于復(fù)位狀態(tài)，必須初始化后才能收發(fā)數(shù)據(jù)。SJA1000的初始化即設(shè)置其工作模式，對(duì)其時(shí)鐘分頻寄存器、驗(yàn)收濾波、CAN波特率、輸出模式進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完后清零模式寄存器bit0位退出復(fù)位模式，進(jìn)入正常工作模式。

2.2 主處理程序

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后判斷網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。進(jìn)入中斷后，CAN通信模塊與叉車通信接口連接并通信，以提取數(shù)據(jù)。微處理器對(duì)數(shù)據(jù)處理后經(jīng)WiFi無(wú)線模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。其主程序流程圖如圖4所示。

2.3 CAN接收子程序

接收流程如圖5所示，主流程在中斷控制的報(bào)文接收之前必須使能CAN控制器的接收中斷。驗(yàn)收濾波器對(duì)要接收的報(bào)文驗(yàn)收后將其放在FIFO，之后產(chǎn)生一個(gè)接收中斷，主控芯片響應(yīng)后會(huì)將報(bào)文存入自身的報(bào)文存儲(chǔ)器，并置位命令寄存器的釋放緩沖區(qū)RRB。接收數(shù)據(jù)的順序?yàn)椋翰捎弥袛嘟邮眨P(guān)閉CPU中斷，判斷是否接受中斷，判斷是遠(yuǎn)程幀還是數(shù)據(jù)幀，讀取數(shù)據(jù)，開(kāi)中斷。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為FRC15型號(hào)的電動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)車，作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境的倉(cāng)儲(chǔ)間已被無(wú)線網(wǎng)覆蓋。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別在倉(cāng)儲(chǔ)車空載和滿載的情況下將本文設(shè)計(jì)的工況監(jiān)測(cè)終端通過(guò)CAN通信接口與倉(cāng)儲(chǔ)車的轉(zhuǎn)向控制器進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)提取控制器所采集的倉(cāng)儲(chǔ)車運(yùn)行狀態(tài)信息。并通過(guò)CC3100無(wú)線通信模塊與遠(yuǎn)程PC服務(wù)器進(jìn)行通信。遠(yuǎn)程PC客戶端對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。所顯示轉(zhuǎn)向控制器采集的狀態(tài)信息經(jīng)處理后如表1所列。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，所設(shè)計(jì)的工況監(jiān)測(cè)終端能比較準(zhǔn)確地提取叉車控制器所采集的狀態(tài)信息，并能通過(guò)無(wú)線網(wǎng)模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行通信，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的電動(dòng)叉車工況監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)CAN通信模塊和WiFi CC3100無(wú)線傳輸模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)叉車運(yùn)行狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)獲取、上載等功能。設(shè)計(jì)符合當(dāng)前用戶以及生產(chǎn)商對(duì)電動(dòng)叉車的要求。狀態(tài)信息主控模塊較好的耦合了不同類型控制器的叉車系統(tǒng)，提高了叉車系統(tǒng)狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)性和開(kāi)放性，同時(shí)還增強(qiáng)了系統(tǒng)的可用性與數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪浴＿h(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方式也符合物聯(lián)網(wǎng)概念，順應(yīng)電動(dòng)叉車系統(tǒng)的“互聯(lián)網(wǎng)+”潮流。

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