CAN總線控制技術及其在洗掃車上的模塊化應用

陳增志

福建龍馬環(huán)衛(wèi)裝備股份有限公司環(huán)境產(chǎn)業(yè)研究院 福建龍巖 364000

1 前言

2 當前洗掃車控制系統(tǒng)存在問題

隨著環(huán)衛(wèi)機械的不斷發(fā)展、其譜系的不斷完善，因底盤、副發(fā)動機、掃盤結構等不同，可組合成多種型號的洗掃車，原根據(jù)不同洗掃車獨立設計的控制系統(tǒng)方案已難以滿足產(chǎn)品的模塊化、標準化設計需求。目前洗掃車控制系統(tǒng)主要存在以下3個問題：

a. 目前洗掃車控制系統(tǒng)有多種形式的操作面板、控制箱，如操作面板與控制箱分開獨立設計的天錦底盤車型，操作面板與控制箱集成設計并安裝于副座的解放底盤等，這導致了洗掃車的電控箱難以進行標準模塊化設計。

b. 目前洗掃車控制系統(tǒng)的人機操作不太理想，人機交互方式并不是很友好，面板與駕駛室內飾不協(xié)調，用戶在操作上裝作業(yè)裝置時需格外集中注意力。

c. 受限于當前控制系統(tǒng)的輸入輸出點數(shù)，目前控制系統(tǒng)采用控制器控制的功能主要為9種洗掃作業(yè)模式，其余控制功能均采用直接開關或繼電器控制。對于直接控制的控制信息不便于智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)終端模塊的采集與監(jiān)控，且會導致控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)模塊化管理與設計。

為解決上述存在的問題，本文詳細介紹了總線控制系統(tǒng)的組成、功能特點及其通訊協(xié)議的設計，并提出基于CAN總線控制技術的洗掃車模塊化控制系統(tǒng)。

3 總線控制系統(tǒng)的組成

基于CAN總線的環(huán)衛(wèi)機械控制系統(tǒng)將各功能模塊設計成相對獨立的總線模塊，各模塊間采用CAN總線連接通信，通信協(xié)議采用標準化的企業(yè)標準或國際標準等（如J1939）。具體如圖1所示，總線控制系統(tǒng)由主控制器、顯示屏、分布式IO、傳感器模塊及其他功能節(jié)點等組成。其中，主控制器模塊負責總線系統(tǒng)各模塊信息體的集成與主邏輯處理；顯示屏模塊則主要提供控制系統(tǒng)的人性化操作，用于顯示控制系統(tǒng)當前的主要工況狀態(tài)；傳感器模塊負責感知系統(tǒng)各作業(yè)狀態(tài)參數(shù)；分布式I/O模塊負責接收主控制器的指令，并驅動相應的電磁閥或執(zhí)行元件等；其余總線節(jié)點為掛接在總線網(wǎng)絡上的其他總線功能模塊，用于采集或接收系統(tǒng)的各類控制信息參數(shù)，如CAN操作面板模塊、發(fā)動機ECU模塊、無線終端模塊等。環(huán)衛(wèi)機械智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲及系統(tǒng)組成如圖1所示[2]。

圖1 基于CAN總線的環(huán)衛(wèi)機械智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲及系統(tǒng)組成

4 總線通訊協(xié)議的設計

CAN通信協(xié)議主要描述設備之間基于CAN通信的應用程序信息傳遞方式[3]。對于環(huán)衛(wèi)控制系統(tǒng)來說，CAN總線控制器的通信層已經(jīng)定義了包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層在內的最下面兩層。但沒有指定或規(guī)定應用層，用戶可以自行定義應用層協(xié)議，可根據(jù)環(huán)衛(wèi)控制系統(tǒng)的實際需求分配與使用CAN報文中的ID標識符、8字節(jié)數(shù)據(jù)。目前常用的國際標準應用層協(xié)議有CANopen、J1939等，當前環(huán)衛(wèi)裝備控制系統(tǒng)的總線控制節(jié)點一般不多，可以根據(jù)自身特點及應用需求，設計出高效的應用層標準化協(xié)議，如對于電控發(fā)動機的控制采用J1939協(xié)議，對于上裝專用裝置的控制則采用企業(yè)自定義的標準化協(xié)議。具體的協(xié)議可從以下幾個方面著手設計編制。

4.1 報文標識符的分配

報文標識符的分配，即總線數(shù)據(jù)信息分類并分配報文ID號時，低地址ID號在總線網(wǎng)絡物理層中的優(yōu)先級更高，適用于響應要求高或關鍵的信息幀，如總線網(wǎng)絡中需要實時控制或反饋信號的發(fā)動機油門控制信號、故障信息及各專用作業(yè)裝置機構的到位信號等；高地址ID號在總線網(wǎng)絡物理層中的優(yōu)先級較低，適用于只監(jiān)測而不參與實時信號控制的信息幀，如車輛靜態(tài)信息或發(fā)動機水溫、油壓、油耗等狀態(tài)信息。

4.2 報文的循環(huán)發(fā)送與查詢發(fā)送

為保證關鍵控制信息的實時性，有參與控制的重要或關鍵信息幀需采取定時循環(huán)廣播發(fā)送方式，如發(fā)動機轉速控制TSC1報文、安全動作控制報文；而對于軟硬件版本號、車輛配置信息的查詢等臨時數(shù)據(jù)服務的信息則主要采用請求發(fā)送方式，即進行特定請求、應答信息幀的定義，當某個節(jié)點需要某個需請求的信息時，往總線網(wǎng)絡中發(fā)送請求信息幀，目標節(jié)點收到請求節(jié)點的參數(shù)查詢請求幀后，將包含請求參數(shù)的反饋信息幀發(fā)送回該總線回路中。

米多有些擔心鮑澤。他覺得鮑澤可能患上了精神分裂癥，而且越來越嚴重。他突然想起什么，把手伸進了筆筒里，隨即心里“咯噔”一跳——錄音筆不見了。

4.3 總線“心跳”機制設計

當某一個或部分總線節(jié)點退出總線網(wǎng)絡后，總線網(wǎng)絡中其他節(jié)點相應的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)作復位處理，對于涉及安全方面的信息幀還需進行相應的邏輯互鎖設計，以有效防止數(shù)據(jù)丟失不一致造成非期望事件或安全事故的發(fā)生。因此，一般總線網(wǎng)絡系統(tǒng)的各通信節(jié)點都會把某一特定的信息幀中的某一個位設計成代表該節(jié)點是否在線的“心跳”信息，各總線節(jié)點正常上線工作時會固定周期發(fā)送“心跳”信息幀，“心跳位”在每個發(fā)送周期高低電平變化一次。這樣，如果在超過發(fā)送周期的一定時間內某個節(jié)點的“心跳”信息位處于恒定值不變，則可以判斷該節(jié)點已退出總線網(wǎng)絡，進而通過故障預警機制在人機界面中進行顯示或提示，方便線路故障的排除，同時其余節(jié)點按預先設計的總線掉線機制做出相應的事件處理。

5 CAN總線在洗掃車模塊化控制系統(tǒng)中的實際應用

CAN總線及其相關技術給洗掃車控制帶來了一個嶄新的歷程，CAN總線使系統(tǒng)設計變得更加靈活化，信息的傳輸質量更好，在CAN總線技術在洗掃車模塊化控制應用中有巨大的優(yōu)勢。下面以洗掃車為例，介紹CAN總線系統(tǒng)在洗掃車模塊化電控系統(tǒng)中的應用。

5.1 洗掃車模塊化控制系統(tǒng)方案及系統(tǒng)框圖

洗掃車模塊化控制系統(tǒng)方案框圖如圖2所示。具體地，綜合考慮到不同底盤、不同副發(fā)動機、不同掃盤結構對控制系統(tǒng)的功能需求不大一樣，洗掃車模塊化控制系統(tǒng)擬選用7英寸8按鍵顯示屏CR9453及CAN總線面板作為主要的人機設備，洗掃車主要動作通過操作7英寸顯示屏即可完成，主操作設備與控制器之間采用CAN總線連接通信?？刂破鞑捎靡赘ｉTCR0200控制器，其有32路輸入，48路輸出，共80個I/O口，可直接控制上裝所有的電磁閥組、用電設備，并預留有一定的輸入輸出口，方便控制系統(tǒng)功能的擴展，所有洗掃車控制應用需求可在此平臺上進行開發(fā)，兼容其主要特殊配置，方便控制系統(tǒng)后期的維護升級。

圖2 洗掃車模塊化控制系統(tǒng)框圖

5.2 系統(tǒng)控制原理的設計

考慮到不同底盤、不同副發(fā)動機、不同掃盤結構對電控系統(tǒng)的要求不一樣，如同為東風天錦底盤、副發(fā)動機同是采用某公司生產(chǎn)的QSB5.9-CM2880發(fā)動機，只是掃盤結構不一樣：一種采用四盤掃，另一種采用兩掃盤，這都將導致電磁閥組、電控箱、操作面板功能的布局、線束等部件不能通用。為了實現(xiàn)洗掃車控制系統(tǒng)模塊化設計，需設計出通用化的控制原理，控制器輸入輸出點數(shù)必須滿足所有16 t以上洗掃車的控制功能需要，同時得預留一定的輸入輸出口，方便控制系統(tǒng)功能的擴展和升級，實現(xiàn)不同副發(fā)動機及電氣單發(fā)系統(tǒng)的可選擇配置。兼容兩盤掃和四盤掃洗掃車的控制原理，生產(chǎn)時可以根據(jù)實際需要選擇相應的副發(fā)動機和掃盤結構（兩盤掃、四盤掃）原理要求進行裝配生產(chǎn)。將常用的選裝配置功能（后噴霧、前滾掃、警燈等）進行系統(tǒng)集成設計，可提高后續(xù)的設計效率。

5.3 CAN總線網(wǎng)絡、協(xié)議的設計

利用CAN總線技術合理搭建洗掃車控制系統(tǒng)的CAN拓撲網(wǎng)絡，實現(xiàn)洗掃車顯示屏、控制器、CAN總線面板、副發(fā)動機、底盤及無線終端模塊之間的數(shù)據(jù)交換與通訊，形成洗掃車模塊化信息管理交互系統(tǒng)?？刂破鳌@示屏、CAN總線面板有大量數(shù)據(jù)需交互通信，如顯示屏要采集并顯示控制系統(tǒng)的所有信息，并處理傳輸合適的控制指令給控制器或其他控制執(zhí)行模塊。同時控制器接收大量來自顯示屏、CAN面板、傳感器等的操作指令或輸入信號，并根據(jù)整車的控制功能邏輯輸出給電磁閥組或用電設備，進而達到洗掃車的智能化、便捷式控制。因此，各種不同控制類型模塊的邏輯控制與通訊既相互獨立又互為一體，系統(tǒng)子部件間的聯(lián)系關系錯綜復雜，需對各子部件的功能或角色進行合理分配，通過合理的設計CAN總線網(wǎng)絡、通信協(xié)議，才能更好地實現(xiàn)各類型洗掃車的多種控制功能需求。

合理設計顯示屏、控制器及CAN總線面板相互間的企業(yè)標準化CAN通訊協(xié)議，包括各子系統(tǒng)間通訊地址的定義，各數(shù)據(jù)ID及數(shù)據(jù)內容的定義，各數(shù)據(jù)位的定義，數(shù)據(jù)內容的發(fā)送與接收格式的定義等，以方便與后續(xù)跟隨車輛功能的升級進行擴展、變更，并達到兼容早期版本的效果。因通信協(xié)議會直接涉及到軟件的運行效率及擴展性能、無線終端模塊數(shù)據(jù)采集的便利性，需統(tǒng)籌整車的控制器、顯示屏、CAN面板、副發(fā)動機、底盤、無線終端模塊等所有系統(tǒng)子部件間的通信數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)統(tǒng)計分類，最后按一定的規(guī)律分配通信地址，在保證通信地址不沖突的前提下又具有足夠的擴展空間。

5.4 人機界面的設計

顯示屏需實現(xiàn)所有洗掃車的常用控制功能，將9種洗掃模式、掃盤轉速、掃盤噴水、一鍵油門調速等功能匯聚在同一個界面上完成，實現(xiàn)洗掃、清洗、掃路等作業(yè)的一鍵式操作。低壓清洗作業(yè)、常用選裝動作、高壓清洗動作采用同一界面，方便不同車型功能的管理、擴展以及程序的更新維護。出廠設置界面需設計不同車型選擇項，根據(jù)不同車型的不同配置，選擇切換為不同的控制程序控制。利用人機工程學在7英寸8按鍵顯示屏上合理有效地實現(xiàn)副發(fā)動機狀態(tài)的監(jiān)控、系統(tǒng)I/O口狀態(tài)的監(jiān)控、清掃作業(yè)的操作、料箱后門的操作、清洗作業(yè)的操作、系統(tǒng)報警的提示、系統(tǒng)參數(shù)的查詢、系統(tǒng)線路的調試（開路或短路）排查維修、輔助作業(yè)的操作、用戶參數(shù)的設置及出廠參數(shù)的設置等。另外，在設計顯示屏界面時，需考慮到顯示屏界面對于不同底盤、副發(fā)動機及掃盤結構等的兼容性，通過軟件邏輯編程、界面的嵌套，實現(xiàn)不同底盤、副發(fā)動機及掃盤結構的控制程序的選擇和切換。如圖3以顯示屏的人機主界面為例，主界面顯示了洗掃車的當前作業(yè)狀態(tài)信息、報警信息及副發(fā)動機轉速、水溫、油壓等，同時可通過主界面進入各子界面及子界面嵌套界面。

5.5 軟件架構的設計

軟件架構的設計，包括程序層級設計、各功能塊的分配、關鍵邏輯流程的優(yōu)化設計、軟件通用性設計。因軟件架構的設計會直接影響到軟件后續(xù)的可維護性及功能擴展，需綜合考慮各方面的因素，如原軟件系統(tǒng)架構的優(yōu)缺點、已解決或未解決的BUG、在模塊化設計時的局限性等，在修復原軟件架構缺陷的同時還需考慮到未來洗掃車可能會新增哪些類型的功能，以便預留好合適的軟硬件接口進行擴展。

圖3 人機主界面

6 結語

智能化、信息化是環(huán)衛(wèi)機械裝備的發(fā)展方向, 將先進的現(xiàn)場總線技術應用其中必將使裝備智能化、信息化更易實現(xiàn)。本文設計的基于CAN總線的環(huán)衛(wèi)車控制系統(tǒng)，結合環(huán)衛(wèi)設備的具體控制需求，以洗掃車模塊化控制系統(tǒng)為例，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，讓環(huán)衛(wèi)設備的所有操作變得更加簡單、高效，符合環(huán)衛(wèi)設備控制系統(tǒng)逐步走向智能化控制的總體發(fā)展方向。通過多系列環(huán)衛(wèi)車型（如洗掃車、掃路車、垃圾車）的應用實踐表明，系統(tǒng)工作可靠，實時性好，功能拓展方便，具有良好的推廣應用前景。

本文基于CAN總線控制技術，通過對不同類型底盤、副發(fā)動機、掃盤結構組合成多種洗掃車的電氣控制系統(tǒng)進行整合，并形成一套模塊化控制系統(tǒng)方案，統(tǒng)型歸類所有類型洗掃車的軟件，設計出一套通用化的控制系統(tǒng)軟件，在顯示屏人機界面即可選擇相應的底盤型號、副發(fā)動機型號、掃盤類型或選裝配置等，實現(xiàn)不同類型洗掃車控制系統(tǒng)不同電磁閥組、傳感器、工作指示燈、警燈等執(zhí)行元件的控制。將CAN總線技術應用于環(huán)衛(wèi)設備控制系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)的智能信息化程度，提升環(huán)衛(wèi)設備的綜合性能，并通過與相關環(huán)衛(wèi)設備控制系統(tǒng)的配套，經(jīng)濟效益明顯，可大幅度提高公司產(chǎn)品的核心競爭力。