CAN总线通信技术在LTU90A智能摊铺机中的应用

第34卷第5期Vol.34No 15 中南工业大学学报(自然科学版)J.CENT.SOUTH UNIV.TECHN OL.Vol.34　No.5Oct.　2003CAN 总线通信技术在LT U90A 智能摊铺机中的应用黄运生1,汤　勇1,吴运新1,陈　学1,戚　建2(1.中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,410083;2.三一重工股份有限公司,湖南长沙,410100)摘要:采用EPEC2000系列车用微处理器模块,开发了L TU90A 智能摊铺机,实现筑路工程机械自动控制;在通讯硬件平台的支持下,便于筑路机群各机种间通讯和远程故障诊断,有利于提高摊铺机路面施工质量和效率;针对EPEC 车用模块,分析了CODESYS 编程软件的开发、用户程序的设计及系统函数库的调用;利用CAN 总线通讯技术在通讯过程中具有的可靠性、实时性和灵活性的特点,采用CAN 网络结构和CAN2.0B 数据包的定义,将数据传送分为3种发送级别.由于摊铺机工作环境恶劣,为了提高系统通讯的可靠性,在CAN 的MAC 层已具有CRC 校验的基础上,增加一级求和取模校验措施.实践结果表明,CANBUS 系统可靠性高,便于扩充,实时性好.关键词:智能摊铺机;CAN 总线;网络节点;通讯中图分类号:TP202文献标识码:A文章编号:100529792(2003)05205322041　L TU90A 智能摊铺机结构L TU90A 智能摊铺机是路面施工机械的核心设备,其工作环境较为恶劣.为了保证系统工作的可靠性,便于科学管理,提高摊铺路面质量和效率,建立高效、可靠的硬件平台和软件控制系统是智能摊铺机设计的关键环节.L TU90A 智能摊铺机主控模块采用EPEC2000系列模块.EPEC2000系列模块是工程机械专用微处理器,具有防尘、防震、防水、宽温、多点PWM 输出、驱动能力强、各输出点具有短路和过载保护、配有CAN 通讯接口等特点,特别适用于电2液控制系统[1,2].L TU90A 智能摊铺机总体结构框图如图1所示.其自动控制部分包括摊铺机方向、速度、摊铺机输分料控制、自动找平系统、人机交互环节、故障提示及报警、远程通讯和故障诊断系统等.各个子系统之间的参数传输由上位机进行协调.要使摊铺机在恶劣环境下正常、可靠工作,必须保证各子系统可靠而稳定地通讯.图1　总体结构框图收稿日期:2002-12-06基金项目:国家“863”计划项目(2001AA422012)作者简介:黄运生(19492),男,湖南永州人,中南大学副教授,从事现代控制理论及应用、计算机过程控制等方面的教学与科研工作.2　CAN 总线网络结构2.1　CAN 总线技术CAN 总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性,其总线规范已被定为国际ISO11898标准[3].CAN 为多主工作方式,采用非破坏性总线仲裁技术,将节点信息分成不同的优先级,能满足不同的实时性要求;CAN 采用短帧结构,每帧信息均有CRC 校验及其他检错措施,数据出错率极低,可靠性高.图2所示为L TU90A 智能摊铺机控制系统的节点分布图.该系统采用EPEC2000系列微处理器模块和CAN2.0B 通讯协议.系统中各控制模块除完成各自的测控功能外,同时通过CAN 2BUS 总线传送必要的数据或命令,实现测控功能分散、资源共享、集中监视的目的.图2　系统网络节点分布图2.2　CAN 2BUS 通讯的数据结构EPEC 2023或EPEC 2024控制器模块的在板CAN 控制器采用CAN2.0B 协议,支持2种结构的数据帧[4,5],其主要区别在于标识符场的长度不一样,如图3所示.标准数据帧仲裁场由11位标识符和远程发送请求位R TR 组成,扩展数据帧仲裁场由29位标识符、SRR 位、标志位及远程发送请求位R TR 组成.在L TU90A 智能摊铺机中,所传送的数据包需采用大于11位的标识符,故选用CAN2.0B通信协议.根据各种数据在智能摊铺机中的重要程度,其数据传送分为3种发送级别:a.一级发送.这是数据发送的最高级别.对于那些直接影响摊铺机的工作状态、路面施工质量和效率的重要数据,一定要保证数据包准确发送到接收方,同时保证数据包传送周期最短.为保证数据传送的准确性,采用应答2重发制式.当发送机未收到接收机的回答信息时,发送机为接收机重发1次数据;若5次发送均失败,则报警,甚至停机.b.二级发送.采用二级发送的数据中,有蓄电池电压、发动机温度、冷却液温度、机油压力、液压系统的压力等信息.这些数据关系到系统能否安全运行,必须传送成功.二级发送时,仍采用应答2重发制式,发送周期为一级传送周期的3倍;若5次发送失败,则报警,甚至停机.c.三级发送.系统中只用于在上位机上显示的数据都采用三级传送.三级传送的数据按照一定的周期定时发送到上位机,不作应答2重发处理.(a )—标准格式;(b )—扩展格式图3　CAN2.0B 数据帧格式3　软件实现3.1　CODESYS 软件的应用本系统采用3S 公司的CODESYS 编程软件[6].编程语言包括Structured Text (ST ),Instruction List (IL ),Sequential Function Chart (SFC ),Ladder Dia 2gram (LD ),Function Block Diagram (FBD )等.根据每种编程语言的特点,可以在编程中灵活应用,使得程序更加清晰和高效.CODESYS 的1个项目包括程序功能块POUS (Program Organization Units )、变量(VAR )和函数库(L IBS )三大部分,用户主要对POUS 和VAR 进行编程设计,而L IBS 则由服务商提供,也可以由高级用户针对具体需要自行设计.CODESYS 提供了丰富的操作块,包括IEC 运算符、逻辑操作运算符、移位操作运算符、选择操作运算符、比较运算符、数据转换运算符以及数据计算功能块.此外,CODESYS 还提供了大量的库函数,如STANDARD.L IB (标准库文件),J O YFIL T.L IB (手柄控制库文件),MO 2TIONCON TROL.L IB (比例阀控制库文件),PID.L IB (闭环PID 控制库文件)等,满足不同用户的需要.3.2　CAN 2BUS 通讯程序初始化在CODESYS 中主程序都称为PLC -PR G ,只能采用FBD 语言,系统程序分几大功能块,如图4所・335・第5期 黄运生,等:CAN 总线通信技术在L TU90A 智能摊铺机中的应用示[7].图4　PLC PR G 程序结构框图每个初始化程序块都有一个内部变量“boot 2ing ”,它能保证程序循环开始后系统只被初始化1次,当整个系统程序运行完成后,“booting ”变量被重置.第1个初始化模块是I/O 初始化模块,它包括PWM 输出寄存器的重置(若PWM 输出寄存器不被声明,则它可能有1个随机值),输出变量也必须声明赋值,使它们不影响引脚输入的读取.CANOPEN 初始化即CANOPEN 接口的初始化,基本函数是CAN-OPEN-STAR T-IN IT ,它可以对EPEC2000系列的发送与接收进行声明,且同时设定主从模块,或者是加入虚拟模块以增加PDO 个数.所有接收函数必须在发送函数前进行声明,只有当系统模块被重置后,CANOPEN 初始化才能重新启动.若系统中有CAN2.0接口,则要进行CAN2.0接口的初始化,用户必须自行定义.心跳检测则由主模块向总线发出一定频率的信号,然后从总线得到其他各个模块的反馈信息,将其与设定值进行比较,就能够了解其他模块是否正常工作.4　L TU90A 智能摊铺机通讯程序结构在智能摊铺机中某一节点得到1个数据包后[8],利用CAN 的验收滤波功能实现数据的接收或抛弃,只有符合一定条件的数据包才能被该节点接收,否则抛弃,其流程图如图5所示.由于CAN 以多主方式工作,网络上任一节点都可随时主动向其他节点发送数据.CAN 所采用的非冲突性总线仲裁技术解决了总线冲突问题,并以标识符ID 值标定各节点的优先级.ID 值越小,则优先级越高.当多个节点同时向总线发送数据时,优先级较低的节点会自动退出,优先级最高的节点占用总线,向接收节点发送数据.图5　CAN 通讯程序流程图L TU90A 智能摊铺机采用CAN2.0B 通讯协议,其数据包格式如表1所示.表1　数据包格式ID DLC DATA(29位)L分类标志字节有效数据0～6字节校验和在表1中,标识符ID 共29位,其中:ID28～ID23指定此帧的接收点,每位表示1个节点可以广播;ID22～ID19为帧的顺序号,每发1帧数据,顺序号增加1,帧顺序号用于区分不同数据帧与重发数据帧;ID18为应答标志位,1表示应答,0表示不应答;ID17～ID15为指定此帧数据的发送节点,0～5分别代表各节点模块;ID14～ID0为空缺,未使用;L 表示每帧数据的长度,最长为8个字节;分类标志字节为每帧索引字节.考虑到智能摊铺机工作环境恶劣、复杂,为了提高系统通讯的可靠性,在CAN 的MAC 层已具有CRC 校验的基础上,本系统中再增加1级求和取模校验措施.每帧最后1个数据字节存放校验和.其值・435・中南工业大学学报(自然科学版) 第34卷是之前所有数据之和再对256取模所得的值.各节点以相同方法计算校验和.若校验和正确,则将数据包压入接收队列,否则抛弃该数据包.5　结　论a.摊铺机是路面施工的重要设备,其工作环境恶劣,选用EPEC2000系列车载专用模块为摊铺机建立一个高质量的硬件平台,是保证智能摊铺机可靠工作的关键环节.b.EPEC2000模块具有在板CAN 接口.本系统采用CAN2.0B 通讯协议,CAN 总线具有较高的可靠性、实时性和较强的灵活性,有利于各节点间可靠地通讯而互不影响.c.CAN 总线具有广播和组播的功能,使智能摊铺机功能分散、集中监视、危险分担,有利于提高摊铺机作业效率和路面施工质量.参考文献:[1]　Rocke D J.Control system for automatically controlling a work im 2plement of an earthworking machine to capture material [P].U 2nited States Patent :5528843,1994207220.[2]　Peyret F ,J urasz J.The computer integrated road constructionproject [J ].Automation in Construction ,2000,(9):4472461.[3]　阳宪惠.现场总线技术及应用[M ].北京:清华大学出版社,1999.[4]　邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计[M ].北京:北京航空航天大学出版社,1996.[5]　瞿　坦.数据通信及网络基础[M ].武汉:华中理工大学出版社,1996.[6]　廖力清,陵玉华,杨欣荣,等.基于CAN 总线的高压开关柜智能监测监控系统[J ].中南工业大学学报(自然科学版),2001,32(5):5322535.[7]　廖　强,周　凯.CAN 总线在机械制造中的应用[J ].微计算机信息,1997,(4):1342137.[8]　路同浚,孟宪超,吴平川,等.基于PLC 控制的机器人化炉渣装载机[J ].机电一体化,1999,(2):29231.Application of CAN 2BUS communication technologyin intelligent p aver LT U90AHUAN G Yun 2sheng 1,TAN G Y ong 1,WU Yun 2xing 1,CHEN Xue 1,Q I Jian 2(1.College of Information Science and Engineering ,Central S outh University ,Changsha 410083,China ;2.SAN Y Heavy Industry Co.Ltd.,Changsha 410100,China )Abstract :Intelligent paver L TU90A is developed with the application of EPEC2000vehicle 2use microprocessor modules in order to accomplish the automatic control of the speed ,direction ,and spread of the machine and so on .With the support of the hardware platform of telecommunication ,it is convenient for the communication a 2mong machines and the long 2distance fault diagnosis ,which can improve the quality and efficiency of the road construction of the paver .In allusion to EPEC vehicle 2use modules ,the development of CODESYS software ,the design of user programme and the application of the library of system functions are analyzed.The character 2istics of CAN 2BUS technology in the communication process which is reliable ,real 2time and flexible can be made the best of this project .CAB 2BUS network structure and the definition of CAN2.0B data package are adopted in the communication.According to the importance of every kind of data in the intelligent paver ,the delivery of data can be divided into three kinds of sending levels .Because of the working environment which is abominable ,in this system the sum check should be added which is based on the CRC check on the MAC layer of CAN in or 2der to ulteriorly improve the reliability of the communication of the system.Owing to high reliability ,conve 2nient expansibility and good real 2time ,the CAN 2BUS system can be applied in the field of engineering machin 2ery.Key words :intelligent paver ;CAN 2BUS ;network node ;communication・535・第5期 黄运生,等:CAN 总线通信技术在L TU90A 智能摊铺机中的应用。