基于CAN總線的數(shù)字式自動(dòng)找平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著微型電子技術(shù)的發(fā)展以及成本的降低,數(shù)字式控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工程機(jī)械中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,基于CAN總線的控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工程機(jī)械中正在逐漸普及。數(shù)字式自動(dòng)找平控制系統(tǒng)可提高瀝青混凝土攤鋪機(jī)的性能,改善操縱性等,由于具有高可靠性和靈活性。因此對(duì)其研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。實(shí)現(xiàn)數(shù)字式控制系統(tǒng)的方案很多,筆者所研制的控制系統(tǒng)是基于CAN總線,以C8051F040單片機(jī)為核心而設(shè)計(jì)的。

??? 2 CAN總線的特點(diǎn)

??? CAN(Controller Aera Networ)總線是德國(guó)BOSCH公司在80年代初為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

??? CAN總線與其他總線相比有如下特點(diǎn)：

??? 1)CAN總線是多主總線結(jié)構(gòu),即每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)均可成為主機(jī),且節(jié)點(diǎn)機(jī)之間也可相互通信。

??? 2)CAN總線通信接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理,包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等。

??? 3)通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維,通信速率最高可達(dá)1 Mb／s。

??? 4)CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼,取而代之是對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11或29位二進(jìn)制數(shù)組成。因此可以定義11或29個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊,這種數(shù)據(jù)塊編碼方式還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收相同的數(shù)據(jù)。

??? 5)數(shù)據(jù)段最大長(zhǎng)度為8位,可以滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)8位不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng),從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。

??? 6)CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能,保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

??? CAN總線具有通信速率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn),因此。選用CAN總線作為控制器通信方式可以較好地滿足系統(tǒng)要求。

??? 3 攤鋪機(jī)自動(dòng)找平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

??? 自動(dòng)找平控制系統(tǒng)是根據(jù)測(cè)量面距基準(zhǔn)面(線)的距離,自動(dòng)調(diào)節(jié)電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找平。該控制系統(tǒng)是由控制器、橫坡傳感器、縱坡傳感器。顯示器單元及電纜組成。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。縱坡傳感器可選配接觸式、超聲波、超聲波平衡梁、激光等不同形式的傳感器件。縱向控制器、橫向控制器、顯示器和傳感器采用模塊化設(shè)計(jì)以滿足各自不同的控制要求。模塊之間通信采用CAN總線方式。模塊化設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)集中操作以及系統(tǒng)擴(kuò)展。

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??? 系統(tǒng)中控制器根據(jù)相應(yīng)的傳感器信號(hào)控制電磁閥動(dòng)作;顯示器為可選單元,安裝在操作室內(nèi),顯示每個(gè)控制器的參數(shù)和信息,還可以通過(guò)按鈕控制相應(yīng)的控制器。

??? 3．1 控制器

??? 控制器為自動(dòng)找平系統(tǒng)的核心部分。數(shù)據(jù)處理部分采用C8051F040單片機(jī)。C8051F040是由美國(guó)Cygnal公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片SoC(System on Chip),具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它集成了構(gòu)成單片機(jī)數(shù)據(jù)采樣或控制系統(tǒng)所需的所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能元件。C8051F040包括64 kB Flash、4352 B RAM、CAN控制器2．0、2個(gè)串行接口、5個(gè)16位定時(shí)器、12位A／D轉(zhuǎn)換器、8位A／D轉(zhuǎn)換器、12位D／A轉(zhuǎn)換器以及6個(gè)PCA模塊等．它內(nèi)部還帶有JTAG接口,使調(diào)試非常方便。通訊部分主要采用C8051F040內(nèi)部集成的CAN控制器,并留有其他主流通訊接口。基于CAN總線的設(shè)計(jì)可以隨意擴(kuò)展任何新型傳感器,實(shí)現(xiàn)多種找平控制功能。

??? 3．1．1 顯示功能

??? LCD顯示：數(shù)字液晶顯示屏采用香港精電公司的DMF-50840點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊,其特點(diǎn)如下：分辨率320x240;亮度350流明;分區(qū)顯示系統(tǒng)狀態(tài)。包括左右縱坡顯示區(qū)及橫坡顯示區(qū);液晶接口使用CPU總線、CPLD、顯存進(jìn)行擴(kuò)展;采用組合顯示,可讀性強(qiáng)。顯示控制器向上、下輸出;顯示坡度值及方向、超高值及方向、靈敏度、控制器參數(shù)和故障信息等。

??? LED顯示：僅用于指示當(dāng)前閥驅(qū)動(dòng)方向。它指示方向與LCD的箭頭方向一致。當(dāng)操作人員處于距控制器較遠(yuǎn)的位置時(shí)。LED的作用就會(huì)非常明顯。

??? 功能指示燈：用于自動(dòng)功能指示、方向指示、基準(zhǔn)繩功能指示。

??? 3．1．2 菜單功能

??? 功能選擇和參數(shù)設(shè)置,包括：橫坡傳感器識(shí)別;顯示橫向所測(cè)的的坡度數(shù);傳感器選擇;選擇相應(yīng)的傳感器類型;外部控制設(shè)置;是否允許其他設(shè)備(如顯示器鍵盤(pán)等)的控制命令有效,利用該功能來(lái)確定是否允許這一命令參與控制器的操作。

??? 靈敏度設(shè)定：如果配置不同類型的傳感器,系統(tǒng)的靈敏度要重新設(shè)置。調(diào)節(jié)范圍為1(低靈敏度)至10(高靈敏度),這組數(shù)據(jù)實(shí)際上是針對(duì)受很多因素影響的“死區(qū)”、“比例區(qū)”兩個(gè)參數(shù)而設(shè)置的。縱向傳感器和坡度傳感器需要分別設(shè)置。如果需要更換傳感器,則靈敏度值會(huì)自動(dòng)保存。如果系統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)下工作很不穩(wěn)定,則需要降低靈敏度。

??? 控制范圍設(shè)定：如果外部需要的控制偏差超過(guò)預(yù)先設(shè)定的控制范圍,系統(tǒng)將認(rèn)為是故障信號(hào),控制器將停止有關(guān)的驅(qū)動(dòng)。僅對(duì)縱向傳感器有效。

??? 長(zhǎng)度單位設(shè)定：預(yù)設(shè)顯示值的長(zhǎng)度單位。長(zhǎng)度單位可在“厘米”、“英寸”選擇。僅對(duì)縱向傳感器有效。

??? 位置系數(shù)：位置系數(shù)=執(zhí)行部件的位置變化／傳感器產(chǎn)生的位置變化,實(shí)際下降高度=傳感器位置變化×位置系數(shù)。僅對(duì)縱向傳感器有效。

??? 自檢：檢測(cè)控制器狀態(tài)。
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??? 3．1．3 操作模式選擇

??? 包括自動(dòng)模式(可以改變?cè)O(shè)定值,控制器自動(dòng)工作,執(zhí)行部件將被驅(qū)動(dòng))、半自動(dòng)模式(可以改變?cè)O(shè)定值,控制器無(wú)輸出)、手動(dòng)模式(控制器停止自動(dòng)工作,不改變?cè)O(shè)定值)。

??? 控制器還具備以下功能：

??? 零點(diǎn)設(shè)置：設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值;自動(dòng)識(shí)別傳感器的類型;故障診斷功能;檢測(cè)出由傳感器,電磁閥,連線或操作程序而出現(xiàn)的錯(cuò)誤,并顯示出信息或以聲,光信號(hào)提示;系統(tǒng)上電時(shí),控制器自檢;具有驅(qū)動(dòng)電磁閥電路;校正功能;當(dāng)顯示值與實(shí)際值不等時(shí),需要進(jìn)行參數(shù)校正;電源極性保護(hù)、電壓瞬變保護(hù)。

??? 3．2 橫坡傳感器

??? 采用SEIKA固態(tài)角度傳感器NB43210,具有模擬信號(hào)輸出,傾角靈敏度0．2°,全密封,用于檢測(cè)執(zhí)行部件的坡度值。CPU選用C8051F040,采用其內(nèi)置CAN總線接口,外部進(jìn)行光電隔離。

??? 3．3 縱坡傳感器

??? 可選配接觸式、超聲波、超聲波平衡梁等不同形式的傳感器件。

??? 接觸式：旋轉(zhuǎn)電位計(jì)采用導(dǎo)電塑料電位器WDD35D系列,阻值1 kΩ～5 kΩ．獨(dú)立線性度0．2％。轉(zhuǎn)軸可以自零點(diǎn)位置向兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng),利用其機(jī)械部件感應(yīng)參考面進(jìn)行距離檢測(cè)。經(jīng)過(guò)C8051F040處理。通過(guò)CPU內(nèi)置CAN總線接口發(fā)送,外部進(jìn)行光電隔離。要求基準(zhǔn)繩和參考面固定可靠。

??? 非接觸式：超聲波傳感器常采用多探頭超聲波技術(shù)。如圖2所示。該傳感器通過(guò)多點(diǎn)探測(cè)可以精確檢測(cè)到面或線的細(xì)微變化,經(jīng)過(guò)微處理器處理,通過(guò)CAN接口發(fā)送給控制器。如果測(cè)量的是基準(zhǔn)地面,對(duì)一個(gè)超聲波探頭其原理可用公式表示為：

??? L=1／2vt

??? 其中t為傳播時(shí)間,v為已知超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。超聲波傳播速度受溫度、空氣介質(zhì)等環(huán)境因素的影響。這可以通過(guò)校準(zhǔn)超聲波探頭檢測(cè)L1間的超聲波傳播時(shí)間t1來(lái)進(jìn)行校正,即由L1=1／2vt1可得V=2L1／t1,于是有L=t／t1L1。超聲波傳感器為非接觸式測(cè)量,使用方便。

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??? 4 結(jié)束語(yǔ)

??? 數(shù)字式控制系統(tǒng)的人機(jī)界面友好,操作簡(jiǎn)單,通過(guò)顯示器可以清楚地了解具體的偏差值和方向;通過(guò)修改軟件可以實(shí)現(xiàn)不同的控制方法;可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。具有故障分析能力,并發(fā)出報(bào)警信號(hào),將事故消滅在萌芽狀態(tài),減少經(jīng)濟(jì)損失;以微處理器為核心的數(shù)字式控制器可以方便地實(shí)現(xiàn)控制器間的通訊。采用CAN總線通信方式使整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊,系統(tǒng)更加可靠,更具有實(shí)用性,易于系統(tǒng)及功能擴(kuò)展。