現(xiàn)場(chǎng)總線iCAN網(wǎng)絡(luò)在工程機(jī)械中的應(yīng)用

CAN-bus 總線是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，最初被設(shè)計(jì)用作汽車電子控制單元（ECU：Electric Control Unit）的串行數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于歐洲的中高檔汽車中。近幾年來(lái)，由于CAN-bus 總線極高的可靠性、實(shí)時(shí)性，CAN-bus 總線開始進(jìn)入中國(guó)各個(gè)行業(yè)的數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用，并在2002 年被確定為電力通訊產(chǎn)品領(lǐng)域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)使用普通雙絞線作為傳輸介質(zhì)，采用直線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單條網(wǎng)絡(luò)線路可以連接到110 個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)通訊距離不大于40 米時(shí)，傳輸速率可達(dá)到1Mbps；當(dāng)使用5Kbps 傳輸速率（收發(fā)器PCA82C250/251 支持），同一物理網(wǎng)絡(luò)可達(dá)10 公里的通訊距離。CAN-bus 總線的適用范圍：可適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)目比較多，傳輸距離在10 公里以內(nèi)，安全性、可靠性要求高的場(chǎng)合；也可適用于對(duì)實(shí)時(shí)性、安全性要求十分嚴(yán)格的機(jī)械控制網(wǎng)絡(luò)。

目前，國(guó)內(nèi)的汽車、電梯行業(yè)已是CAN-bus 應(yīng)用的典型領(lǐng)域，工業(yè)控制、智能樓宇、煤礦設(shè)備等行業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用。

二、CAN-bus 總線在工程機(jī)械中的應(yīng)用

由于嵌入式電腦、網(wǎng)絡(luò)通訊、微處理器、自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)的日漸廣泛應(yīng)用，工程機(jī)械控制系統(tǒng)的性能和集成度已經(jīng)有了很大的提高。而CAN-bus 總線由于良好性能，特別適合于工程機(jī)械中各電子單元之間的互連通訊。隨著CAN-bus 總線技術(shù)的引入，工程機(jī)械中基于CAN-bus 總線的分布式控制系統(tǒng)取代原有的集中式控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的復(fù)雜的線束被CAN-bus 總線所代替：系統(tǒng)中各種控制器、執(zhí)行器以及傳感器之間通過CAN-bus 總線連接，線纜少、易敷設(shè)，實(shí)現(xiàn)成本低，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活，信號(hào)傳輸可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。

目前CAN-bus 總線技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用越來(lái)越普遍。國(guó)際上一些著名的工程機(jī)械大公司如CAT、VOLVO、利勃海爾等都在自己的產(chǎn)品上廣泛采用CAN-bus 總線技術(shù)，大大提高了整機(jī)的可靠性、可檢測(cè)和可維修性，同時(shí)提高了智能化水平。而在國(guó)內(nèi)，CAN-bus總線控制系統(tǒng)也開始在工程汽車的控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，在工程機(jī)械行業(yè)中也正在逐步推廣應(yīng)用。

三、iCAN 網(wǎng)絡(luò)在工程機(jī)械中的應(yīng)用

1．iCAN 網(wǎng)絡(luò)的介紹

iCAN 協(xié)議即“Industry CAN-bus Application Protocol”，是現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus 的應(yīng)用層協(xié)議之一，具有理解簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、實(shí)時(shí)可靠的特點(diǎn)。iCAN 網(wǎng)絡(luò)是面向于自動(dòng)控制領(lǐng)域、基于CAN-bus 總線和iCAN 協(xié)議的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目標(biāo)就是解決用戶在CAN-bus 應(yīng)用領(lǐng)域中的通訊控制或者數(shù)據(jù)采集問題。

將CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層、物理層與一個(gè)高效的用戶層結(jié)合在一起，既可以保障底層使用CAN-bus 總線的高效、實(shí)時(shí)、可靠的特點(diǎn)，又能夠建立一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)、成本較低、效率良好的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)方案。這就形成了一個(gè)基于現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus 的完整通訊網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)采集方案，也就是iCAN 網(wǎng)絡(luò)的誕生。

iCAN 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建非常靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低；并且iCAN 網(wǎng)絡(luò)具有易于組態(tài)，安裝、運(yùn)行、維護(hù)簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。iCAN 網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)如下圖所示，包括了iCAN 模塊、CAN-bus 接口卡以及CAN-bus 網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋設(shè)備。

圖1 iCAN網(wǎng)絡(luò)的組成

iCAN 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)與核心是iCAN 協(xié)議。iCAN 協(xié)議是國(guó)內(nèi)對(duì)于CAN-bus 系統(tǒng)應(yīng)用的一種全新嘗試。iCAN 協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)單/可靠/穩(wěn)定的CAN-bus 應(yīng)用層協(xié)議。

在iCAN 協(xié)議的設(shè)計(jì)過程中，充分參考和借鑒了DeviceNet 協(xié)議和CANopen 協(xié)議。畢竟DeviceNet 協(xié)議和CANopen 協(xié)議是嚴(yán)謹(jǐn)和完善的，并經(jīng)過實(shí)際工程驗(yàn)證。

制定iCAN 協(xié)議是一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)過程。這里主要考慮了一些關(guān)鍵因素：

?CAN 報(bào)文的分配
?數(shù)據(jù)通訊的實(shí)現(xiàn)
?網(wǎng)絡(luò)管理
?設(shè)備建模

通過以上技術(shù)問題的解決，一方面可以保證iCAN 網(wǎng)絡(luò)的高通訊效率、高數(shù)據(jù)可靠性，令基于iCAN 協(xié)議的各個(gè)總線節(jié)點(diǎn)能夠組成一個(gè)有機(jī)的整體網(wǎng)絡(luò)；另一方面，通過在iCAN協(xié)議設(shè)備建模方面的嘗試，可以使產(chǎn)品描述標(biāo)準(zhǔn)化，協(xié)議發(fā)展具有可延續(xù)性，保障后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)過程中在通訊協(xié)議方面的的一致性。

在iCAN 網(wǎng)絡(luò)中，可以根據(jù)需要增加CAN-bus 網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋設(shè)備，以適應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和通訊距離，以及用戶終端設(shè)備在安裝、布線等方面的要求。通過CAN-bus 網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋設(shè)備，iCAN 網(wǎng)絡(luò)也可以方便地互連其它類型的網(wǎng)絡(luò)，比如串行通訊網(wǎng)絡(luò)RS-232/RS-485、以太網(wǎng)EtherNet 等，或者連接DeviceNet/CANopen 網(wǎng)絡(luò)。

2．工程機(jī)械中iCAN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在工程機(jī)械中iCAN網(wǎng)絡(luò)主要由工控微機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)PC-CAN接口卡以及iCAN模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2

工控微機(jī)通過CAN-bus 接口卡接入CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)中，與總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，管理系統(tǒng)中各個(gè)iCAN 模塊及其它設(shè)備；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各設(shè)備參數(shù)監(jiān)控、顯示、人機(jī)界面以及各種控制功能。iCAN 模塊實(shí)現(xiàn)傳感器的信號(hào)采集，并實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)輸出功能。

根據(jù)工程機(jī)械中的傳感器、控制器類型的不同，選擇合適的iCAN 模塊。iCAN 模塊的輸入端口采集液壓、發(fā)動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)中傳感器的信號(hào)，并傳送到總線上；輸出端口根據(jù)來(lái)自總線上的控制信息操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成對(duì)于液壓等系統(tǒng)的控制。

iCAN 網(wǎng)絡(luò)在工程機(jī)械中的應(yīng)用，避免了復(fù)雜的信號(hào)連線，使控制系統(tǒng)的安裝為何簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，應(yīng)用靈活，并能夠保證控制的實(shí)時(shí)性。

四、應(yīng)用實(shí)例：起重力矩限制系統(tǒng)

1．簡(jiǎn)介

起重力矩限制系統(tǒng)為汽車起重機(jī)控制系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分。該系統(tǒng)通過對(duì)起重機(jī)械中長(zhǎng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器等輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作時(shí)起重力矩的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保證起重機(jī)工作在安全狀態(tài)下。而且該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄起重機(jī)作業(yè)中的危險(xiǎn)工況，為事故的分析處理提供可靠的依據(jù)。

該系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r(shí)采集長(zhǎng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的輸出數(shù)據(jù)，其中長(zhǎng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的信號(hào)輸出類型主要為電壓或者電流信號(hào)，傳感器信號(hào)的通道共有4 路。此外系統(tǒng)要求提供4 路數(shù)字量輸出通道。