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

一．CAN-bus總線簡介：

CAN-bus總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，最初被設(shè)計用作汽車電子控制單元（ECU：ElectricControlUnit）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，由于CAN-bus總線極高的可靠性、實(shí)時性，CAN-bus總線開始進(jìn)入中國各個行業(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個節(jié)點(diǎn)。當(dāng)通訊距離不大于40米時，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、可靠性要求高的場合；也可適用于對實(shí)時性、安全性要求十分嚴(yán)格的機(jī)械控制網(wǎng)絡(luò)。

目前，國內(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)計更加靈活，信號傳輸可靠性高，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)用越來越普遍。國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、可檢測和可維修性，同時提高了智能化水平。而在國內(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“IndustryCAN-busApplicationProtocol”，是現(xiàn)場總線CAN-bus的應(yīng)用層協(xié)議之一，具有理解簡單、易于實(shí)現(xiàn)、實(shí)時可靠的特點(diǎn)。iCAN網(wǎng)絡(luò)是面向于自動控制領(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、可靠的特點(diǎn)，又能夠建立一個易于實(shí)現(xiàn)、成本較低、效率良好的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)方案。這就形成了一個基于現(xiàn)場總線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。

iCAN網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)與核心是iCAN協(xié)議。iCAN協(xié)議是國內(nèi)對于CAN-bus系統(tǒng)應(yīng)用的一種全新嘗試。iCAN協(xié)議的設(shè)計目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)一種簡單/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)議是一個相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計過程。這里主要考慮了一些關(guān)鍵因素：

CAN報文的分配

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)議的各個總線節(jié)點(diǎn)能夠組成一個有機(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。

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)傳感器的信號采集，并實(shí)現(xiàn)控制信號輸出功能。

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)動機(jī)等系統(tǒng)中傳感器的信號，并傳送到總線上；輸出端口根據(jù)來自總線上的控制信息操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成對于液壓等系統(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)雜的信號連線，使控制系統(tǒng)的安裝為何簡單，運(yùn)行可靠，應(yīng)用靈活，并能夠保證控制的實(shí)時性。

四．應(yīng)用實(shí)例：起重力矩限制系統(tǒng)

1．簡介

起重力矩限制系統(tǒng)為汽車起重機(jī)控制系統(tǒng)中一個重要組成部分。該系統(tǒng)通過對起重機(jī)械中長度傳感器、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)對系統(tǒng)工作時起重力矩的實(shí)時監(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記錄起重機(jī)作業(yè)中的危險工況，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采集長度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的輸出數(shù)據(jù)，其中長度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的信號輸出類型主要為電壓或者電流信號，傳感器信號的通道共有4路。此外系統(tǒng)要求提供4路數(shù)字量輸出通道。

2．解決方案

起重力矩限制系統(tǒng)的CAN-bus解決方案為：系統(tǒng)采用一塊PC104-CAN2I雙路CAN接口卡、一個iCAN-4017模擬量輸入模塊以及一個iCAN-4050數(shù)字量輸入輸出模塊。起重力矩限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下圖3所示：

1）PC104-CAN2I雙路CAN接口卡作為CAN網(wǎng)絡(luò)主控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對于數(shù)據(jù)采集模塊的管理。PC104-CAN2I接口卡配備2個通道CAN接口，CAN通道采用光電隔離措施，增強(qiáng)了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。電路板采用4層板技術(shù)，SMT工藝，抗干擾能力強(qiáng)，保障長期運(yùn)行的穩(wěn)定可靠。

2）iCAN-4017模擬量輸入模塊主要技術(shù)參數(shù)如下：

單電源供電，供電電壓：＋10V～+30VDC；

8路模擬量輸入通道；

16位分辨率ADC；

電壓輸入范圍：±10V（默認(rèn)）、±5V、±2.5V、±1V、±500mV、±150mV；

電流輸入范圍：±20mA（需外接125Ω精密電阻）。

采用iCAN-4017模擬量輸入模塊的四路輸入通道用于采集系統(tǒng)中長度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的輸出數(shù)據(jù)。

3）iCAN-4050數(shù)字量輸入輸出模塊主要技術(shù)參數(shù)如下：

單電源供電，供電電壓：＋10V～+30VDC；

8路開關(guān)量輸入通道；

8路開關(guān)量輸出通道；

開關(guān)量輸入信號：高電平：+3.5V～+30V，低電平：≤+1V；

開關(guān)量輸出信號：集電極開漏輸出，最大負(fù)載電壓+30V，電流30mA。采用iCAN-4050數(shù)字量輸入輸出模塊四路輸出通道用于提供數(shù)字量輸出信號。

3．系統(tǒng)說明

起重力矩限制系統(tǒng)通過iCAN模塊檢測各傳感器的信號，各模塊通過CAN總線將傳感器數(shù)據(jù)傳送到控制主機(jī)進(jìn)行處理，系統(tǒng)工作狀態(tài)實(shí)時顯示在人機(jī)界面上。該系統(tǒng)能夠警示危險工況，診斷并排除故障。在危險工況下，通過實(shí)時地控制輸出模塊，使系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，防止事故的發(fā)生。

起重力矩限制系統(tǒng)軟件采用VC++開發(fā)。系統(tǒng)軟件對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時獲取系統(tǒng)工作狀態(tài)，并以圖形化的界面顯示，在危險狀態(tài)下及時發(fā)出報警信息，并可以根據(jù)鍵盤指令進(jìn)行相應(yīng)的控制。

在起重力矩限制系統(tǒng)中采用了iCAN-4017模塊以及iCAN-4050模塊各一個。在滿足系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)之上，模擬量輸入、數(shù)字量輸入以及開關(guān)量輸出均有剩余通道，可以方便未來產(chǎn)品功能的擴(kuò)展。

該起重力矩限制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：通過CAN-bus總線實(shí)現(xiàn)對各傳感器信號的采集以及輸出裝置的控制，使得系統(tǒng)十分容易構(gòu)建，布線安裝十分方便；同時系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、實(shí)時響應(yīng)性好。而且通過CAN-bus總線的應(yīng)用，使該起重力矩限制系統(tǒng)的很容易作為一個子系統(tǒng)嵌入到起重機(jī)的控制系統(tǒng)中。

通過實(shí)際的運(yùn)行測試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，維護(hù)接口方便，性能價格比較高。

五．結(jié)論

CAN-bus總線的應(yīng)用使工程機(jī)械控制系統(tǒng)功能具有良好的可擴(kuò)展性，易于實(shí)現(xiàn)對各分系統(tǒng)得集中監(jiān)測和管理。此外CAN-bus總線的應(yīng)用使用戶的使用、維護(hù)、故障診斷更加靈活和方便，例如起重機(jī)在出廠調(diào)試時，工廠計算機(jī)系統(tǒng)可以通過CAN-bus總線訪問其控制系統(tǒng)，記錄保存調(diào)試數(shù)據(jù)，以作為在故障時維修的原始參考數(shù)據(jù)。

隨著CAN-bus總線在工程機(jī)械中的不斷應(yīng)用，必將大大提高工程機(jī)械的可靠性、可檢測、可維修性以及智能化水平。依靠強(qiáng)大的專業(yè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)、NXP半導(dǎo)體的領(lǐng)先技術(shù)，我們始終執(zhí)著于工程機(jī)械行業(yè)中CAN-bus總線的應(yīng)用推廣，為客戶提供更多的優(yōu)質(zhì)的解決方案。