CAN-bus總線技術(shù)在工程機車控制網(wǎng)絡中的應用研究

前言

本文主要介紹CAN-bus 總線技術(shù)在工程機械中的應用。重點以工程起重機為例，介紹如何將 iCAN系列功能模塊 、ZLG系列、CAN-bus接口卡、組建成一個可靠控制、易于開發(fā)的CAN-bus應用網(wǎng)絡，以及在工程機車控制網(wǎng)絡中快速應用的方法。

CAN-bus總線簡介

CAN-bus 總線是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，最初被設(shè)計用作汽車電子控制單元（ECU：Electric Control Unit）的串行數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，現(xiàn)已被廣泛應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、實時性，CAN-bus 總線開始進入中國各個行業(yè)的數(shù)據(jù)通訊應用，并于2002 年被確定為電力通訊產(chǎn)品領(lǐng)域的國家標準。

CAN-bus 網(wǎng)絡使用普通雙絞線作為傳輸介質(zhì)，采用直線拓樸結(jié)構(gòu)，單條網(wǎng)絡線路至少可連接110 個節(jié)點，當通訊距離不超過40米時，數(shù)據(jù)傳輸速率可達1Mbps，最遠通訊距離可達10公里（使用標準CAN 收發(fā)器PCA82C250/251 芯片）。

CAN-bus 網(wǎng)絡為多主結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡，根據(jù)信息幀優(yōu)先級進行總線訪問，大大提高了系統(tǒng)的性能；CAN總線采用短幀報文結(jié)構(gòu)，實時性好，并具有完善的數(shù)據(jù)校驗、錯誤處理以及檢錯機制，此外CAN總線節(jié)點在嚴重錯誤下會自動脫離總線，對總線通訊沒有影響。CAN-bus 網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)收發(fā)、硬件檢錯均由CAN 控制器硬件完成，大大增強了CAN-bus 網(wǎng)絡的抗電磁干擾能力。

CAN-bus 總線的適用范圍：可適用于節(jié)點數(shù)目很多，傳輸距離在10 公里以內(nèi)，安全性要求高的場合；也可適用于對實時性、安全性要求十分嚴格的機械控制網(wǎng)絡。

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

工程機械行業(yè)的發(fā)展

由于嵌入式電腦、網(wǎng)絡通訊、微處理器、自動控制等先進技術(shù)的日漸廣泛應用，工程機械控制系統(tǒng)的性能和集成度已經(jīng)有了很大的提高，工程機械的操作便利性、安全性都得到了大幅度提高。

在基于集中控制方式的工程機械中，一方面由于多個ECU單元的使用，各ECU之間的通訊越來越復雜，必然導致了更多的信號連接線，使控制系統(tǒng)安裝、維護手續(xù)繁瑣，運行的可靠性、應用的靈活性有所降低，維修難度增大；另一方面，為提高系統(tǒng)中信號的利用率，要求有大量的數(shù)據(jù)信息可以在不同的控制單元中共享，大量的控制信號也需要實時交換。傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)已落后于工程機械中現(xiàn)代通訊功能的需求。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下：

因此，如何提高系統(tǒng)的性能，開發(fā)通訊應用的靈活性和方便性，降低使用和維護的成本是必須解決的問題，而CAN-bus總線在工程機械控制系統(tǒng)中的應用也能夠有效解決這些問題。

CAN-bus總線在工程機械中的應用

無論是在歐洲、美洲，還是在亞洲，CAN-bus總線技術(shù)在工程機械領(lǐng)域都已經(jīng)存在著廣泛的產(chǎn)品實例，也有著良好的發(fā)展前景

CAN-bus總線在工程機械中應用現(xiàn)狀

CAN-bus由于良好性能，特別適合于工程機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。

目前CAN-bus總線技術(shù)在工程機械上的應用越來越普遍。國際上一些著名的工程機械大公司如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)中廣泛應用，在工程機械行業(yè)中也正在逐步推廣應用。

工程機械控制系統(tǒng)中CAN-bus網(wǎng)絡

工程機械的控制系統(tǒng)需要完成對系統(tǒng)中各種傳感器、執(zhí)行器、發(fā)動機、變速器等的控制及監(jiān)測。不同的工程機械產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)的組成并不完全一致，但其控制系統(tǒng)的構(gòu)成方式基本上類似。

以汽車起重機為例，其基于CAN-bus總線的典型控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如下圖所示， 系統(tǒng)組成為：

圖 1.2 基于CAN-bus總線的汽車起重機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)論

CAN-bus總線的應用使工程機械控制系統(tǒng)功能具有良好的可擴展性，易于實現(xiàn)對各分系統(tǒng)得集中監(jiān)測和管理。此外CAN-bus總線的應用使用戶的使用、維護、故障診斷更加靈活和方便，例如起重機在出廠調(diào)試時，工廠計算機系統(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總線在工程機械中的不斷應用，必將大大提高工程機械的可靠性、可檢測、可維修性以及智能化水平。

責任編輯：gt