基于現(xiàn)場總線的汽車檢測線控制系統(tǒng)研究

劉遠(yuǎn)宏，馬宗坡，夏均忠，王 萌

（軍事交通學(xué)院汽車工程系汽車試驗中心，天津 300161）

0 引 言

目前國內(nèi)汽車檢測線控制系統(tǒng)大都是采用RS232C、RS485串行通信接口的分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）[1-3]，傳輸方式是一對一結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)接線復(fù)雜，工程費(fèi)用高，維護(hù)困難，信號傳輸精度低，易受干擾，儀表互換性差，這都阻礙了上層系統(tǒng)功能的發(fā)揮。

現(xiàn)場總線使數(shù)字通信總線一直延伸到現(xiàn)場設(shè)備，使現(xiàn)場設(shè)備可通過一條總線進(jìn)行雙向多信息數(shù)字通信，通信方式更為靈活、實時性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾性強(qiáng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（fieldbus control system，F(xiàn)CS）作為新一代控制系統(tǒng)，突破了DCS采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，把DCS的集中與分散相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)[4-5]。

現(xiàn)場總線和開放系統(tǒng)在汽車檢測線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用將大大降低自動化控制系統(tǒng)的成本，實現(xiàn)系統(tǒng)全分散控制和檢測設(shè)備的智能化與功能自治。

1 現(xiàn)場總線技術(shù)

現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)是數(shù)字通信，其結(jié)構(gòu)遵循國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型。目前世界上有40多種現(xiàn)場總線，雖然總線標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，但其協(xié)議大多采用了OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，同時考慮了現(xiàn)場裝置的控制功能和具體運(yùn)用增加了用戶層[6-7]。

物理層定義了信號的編碼和傳送方式、傳送介質(zhì)、接口的電氣及機(jī)械特性、信號傳輸速率等。傳輸介質(zhì)主要有電纜、光纖和無線介質(zhì)。

數(shù)據(jù)鏈路層分為介質(zhì)訪問控制層（MAC）和邏輯鏈路控制層（LLC）。MAC層的功能是對傳輸信號的發(fā)送和接收進(jìn)行控制，而LLC層的功能是對數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行控制，保證數(shù)據(jù)傳送到指定設(shè)備上。

應(yīng)用層定義了如何讀、寫、中斷和操作信息及命令，信息、句法（包括請求、執(zhí)行及響應(yīng)信息）的格式和內(nèi)容。應(yīng)用層的功能是傳送現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)及訪問現(xiàn)場總線變量，為用戶提供接口。

用戶層是現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)在OSI模型之外新增加的一層，定義了從現(xiàn)場裝置中讀、寫信息和向網(wǎng)絡(luò)中其他裝置分派信息的方法，即規(guī)定了供用戶組態(tài)構(gòu)成系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)“功能模塊”。

目前影響較大的現(xiàn)場總線有CAN總線、FF總線、LonWorks總線、Profibus總線和HART總線。

CAN 全稱為“controller area network”，即控制器局域網(wǎng)，是德國BOSCH公司為解決汽車眾多控制單元與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的。

與其他現(xiàn)場總線相比，CAN總線是目前唯一具有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，數(shù)據(jù)通信具有突出的實時性、可靠性，通信速率快，結(jié)構(gòu)簡單，互操作性好。CAN協(xié)議也是建立在ISO/OSI模型基礎(chǔ)上的，其模型結(jié)構(gòu)有2層，即取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。協(xié)議具有完善的錯誤處理機(jī)制、靈活性高[8-11]。由于CAN的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)層次少，有利于系統(tǒng)中實時控制信號的傳送。

2 汽車檢測線FCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

汽車檢測線FCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。CAN總線采用雙絞線作為通信介質(zhì)，采用網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。檢測線分為3個工位，分別由各節(jié)點的智能檢測設(shè)備完成，每個工位采用LED引導(dǎo)屏提示。第一工位主要檢測底盤輸出功率、排放、油耗、滑行距離或時間，校驗車速表等；第二工位主要檢測汽車制動性能，包括制動力、制動力平衡、車輪阻滯力和駐車制動力等；第三工位主要檢測汽車前照燈、噪聲、側(cè)滑和整車外觀等。

圖1 汽車檢測線FCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)檢測流程

當(dāng)車輛完成報檢后，主控計算機(jī)通過LED引導(dǎo)屏提示引車員開始車輛檢測。檢測設(shè)備進(jìn)入等待測試狀態(tài)。車輛在行駛過程中觸發(fā)各個工位放置的光電開關(guān)，各檢測設(shè)備根據(jù)觸發(fā)信號判斷車輛位置，通過LED引導(dǎo)屏發(fā)送提示信息，提示引車員執(zhí)行各種操作。檢測設(shè)備啟動，開始檢測并采集數(shù)據(jù)，實時處理數(shù)據(jù)，給出評價，存儲檢測結(jié)果，需要時上傳至主控計算機(jī)，并通過LED引導(dǎo)屏顯示檢測結(jié)果。當(dāng)該工位各項目檢測結(jié)束后，引車員根據(jù)LED引導(dǎo)屏提示進(jìn)入下一工位檢測。各檢測設(shè)備在主控計算機(jī)的監(jiān)控下，可以同時在線檢測多輛車，即每個工位可以同時有一輛車在進(jìn)行檢測。主控計算機(jī)外連打印機(jī)等輸出設(shè)備，打印檢測結(jié)果。質(zhì)檢部工作站通過網(wǎng)關(guān)監(jiān)測檢測過程，通過訪問主控機(jī)共享檢測數(shù)據(jù)，并根據(jù)檢測結(jié)果判定檢測合格與否，出示檢測報告，實現(xiàn)車輛檢測自動化。檢測流程如圖2所示。

圖2 檢測流程圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 CAN適配卡設(shè)計

由于標(biāo)準(zhǔn)配置計算機(jī)本身沒有配置CAN接口，為了實現(xiàn)CAN總線與計算機(jī)總線的通信，主控計算機(jī)等接入檢測線的計算機(jī)都需配置CAN總線適配卡，用來收集總線上各節(jié)點的信息轉(zhuǎn)發(fā)給計算機(jī)并將計算機(jī)的命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給各節(jié)點。計算機(jī)PCI總線傳輸速度快，而且支持熱插拔，具有電源管理等功能，不但能滿足CAN總線的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫?，而且體積小、價格低、使用方便、應(yīng)用范圍廣?；赑CI的CAN適配卡原理如圖3所示，主要由CAN接口、PCI總線接口芯片PCI9052、電源管理電路等組成。CAN接口由CAN總線控制器SJA1000、光耦和CAN驅(qū)動器82C250組成，光耦用于光電隔離。

圖3 基于PCI的CAN適配卡原理圖

當(dāng)上位機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)時，經(jīng)過PCI9052傳輸?shù)絊JA1000，數(shù)據(jù)從發(fā)送緩沖器以報文的形式經(jīng)光耦發(fā)送到82C250，數(shù)據(jù)以差分的形式發(fā)送到CAN總線上的相應(yīng)的節(jié)點，完成指定動作。數(shù)據(jù)從節(jié)點傳至上位機(jī)時，SJA1000啟動接收命令接收來自節(jié)點上的報文，經(jīng)處理轉(zhuǎn)發(fā)到PCI總線。

3.2 CAN總線節(jié)點硬件設(shè)計

汽車檢測線FCS控制系統(tǒng)的總線節(jié)點是指符合CAN總線標(biāo)準(zhǔn)的智能化、自動化的檢測設(shè)備。智能檢測設(shè)備基本組成如圖4所示，它由單片機(jī)、存儲器、輸入輸出通道、CAN接口等組成。CAN接口由CAN控制器、光電隔離模塊和CAN總線收發(fā)器組成。傳感器將輸出的模擬信號經(jīng)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)預(yù)定程序進(jìn)行處理，并將檢測結(jié)果存儲在存儲器中。檢測設(shè)備通過CAN總線收發(fā)器實時對CAN總線上的信息進(jìn)行巡檢，將其接收到的命令信息經(jīng)單片機(jī)處理，D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號傳至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其做出相應(yīng)動作。

圖4 智能檢測設(shè)備的基本組成

智能檢測設(shè)備中單片機(jī)的嵌入式測控軟件程序流程一般是上電復(fù)位、初始化、自檢后進(jìn)入工作主循環(huán)。測控軟件主要是通過事件觸發(fā)調(diào)用各功能模塊來實現(xiàn)的，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、CAN通信模塊、操作控制調(diào)節(jié)模塊等。

4 軟件設(shè)計

在CAN總線構(gòu)成的系統(tǒng)中，用戶要根據(jù)具體要求來編寫應(yīng)用層和用戶層?？刂葡到y(tǒng)軟件部分主要由主控程序、報表程序、智能檢測設(shè)備的測控程序以及CAN節(jié)點通信程序等組成。CAN接口通信程序主要有CAN初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。

CAN初始化主要是設(shè)置CAN的通信參數(shù)，包括工作方式、接收濾波方式、接收屏蔽寄存器（AMR）、接收代碼寄存器、波特率參數(shù)和中斷允許寄存器等的設(shè)置。

CAN數(shù)據(jù)發(fā)送子程序負(fù)責(zé)節(jié)點報文的發(fā)送，發(fā)送時把存儲器中待發(fā)送的數(shù)據(jù)取出，按特定格式組合成一幀報文送入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)。在接收到發(fā)送請求后，發(fā)送程序啟動發(fā)送命令。SJA1000與CAN總線之間的通信都是由CAN接口自動完成的，接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取信息并將其存儲在存儲器中。CAN發(fā)送程序代碼如下：

CAN接收子程序負(fù)責(zé)節(jié)點報文的接收，在接收的同時要對諸如總線關(guān)閉、錯誤報警、接收溢出等情況進(jìn)行處理。SJA1000報文的接收主要有中斷和查詢接收方式。由于對通信的實時性要求比較強(qiáng)，所以選用中斷方式，中斷方式接收子程序流程如圖5所示。

圖5 中斷方式接收子程序流程圖

5 結(jié)束語

現(xiàn)場總線技術(shù)在分布式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢，該文探討了CAN總線技術(shù)在汽車檢測計算機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計了基于CAN總線技術(shù)的汽車檢測線FCS控制系統(tǒng)。通過研究得出以下結(jié)論：

（1）汽車檢測線FCS控制系統(tǒng)將傳感測量、數(shù)據(jù)處理與控制等功能分散到檢測設(shè)備中，靠智能檢測設(shè)備完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）基于PCI總線的CAN適配卡結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活，支持熱插拔，成本低廉。

（3）檢測設(shè)備可主動向其他節(jié)點發(fā)送信息，具有較強(qiáng)的糾錯能力，傳輸速率快，可在總線空閑時自動重發(fā)沖突信息，多點接收。增加或刪除節(jié)點，不會影響其他節(jié)點。

隨著總線技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，不同汽車檢測線中可能用到不同總線，面對多種總線共存的現(xiàn)實，要想實現(xiàn)各檢測站檢測線聯(lián)網(wǎng)控制，網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)絡(luò)間的接口有待進(jìn)一步研究。

[1] 夏均忠.汽車檢測技術(shù)與設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]關(guān)雙城.汽車安全檢測線智能化控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2003，23（2）：18-20.

[3] 趙祥模，馬建，關(guān)可，等.汽車綜合性能分布式計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自動測控系統(tǒng)[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003（5）：94-98.

[4] 陳曉俠，袁愛進(jìn)，張春光.一定規(guī)模的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)通信故障解析[J].工自動化及儀表，2007，34（3）：83-85.

[5] 黃福彥，陸綺榮，程大方.集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究[J].自動化儀表，2010，31（1）：10-12.

[6] 馬寶峰，王兵，鄧學(xué)鎣.基于現(xiàn)場總線和智能變送器的風(fēng)洞氣流參數(shù)測量系統(tǒng)研制[J].實驗流體力學(xué)，2010，24（2）：83-87.

[7] 金介明.基于現(xiàn)場總線的精處理控制系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[8] 潘全文，房振旭，姜守達(dá).基于CAN總線的分布式線束網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報，2007，28（4）：300-303.

[9]王建新.基于CAN總線的汽車電子集成控制系統(tǒng)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，38（5）：811-814.

[10]高士友，王代強(qiáng)，王義，等.基于CAN總線的轎車車窗智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2009，17（3）：45-48.

[11]畢乾坤，程秀生.基于CAN現(xiàn)場總線的車輛智能數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（9）：71-75.