基于CAN總線提高盾構(gòu)控制系統(tǒng)通訊的可靠性設(shè)計(jì)

張合沛，韓偉鋒，張 兵

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001)

0 引言

城市化的快速發(fā)展對(duì)地下軌道交通的需求在逐步增加，盾構(gòu)廣泛地應(yīng)用于各類隧道建設(shè)工程中。其中，盾構(gòu)控制系統(tǒng)中的通訊可靠性、穩(wěn)定性是影響施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。隨著盾構(gòu)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、信息化成為現(xiàn)代盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)，進(jìn)一步提高盾構(gòu)控制系統(tǒng)的通訊位速率、數(shù)據(jù)通訊的可靠性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)通訊，符合現(xiàn)代盾構(gòu)控制技術(shù)的發(fā)展需要。

盾構(gòu)機(jī)問(wèn)世至今已近180 a的歷史，其始于英國(guó)，發(fā)展于日本、德國(guó)。現(xiàn)代盾構(gòu)技術(shù)主要掌握在發(fā)達(dá)國(guó)家手中，近幾年國(guó)內(nèi)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展也比較快，但國(guó)內(nèi)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展主要是引進(jìn)、消化、吸收，盾構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)列為國(guó)家重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。盾構(gòu)工作環(huán)境惡劣、條件復(fù)雜、維護(hù)維修條件差，電氣控制系統(tǒng)的可靠性對(duì)于保證盾構(gòu)穩(wěn)定、高效、可靠地工作至關(guān)重要。另外，在保證系統(tǒng)可靠性和合理性價(jià)比的前提下，盡量追求系統(tǒng)的先進(jìn)性，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的先進(jìn)、可靠的通訊控制方式也是提高控制系統(tǒng)可靠性的重要措施之一［1］。

目前，國(guó)內(nèi)大部分隧道施工采用的是進(jìn)口盾構(gòu)，而盾構(gòu)控制通訊系統(tǒng)穩(wěn)定與否將直接影響盾構(gòu)的整體性能。由于國(guó)產(chǎn)PLC還處在發(fā)展的初級(jí)階段，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)技術(shù)還有待提高，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)PLC的性能和質(zhì)量還難以應(yīng)用到盾構(gòu)的設(shè)計(jì)制造行業(yè);國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)還沒(méi)有引入CAN總線控制技術(shù)，盾構(gòu)通訊控制系統(tǒng)的通訊規(guī)約始終掌握在國(guó)外盾構(gòu)設(shè)計(jì)廠家，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的盾構(gòu)只能是按照國(guó)外盾構(gòu)設(shè)計(jì)廠家的通訊控制系統(tǒng)“量身訂做”［2］。因此，對(duì)現(xiàn)有盾構(gòu)控制系統(tǒng)的局部控制環(huán)節(jié)引入CAN總線通訊控制技術(shù)，利用CAN總線的優(yōu)異性能去提升、改進(jìn)盾構(gòu)控制系統(tǒng)的局部控制環(huán)節(jié)的性能，符合大型裝備技術(shù)革新的發(fā)展規(guī)律。

1 總體思路

1.1 CAN 總線

CAN(Control Area Network)是控制局域網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)稱，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，是一種有效的支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信系統(tǒng)。由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN越來(lái)越受到人們的重視，國(guó)外已經(jīng)有許多大公司的產(chǎn)品采用了這一技術(shù)。

CAN最初是由德國(guó)BOSCH公司在20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)量?jī)x器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，能夠有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制?，F(xiàn)代汽車越來(lái)越多地采用電子裝置控制，如發(fā)動(dòng)機(jī)的定時(shí)、注油控制，加速、剎車控制(ASC)及復(fù)雜的抗鎖定剎車系統(tǒng)(ABS)等。這些控制需要檢測(cè)及交換大量數(shù)據(jù)，若采用一對(duì)一的連接信號(hào)線的方式，不但繁瑣昂貴，而且維護(hù)極其困難;若采用基于CAN總線的控制系統(tǒng)，上述問(wèn)題就能很好地解決。CAN總線技術(shù)以其易于掌握、開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)受到普遍重視，在工業(yè)和信息通訊領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

目前在國(guó)外，尤其在美國(guó)及歐洲各國(guó)，CAN總線已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于汽車、機(jī)器人技術(shù)、機(jī)械制造、傳感器、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。在國(guó)外的工程機(jī)械上的運(yùn)用也已經(jīng)越來(lái)越普遍，如推土機(jī)、鉆機(jī)、攤鋪機(jī)等機(jī)械設(shè)備均大量采用了CAN總線控制系統(tǒng)。CAN總線技術(shù)已經(jīng)成為一種日趨成熟的實(shí)用技術(shù)。CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于其采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性［3］。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)不分主從，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通信方式靈活，利用這一特點(diǎn)可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)，CAN只需通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送、接收數(shù)據(jù)，無(wú)需專門(mén)的“調(diào)度”，CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km(速率為5 kb/s以下);通信速率最高可達(dá)1 Mb/s(此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40 m)。CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量主要決定于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè);報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2 032 種(CAN2.0A)，而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(CAN2.0B)的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制［4］。

1.2 方案設(shè)計(jì)

目前工業(yè)控制系統(tǒng)成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是自動(dòng)化控制系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用的趨勢(shì)，基于目前盾構(gòu)控制系統(tǒng)中的PLC沒(méi)有CAN總線通訊轉(zhuǎn)換接口，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)一個(gè)CAN總線轉(zhuǎn)RS232和RS485通訊接口轉(zhuǎn)換器，并且可以同時(shí)高速采集、處理4個(gè)通道模擬量數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換，可以在不改變盾構(gòu)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀的前提下，為盾構(gòu)控制系統(tǒng)的局部引入CAN總線技術(shù)提供一種思路。由于盾構(gòu)施工過(guò)程中掘進(jìn)部分的工況非常惡劣，盾構(gòu)操作人員必須實(shí)時(shí)了解盾構(gòu)掘進(jìn)部分的狀態(tài)參數(shù);所以，盾構(gòu)掘進(jìn)部分的狀態(tài)參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)高速采集、處理、準(zhǔn)確上傳顯得尤為重要。

1)可以利用該通訊接口轉(zhuǎn)換器把盾構(gòu)掘進(jìn)部分傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理，通過(guò)CAN總線把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到盾構(gòu)主控制器，利用CAN總線的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)使盾構(gòu)掘進(jìn)部分的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、有序地上傳;使盾構(gòu)操作人員可以實(shí)時(shí)了解盾構(gòu)掘進(jìn)部分的工況參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性［5－6］。

2)CAN總線采用帶屏蔽的雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，所有控制節(jié)點(diǎn)不分主從，對(duì)現(xiàn)有盾構(gòu)控制系統(tǒng)進(jìn)行局部升級(jí)改造過(guò)程中，在盾構(gòu)掘進(jìn)部分采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)可以節(jié)省大量通訊電纜，降低維護(hù)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。盾構(gòu)掘進(jìn)部分的狀態(tài)參數(shù)采集、處理方案如圖1所示。

圖1 基于CAN總線盾構(gòu)掘進(jìn)部分?jǐn)?shù)據(jù)處理方案Fig.1 Processing of shield boring data based on CAN bus

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)換器硬件接口電路設(shè)計(jì)

CAN總線轉(zhuǎn)RS232和RS485的硬件接口電路設(shè)計(jì)主要選用MAX232、MAX485、LM3S2671、PCA82C250設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。CAN總線轉(zhuǎn)RS232和RS485原理框圖如圖2所示。

圖2 CAN總線轉(zhuǎn)RS232和RS485原理框圖設(shè)計(jì)Fig.2 Principle design of CAN bus transferring to RS232 and RS485

2.2 主處理器選擇及外圍電路設(shè)計(jì)

Stellaris LM3S2000系列(主要針對(duì)控制器局域網(wǎng)(CAN)應(yīng)用)使用Bosch CAN聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(短距離工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的金標(biāo)準(zhǔn))擴(kuò)展了Stellaris系列，標(biāo)志著具有革命性的ARM Cortex－M3內(nèi)核的 CAN功能的首次集成。此外，LM3S2000系列的多個(gè)MCU都提供了已預(yù)先編入節(jié)省內(nèi)存的 ROM的 StellarisWare軟件特性。主處理器選擇TI公司的Cortex－M3內(nèi)核的ARM處理器LM3S2671。

LM3S2671是一個(gè)低電壓、低功耗、32位RISC性能、采用為小封裝應(yīng)用方案而優(yōu)化的 32位 ARM Cortex－M3 V7M架構(gòu)的單片機(jī)，片內(nèi)含128kB的單周期FLASH，32 kB單周期訪問(wèn)的SRAM;內(nèi)置傳輸位速率達(dá)到1Mb/s，支持CAN協(xié)議2.0版本Part A/B CAN總線。ADC模塊的轉(zhuǎn)換分辨率為10位，并支持4個(gè)輸入通道以及1個(gè)內(nèi)部溫度傳感器。ADC模塊含有1個(gè)可編程的序列發(fā)生器，其可在無(wú)需控制器干涉的情況下對(duì)多個(gè)模擬輸入源進(jìn)行采樣。每個(gè)采樣序列均對(duì)完全可配置的輸入源、觸發(fā)事件、中斷的產(chǎn)生和序列優(yōu)先級(jí)提供靈活的編程，具有4個(gè)模擬輸入通道、500 000次/s的采樣率，硬件可對(duì)多達(dá)64個(gè)采樣值進(jìn)行平均計(jì)算，以提高精度;帶有獨(dú)立的16×8發(fā)送(TX)以及16×12接收(RX)FIFO，可減輕CPU中斷服務(wù)的負(fù)擔(dān)、標(biāo)準(zhǔn)異步通信位、無(wú)效起始位檢測(cè)、行中止的產(chǎn)生和檢測(cè)等功能的3個(gè)完全可編程控制的16C550 型 USART［7］。

處理器LM3S2671的外圍硬件電路占用I/O端口布局為:40腳接轉(zhuǎn)換器的硬件復(fù)位電路，17腳和18腳接RS232通訊控制芯片MAX232的數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送端口;20，21，22分別連接RS485通訊控制芯片MAX485的通訊控制，61和62分別連接CAN控制器芯片PCA82C250的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送端口。

2.3 PCA82C250外圍電路設(shè)計(jì)

PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。該器件為總線提供差動(dòng)發(fā)送能力并為CAN控制器提供差動(dòng)接收能力，其是全世界使用最廣泛的CAN收發(fā)器。由于LM3S2671具有內(nèi)置的硬件CAN協(xié)議控制器和CAN總線驅(qū)動(dòng)器，所以只需要設(shè)計(jì)CAN總線的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送電路即可。CAN總線收發(fā)器是CAN協(xié)議控制器和CAN總線物理傳輸線路之間的接口。

本設(shè)計(jì)電路由PCA82C250實(shí)現(xiàn)。CAN協(xié)議控制器通過(guò)串行數(shù)據(jù)輸出線(TX)和串行數(shù)據(jù)輸入線(RX)連接到收發(fā)器，收發(fā)器通過(guò)有差動(dòng)發(fā)送和接收功能的2個(gè)總線終端CANH和CANL連接到總線的雙絞線電纜，實(shí)現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)通信［8］。在CANH和CANL之間的終端匹配電阻R95可以提高CAN總線數(shù)據(jù)通訊的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，其中R92和R93起到限流的作用;在RS引腳串入斜率電阻R70使其工作在高速工作模式，通過(guò)調(diào)節(jié)斜率電阻的阻值可以使PCA82C250在高速工作模式、斜率控制工作模式、待機(jī)模式之間選擇;在CANH和CANL與地之間連接2個(gè)小電容C36和C37，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力;TVS12是雙向瞬態(tài)電壓抑制器，是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10的負(fù)12次方秒量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)kW的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。其具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差、箝位電壓較易控制、無(wú)損壞極限、體積小等優(yōu)點(diǎn)。硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 PCA82C250外圍電路設(shè)計(jì)Fig.3 Design of peripheral circuit of PCA82C250

2.4 MAX485外圍電路設(shè)計(jì)

選擇MAX485芯片作為RS485與CAN總線的電平轉(zhuǎn)換器。3腳為驅(qū)動(dòng)器使能控制引腳，2腳為接收器使能控制引腳，電阻R110和R112作為PCB板調(diào)試數(shù)據(jù)通訊的時(shí)候做跳線之用，6腳和7腳對(duì)應(yīng)的A端和B端之間加入R113作為匹配電阻，可以降低數(shù)據(jù)傳輸誤差和上升沿的延遲，增強(qiáng)數(shù)據(jù)通訊的可靠性［9］。硬件電路原理設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 MAX485外圍電路設(shè)計(jì)Fig.4 Design of peripheral circuit of MAX485

2.5 MAX232外圍電路設(shè)計(jì)

選擇MAX232芯片作為RS232與CAN總線的電平轉(zhuǎn)換器。MAX232產(chǎn)品是由德州儀器公司(TI)推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。該器件包含2個(gè)驅(qū)動(dòng)器、2個(gè)接收器和1個(gè)電壓發(fā)生器，電路提供TIA/EIA－232－F電平。該器件符合TIA/EIA－232－F標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)接收器將TIA/EIA－232－F電平轉(zhuǎn)換成5V TTL/CMOS電平。每個(gè)發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA－232－F電平［10］。硬件電路原理設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 MAX232外圍電路設(shè)計(jì)Fig.5 Design of peripheral circuit of MAX232

3 軟件編制

3.1 主程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。CAN總線轉(zhuǎn)RS485和RS232接口主程序流程圖如圖6所示。主處理器底層函數(shù)配置是調(diào)用TI公司的庫(kù)函數(shù)，包括CAN總線協(xié)議規(guī)約Part A/B的參數(shù)配置、函數(shù)的編寫(xiě)等。

CAN的初始化放在主程序中，而數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送采用查詢方式。串口的數(shù)據(jù)接收采用中斷方式，數(shù)據(jù)發(fā)送采用查詢方式。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flowchart of main program

3.2 部分軟件代碼

CAN總線控制器初始化處理函數(shù)代碼采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。部分代碼如下:

3.3 通過(guò)硬件設(shè)置通訊參數(shù)

通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)設(shè)置CAN控制器對(duì)應(yīng)外設(shè)的總線優(yōu)先級(jí)、數(shù)據(jù)通訊的波特率、奇偶校驗(yàn)、通訊模式，系統(tǒng)上電就自動(dòng)讀取開(kāi)關(guān)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行控制器系統(tǒng)初始化。參數(shù)設(shè)置分布如表1所示。

表1 通訊參數(shù)設(shè)置表Table 1 Communication parameters

4 結(jié)論與討論

1)本設(shè)計(jì)采用TI公司生產(chǎn)的具有Cortex－M3內(nèi)核的LM3S2671處理、MAX485、PCA82C250和MAX232，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了CAN總線轉(zhuǎn)RS232和RS485的接口，同時(shí)設(shè)計(jì)多通道數(shù)據(jù)采集、處理、上傳A/D接口，完成了CAN總線轉(zhuǎn)RS232和RS485協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了CAN總線與RS232或RS485通信接口設(shè)備之間的全雙工通信，同時(shí)還可以多通道實(shí)時(shí)采集模擬數(shù)據(jù)，通過(guò)CAN總線端口和RS232、RS485端口實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。

2)該控制器的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)是作者在從事嵌入式設(shè)計(jì)工作中經(jīng)過(guò)汽車測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用的，該控制電路運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。市場(chǎng)上也有類似CAN總線與RS232或RS485轉(zhuǎn)換接口設(shè)備，由于這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)成本低廉，其工作性能有待實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。選擇合適的主處理器、增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力、提高數(shù)據(jù)處理能力是設(shè)計(jì)該控制器的關(guān)鍵。在盾構(gòu)控制系統(tǒng)中引入CAN總線通訊控制技術(shù)，需要根據(jù)盾構(gòu)控制系統(tǒng)局部控制的實(shí)際情況對(duì)CAN總線轉(zhuǎn)換器的軟件進(jìn)行修正，以適應(yīng)實(shí)際情況。因?yàn)樵绞呛?jiǎn)單的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性越高。大量購(gòu)買(mǎi)CAN總線與RS232或RS485轉(zhuǎn)換器和軟件升級(jí)，費(fèi)用昂貴，自主設(shè)計(jì)該產(chǎn)品可以節(jié)約成本，滿足基于CAN總線盾構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的針對(duì)性應(yīng)用。

3)該控制器選用汽車級(jí)別的ARM內(nèi)核處理器，利用其和CAN總線的有機(jī)結(jié)合可以提高控制器的整體性能。有同類文章介紹CAN總線轉(zhuǎn)RS232接口應(yīng)用到盾構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大都是基于理論層面，本文所述設(shè)計(jì)的一大特點(diǎn)是經(jīng)過(guò)汽車復(fù)雜的控制、操作環(huán)境測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用，體現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠的整體性能。

4)由于該控制器還沒(méi)有在盾構(gòu)控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用情況，本文所述設(shè)計(jì)的基于CAN總線盾構(gòu)掘進(jìn)部分?jǐn)?shù)據(jù)采集處理方案需要在今后的盾構(gòu)控制系統(tǒng)升級(jí)改造項(xiàng)目中實(shí)際測(cè)試、檢驗(yàn)。把CAN總線通訊控制技術(shù)應(yīng)用到盾構(gòu)局部控制系統(tǒng)當(dāng)中，為以后盾構(gòu)基于CAN總線的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)，進(jìn)一步提高盾構(gòu)控制技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化和信息化水平。

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