CAN總線在塔機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

邵國平，于浩洋

（黑龍江工程學(xué)院 電子工程系，黑龍江 哈爾濱150050）

塔機是一種廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的大型起重設(shè)備，由于各種主客觀原因極易發(fā)生重大事故，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至人身傷亡，給社會造成重大損失。本文開發(fā)一個能夠?qū)λC進行實時監(jiān)控的系統(tǒng)，控制其在安全限度內(nèi)工作，增加對塔機的過載保護。在生產(chǎn)現(xiàn)場中起吊幅度、起吊高度、轉(zhuǎn)角和起重量等實時數(shù)據(jù)構(gòu)成了塔機工作狀態(tài)。在Linux嵌入式系統(tǒng)中基于CAN數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)采集塔機工作狀態(tài)，保證在不同工況參數(shù)下所能起吊的最大額定起重量、變幅、轉(zhuǎn)角和起吊高度不會超出相應(yīng)不同工況條件下的極限值，完成CAN總線驅(qū)動程序包和有好的圖形化GUI人機界面。系統(tǒng)功能包括CAN總線通信模塊、圖形界面模塊和數(shù)據(jù)非易失存儲等模塊。塔機監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λC主要工作參數(shù)進行綜合自動顯示與記錄、自動保護，對正常工作、滿載、超載、變幅超限等工作狀態(tài)給出相應(yīng)提示，以保證起重機械的正常工作。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

CAN模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中CAN節(jié)點是一個集中數(shù)據(jù)處理的重要控制節(jié)點，主要有兩個功能：一是作為主處理器與CAN總線的接口，完成基于MCP2510的CAN總線控制器接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，對智能節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)信息進行緩存。二是負責(zé)協(xié)調(diào)S3C2440處理器與CAN數(shù)據(jù)采集節(jié)點的通信，以確保各節(jié)點的監(jiān)控數(shù)據(jù)能夠快速、準確地傳給S3C2440處理器。CAN數(shù)據(jù)采集節(jié)點以MSP430F149為微控制器，外圍模塊帶有CAN總線接口模塊和能夠分別進行角度采集、高度采集、壓力采集、長度采集等模塊。主控模塊基于S3C2440處理器的嵌入式系統(tǒng)，負責(zé)對系統(tǒng)各監(jiān)控節(jié)點數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集管理、控制命令的發(fā)送及各控制單元動態(tài)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的實時顯示。

S3C2440X處理器集成了LCD控制器，主要用于傳輸顯示數(shù)據(jù)和產(chǎn)生控制信號，并支持屏幕水平和垂直滾動顯示。數(shù)據(jù)的傳送采用DMA（直接內(nèi)存訪問）方式，以達到最小的延遲，可以支持多種液晶屏。

圖1 嵌入式CAN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主控CAN節(jié)點為智能型模塊，以Linux2.6嵌入式系統(tǒng)為核心，主要負責(zé)以輪詢方式對現(xiàn)場塔吊工況參數(shù)進行監(jiān)測，接收CAN通信控制器MCP2510進入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，形成圖形動畫和文本顯示，按操作過程先后組成過程數(shù)據(jù)記錄，定期寫入到非易失存儲器中。各個節(jié)點模塊將傳感器采集的信號通過串口傳至 MSP430F149微控制器并經(jīng)過簡單的處理，經(jīng)由MCP2510轉(zhuǎn)化成CAN總線的輸出和輸入信號。通過CAN總線傳到S3C2440微處理器進行分析處理，判斷系統(tǒng)所處的狀態(tài)，在系統(tǒng)異常工作狀態(tài)時，發(fā)出報警信號，同時實現(xiàn)諸多工作參數(shù)的數(shù)字化集中顯示和控制。監(jiān)控中心節(jié)點的主要工作是利用QT／E界面，創(chuàng)建通信線程，請求數(shù)據(jù)采集節(jié)點傳送數(shù)據(jù)到主控制節(jié)點，接收塔機的實時運行數(shù)據(jù)，將其直觀顯示，便于監(jiān)控人員監(jiān)視塔機的生產(chǎn)運行情況。

本系統(tǒng)主控節(jié)點軟件應(yīng)用程序的編寫是基于Linux操作系統(tǒng)，使用QT Designer進行界面設(shè)計。主要功能是：實現(xiàn)對起重機的長度、角度、壓力和高度限位開關(guān)量的采集和運算；根據(jù)運算結(jié)果實現(xiàn)對起重機的控制；同時將相關(guān)數(shù)據(jù)通過液晶顯示。監(jiān)控中心節(jié)點系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)：1）數(shù)據(jù)報警處理模塊，2）顯示界面模塊（用戶登陸、工作狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、報警信息查詢模塊），3）按鍵輸入處理模塊，4）CAN收發(fā)數(shù)據(jù)模塊。

2 主節(jié)點Linux嵌入式系統(tǒng)中CAN字符設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

Linux下的CAN總線驅(qū)動程序是相對復(fù)雜的Linux字符設(shè)備驅(qū)動程序。本系統(tǒng)采用Microchip公司的CAN總線接口芯片MCP2510，實現(xiàn)TTL電平到CAN總線電平特性的轉(zhuǎn)換，它支持擴展格式的 CAN 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)（CAN2.0）。通過設(shè)置MCP2510中的CNF1、CNF2、CNF3三個寄存器，實現(xiàn)不同時鐘下CAN總線通信波特率的設(shè)置。系統(tǒng)中CAN總線的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是兩個不同的進程。在驅(qū)動程序中開放數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)和數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)。驅(qū)動程序會根據(jù)module＿init（）函數(shù)所指定的參數(shù)作為入口函數(shù)，在CAN控制器驅(qū)動程序中，這個入口函數(shù)為s3c2440＿mcp2510＿init（），主要完成一些基本的初始化工作。CAN控制器驅(qū)動的初始化工作主要有：軟件復(fù)位，進入配置模式；設(shè)置CAN總線傳輸速率；關(guān)閉中斷；設(shè)置ID過濾器；切換MCP2510到正常狀態(tài)（Normal）；清空接收和發(fā)送緩沖區(qū)。

初始化工作完成之后，引入驅(qū)動程序的操作集。應(yīng)用程序通過系統(tǒng)來調(diào)用，是設(shè)備驅(qū)動程序?qū)?yīng)程序的接口。驅(qū)動程序提供如下文件操作入口，定義如下：

s3c2440＿mcp2510＿open入口點負責(zé)打開CAN設(shè)備及初始化，設(shè)置設(shè)備的占用標(biāo)志。s3c2440＿mcp2510＿release入口點負責(zé)關(guān)閉 CAN 設(shè)備。s3c2440＿mcp2510＿read入口點負責(zé)檢查設(shè)備有沒有接收到完整的幀，判斷是否由完整的數(shù)據(jù)幀可讀。要獲取數(shù)據(jù)幀，使用ioctl的CAN＿READFRAME命令。can＿write入口點負責(zé)向CAN發(fā)送數(shù)據(jù)。如果發(fā)送隊列有足夠的空間，則向設(shè)備傳送數(shù)據(jù)。can＿ioctl入口點負責(zé)向CAN設(shè)備下發(fā)各種操作命令，命令代碼通過cmd參數(shù)傳送，命令參數(shù)通過arg參數(shù)傳送。Read和write操作的驅(qū)動框架如圖2所示，實現(xiàn)用戶區(qū)和內(nèi)核區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳送。

圖2 Read和Write操作的驅(qū)動框架

考慮到CAN控制的特點和CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的特點，設(shè)計兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：CanData和Mcp2510＿DEV。

在CAN控制器設(shè)備驅(qū)動程序中，為了增強CAN控制器的通信能力、提高通信效率，根據(jù)CAN總線的特點，使用兩級緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，即直接面向CAN控制器的收發(fā)緩存區(qū)和直接面向系統(tǒng)調(diào)用的接收幀緩沖區(qū)。使得當(dāng)大量數(shù)據(jù)進出CAN控制時，即可以保證數(shù)據(jù)幀丟失和出錯幾率允許范圍內(nèi)，又可以保證數(shù)據(jù)幀能被快速下發(fā)和接收。

在Linux操作系統(tǒng)中，CAN總線通信程序的設(shè)計可分為發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和中斷處理3個模塊。如圖3所示，系統(tǒng)中CAN總線的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是兩個不同的線程。在驅(qū)動程序中建立數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩沖區(qū)。主節(jié)點中斷處理程序只負責(zé)填充（或者讀?。┚彌_區(qū)中的數(shù)據(jù)，然后喚醒等待接收（或發(fā)送）數(shù)據(jù)的任務(wù)。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都通過獨立的緩沖區(qū)由中斷來實現(xiàn)。操作系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時間在軟件上決定了CAN總線數(shù)據(jù)的最快收發(fā)速度。

圖3 CAN總線通信程序結(jié)構(gòu)

3 主節(jié)點圖形用戶GUI設(shè)計

主節(jié)點顯示模塊主要作用是對起重機的各種參數(shù)進行顯示及設(shè)置相關(guān)的信息查詢功能。Qt Embedded是挪威Trolletch公司的圖形化界面開發(fā)工具Qt的嵌入式版本，它通過QtAPI與LinuxI／O以及Framebuffer直接交互，擁有較高的運行效率，而且整體采用面向?qū)ο缶幊?，擁有良好的體系架構(gòu)和編程模式。Qt Embedded實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4Qt Embedded的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

工作狀態(tài)顯示畫面LGUI中定義的圖形對象主要包括：文本、矩形、橢圓等表示塔機的塔身、塔臂和牽引小車及吊鉤。QT4軟件中的2D繪圖部分稱為Arthur繪圖系統(tǒng)，它由3個主要的類支撐起整個框架：QPainter、QPaintDevice 和 QPaintEngine。QPainter類具有GUI程序需要的絕大多數(shù)函數(shù)，能夠繪制基本的圖形（點、線、矩形、多邊形等）以及復(fù)雜的圖形（如圖形路徑）。QPaintPath對象可以用來填充、繪制輪廓。線和輪廓使用畫筆（QPen）進行繪制，畫刷（QPrush）進行填充。Qt的坐標(biāo)由QPainter控制，QPainter的邏輯坐標(biāo)與QPainter－Device的物理坐標(biāo)之間的映射由QPainter的變換矩陣、視口和窗口處理。邏輯坐標(biāo)與物理坐標(biāo)默認是一致的。使用Qt Designer進行界面設(shè)計，設(shè)計一個定時器QTimer，建立一個信號和槽的連接connect（timer、SIGNAL（timerout（））、this，SLOT（update（）））；讓它200ms產(chǎn)生一個timerout信號，窗口接收函數(shù)為update（），這個函數(shù)自動調(diào)用PaintEvent（）函數(shù)，對窗口進行重繪，根據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)對LCD屏幕相應(yīng)的圖形顯示進行刷新操作。如轉(zhuǎn)動重繪過程當(dāng)中根據(jù)塔吊角度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)動圖形的角度，讓它和角度對應(yīng)起來。重繪圖形之前，先通過Paintsave（）保存坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)動一定角度用Paintrotate（）；根據(jù)系統(tǒng)角度旋轉(zhuǎn)后，最后使用 Paint.restore（）恢復(fù)系統(tǒng)坐標(biāo)系。塔吊高度顯示圖形通過QPainter：：scale（）函數(shù)進行比例變換；角度顯示圖形使用 QPainter：：rotate（）函數(shù)進行旋轉(zhuǎn)變換；幅度顯示圖形的平移變換則使用QPainter：：tanslate（）函數(shù)。最終將數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)變換后實時顯示圖形位置到LCD屏幕上。

GUI模塊顯示定義了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以描述當(dāng)前工作空間以及圖形對象的屬性，結(jié)構(gòu)體data包含6個float數(shù)據(jù)、3個char數(shù)據(jù)、5個bool數(shù)據(jù)、1個int數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文介紹了基于S3C2410的塔吊實時監(jiān)控，重點介紹了嵌入式系統(tǒng)的GUI設(shè)計，詳細地給出了設(shè)計思路及部分核心代碼。綜合利用嵌入式平臺提供的軟硬件開發(fā)了實際的塔吊監(jiān)控界面，提高操作的安全性。

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