CAN總線化工機械的智能化終端平臺設(shè)計與實現(xiàn)

秦洪浪

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院， 陜西 咸陽 712000)

0 引言

CAN總線是一種技術(shù)先進，可靠性與穩(wěn)定性較高，功能健全的遠程控制模式，已實現(xiàn)了在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。當前國內(nèi)相對缺乏以CAN總線為基礎(chǔ)的化工機械智能化終端平臺，并未充分合理利用CAN總線的優(yōu)勢作用，同時機械智能化終端大部分存在功能過于單一化，一體化集成結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜，升級優(yōu)化需拆機更換ROM存儲芯片，顯示實時性較差，監(jiān)控數(shù)據(jù)信息不完善，操作不便捷等各種問題[1]。據(jù)此，本文設(shè)計了CAN總線化工機械智能化終端平臺。

1 CAN總線技術(shù)分析

CAN即國際標準化組織的串行總線通信協(xié)議，CAN總線是支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，稱之為工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。以CAN總線為基礎(chǔ)的分布式控制系統(tǒng)可實時可靠傳輸各個節(jié)點間的數(shù)據(jù)信息，因此得以在化工自動化、工業(yè)自動化、船舶設(shè)備等各個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用。1993年11月，ISO正式頒布了道路交通運載工具-數(shù)字信息交換-高速通信CAN國際標準ISO11898，在很大程度上為CAN標準化與規(guī)范化推行奠定了堅實的基礎(chǔ)。CAN總線是自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的主要熱點，CAN控制器基于CAN-H與CAN-L共同構(gòu)成通信總線。CAN總線信號是通過二者間的差分電壓所決定的。在CAN-H為3.5 V，CAN-L為1.5 V，差分電壓為2 V時，代表顯性邏輯；在CAN-H為2.5 V，CAN-L為2.5 V，差分電壓為0 V時，代表隱性邏輯[2]。

CAN協(xié)議與傳統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)之間的最大差異是編碼通信數(shù)據(jù)塊，促使網(wǎng)絡(luò)全部節(jié)點可實時接收相同數(shù)據(jù)，從而保障了控制系統(tǒng)實時性與可靠性。通信數(shù)據(jù)短幀結(jié)構(gòu)，各幀包含起始段、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、循環(huán)冗余校驗段、方管段、結(jié)束段。數(shù)據(jù)段為8個字節(jié)有效數(shù)據(jù)，校驗段具備錯誤處理功能，短幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸時間較短，可降低干擾影響，提升通信可靠性與穩(wěn)定性。

CAN總線以多主競爭式總線結(jié)構(gòu)為載體，通過非破壞性仲裁技術(shù)，CAN總線的任意節(jié)點可在任何時刻主動面向網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點傳輸信息，并且不分主次，可于各節(jié)點自由通信。在兩個節(jié)點同時面向網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動停止傳輸數(shù)據(jù)，較高的節(jié)點可以不受任何影響地持續(xù)性傳輸，從而防止總線沖突。節(jié)點還可同時進行相同數(shù)據(jù)接收。這些特性促使CAN總線生成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信實時性相對較強，并且比較容易生成冗余結(jié)構(gòu)，提升了系統(tǒng)可靠性與靈活性。而CAN總線節(jié)點發(fā)生嚴重錯誤時，可自動關(guān)閉總線，從中脫離，從而保護網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點之間的通信不受外界影響?？偩€節(jié)點可就報文ID直接決定接收或者屏蔽報文。

2 CAN總線化工機械智能化終端平臺設(shè)計

2.1 終端平板整體設(shè)計

CAN總線即控制器局域網(wǎng)，是當前應(yīng)用最為普遍的現(xiàn)場總線模式，不僅可靠性與穩(wěn)定性良好，且功能健全，成本較低，已實現(xiàn)了在汽車電子、電力系統(tǒng)、自動控制等多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)階段CAN總線技術(shù)于化工機械中應(yīng)用愈發(fā)普遍化，而很多關(guān)鍵零件生產(chǎn)的控制器、傳感器、執(zhí)行器等大都以CAN總線為基礎(chǔ)加以控制，以此高效保障了整機可靠性、穩(wěn)定性、可檢測性、智能性。

為解耦智能化終端平臺與既有電液控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)在協(xié)同工作的同時，又彼此保持獨立，本文設(shè)計了CAN總線分布式控制方案，在主機子系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)中接入了智能化終端平臺，以此面向子系統(tǒng)提供多項功能，即聯(lián)接、感知、計算、記憶等等，并基于功能在智能化終端平臺上實現(xiàn)定制式應(yīng)用。CAN總線化工機械分布式智能化終端平臺接入[3],具體如圖1所示。

圖1 智能化終端平臺接口

智能化終端平臺基于CAN總線，與主機電控系統(tǒng)相互對接，以無線通信與遠程云平臺、近程智能手機等各種移動終端相銜接，以此為各種操作人員提供數(shù)據(jù)信息，為電控系統(tǒng)提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，并以內(nèi)置傳感器為載體，獲取主機實時運行狀態(tài)，從而基于智能化終端平臺中運轉(zhuǎn)的各種應(yīng)用，為控制器提供多元化、智能化功能。

2.2 CAN總線接口電路設(shè)計

CAN總線接口電路硬件基于CAN總線主站電路板與從站電路板共同構(gòu)成，由于CAN接口配置的工控機并不多，成本較高，而帶有RS232串口的工控機較為普遍，所以CAN總線主站電路板以RS232轉(zhuǎn)CAN技術(shù)。CAN總線接口電路結(jié)構(gòu)[4],具體如圖2所示。

圖2 總線接口電路結(jié)構(gòu)

2.2.1 主站電路設(shè)計

為保障通信可靠性與穩(wěn)定，CAN控制器與收發(fā)器之間添加了光電耦合器，以隔離光電。CAN主站電路結(jié)構(gòu),具體如圖3所示。

圖3 主站電路結(jié)構(gòu)

2.2.2 從站電路設(shè)計

CAN從站電路與主站電路結(jié)構(gòu)類似，由于無需與上位機相互通信，因此省去了RS232串口通信部分，而為提升系統(tǒng)可靠性，從站電路與主控電路同樣設(shè)置了電機驅(qū)動硬件接口電路，結(jié)構(gòu)相一致。CAN從站電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 從站電路結(jié)構(gòu)

2.3 終端平臺軟硬件設(shè)計

2.3.1 硬件設(shè)計

CAN總線化工機械智能化終端平臺硬件框架[5],具體如圖5所示。

圖5 終端平臺硬件框架

其中主控模塊是硬件核心所在，包含ARM+DSP雙核處理器，即主頻1GHz的ARM Cortex-A8 MPU核與800MHz的TMS320 C64x+DSP核，同時集成融合了2D/3D圖形加速器。由于具備DSP，主控模塊不僅可完成基于乘加運算、矩陣運算、三角函數(shù)、浮點運算的繁雜數(shù)學(xué)計算部分，還可實現(xiàn)圖形圖像格式轉(zhuǎn)換與處理分析算法。主控模塊ARM核主頻相對較高，接口多元化，內(nèi)存非常大，可同時接入現(xiàn)場設(shè)備與遠程設(shè)備，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時交互。

4G功能模塊?；贛E3630全網(wǎng)通工業(yè)級模塊實現(xiàn)4G功能，以貼片式焊接工藝，確?；C械振動。于待機模式時，還可接收短信，喚醒主系統(tǒng)。同時以USB接口為載體與主控模塊實現(xiàn)彼此通信。

藍牙功能。利用EH-MC10低能耗工業(yè)級模組，支持藍牙4.0協(xié)議、數(shù)據(jù)通信。并基于UART接口與主控模塊相互通信。

WiFi功能。通過HF-ALL模組實現(xiàn)WiFi功能，以2.4 GHz頻段，支持802.11b/g/n與AP等多項功能。以網(wǎng)口為載體實現(xiàn)和主控模塊之間的通信，同時支持UART接口配置WiFi模塊。

存儲功能。基于Micro SD卡進行存儲，最大容量為32G，以SDIO接口接入主控模塊，完成二者相互通信。

定位功能。利用MAX-8Q工業(yè)級模塊準確定位，此模塊不僅體積較小，能耗偏低，而且穩(wěn)定性與可靠性良好，電路實現(xiàn)相對簡單，同時支持GPS與北斗系統(tǒng)。通過UART接口與主控模塊彼此通信，且可基于IIC接口合理配置模塊。

主控模塊。集成兩路工業(yè)級CAN控制器，對外銜接附帶電鍍隔離的CAN轉(zhuǎn)發(fā)器，且信號傳輸速率可以達到1 Mbps。

硬件嚴格遵守工業(yè)級相關(guān)標準進行設(shè)計，與寬溫、寬壓、電磁兼容等相關(guān)要求高度相符。

2.3.2 軟件設(shè)計

CAN總線化工機械智能化終端平臺軟件以嵌入式Linux為載體進行開發(fā)，為實現(xiàn)軟件平臺化與可擴展性，遵循了模塊化與層級化設(shè)計原則。軟件主要劃分為4個層次[6]，具體如圖6所示。

圖6 終端平臺軟件框架

板級支持包BSP層分析。以Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)開發(fā)板級支持包BSP層，其為軟件框架最底層，負責為硬件提供資源。其中包含文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口、設(shè)備驅(qū)動。文件系統(tǒng)的作用是為終端平臺提供相關(guān)支持，系統(tǒng)Flash、TF卡數(shù)據(jù)、文件讀寫都是基于文件系統(tǒng)接口實現(xiàn)的；網(wǎng)絡(luò)接口負責提供TCP/IP協(xié)議棧支持與Socket編程接口；設(shè)備驅(qū)動的作用是提供板載外接設(shè)備與接口的應(yīng)用運行接口，同時支持定位、速度、模擬信號采集、音頻視頻采集、CAN總線、WiFi、藍牙、4G等等。

基礎(chǔ)組件/庫層分析。負責提供應(yīng)用框架與智能化應(yīng)用所需動態(tài)庫，即發(fā)行版常用庫、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用常用庫、CAN應(yīng)用協(xié)議庫。面向非標準化智能化終端平臺外接設(shè)備驅(qū)動，提供與其相適應(yīng)的適配層硬件HAL組件，其可有效解決硬件升級引發(fā)的兼容性問題，同時還提供面向主機應(yīng)用的智能化算法庫組件，其支持研發(fā)者在授權(quán)下適度擴展，以實現(xiàn)定制式相關(guān)要求。

應(yīng)用架構(gòu)層分析?；诨C械智能化應(yīng)用需求，高度抽象而得的通用功能模塊與應(yīng)用框架。

智能化應(yīng)用層分析。應(yīng)用研發(fā)者以應(yīng)用架構(gòu)層代碼為輔助，根據(jù)產(chǎn)品個性化與差異化要求，完成實際應(yīng)用研發(fā)。

2.3.3 訂閱發(fā)布機制設(shè)計

規(guī)范標準的應(yīng)用架構(gòu)層，是保障平臺二次開發(fā)友好性的重要前提。因此，針對應(yīng)用架構(gòu)層實現(xiàn)了終端平臺化，以訂閱發(fā)布設(shè)計模式，解耦了多項模塊，強化了應(yīng)用架構(gòu)易擴展性?；C械智能化終端為數(shù)據(jù)融合載體，銜接了多種CAN總線傳感器與控制器設(shè)備，并內(nèi)置了定位與溫度等傳感器，所需采集數(shù)據(jù)信息海量繁雜。就此數(shù)據(jù)應(yīng)用場景也十分復(fù)雜，其中部分需單獨儲存，部分需通過解析處理，并打包傳輸于云平臺與智能手機App，其他部分則需采取特定算法完成數(shù)據(jù)運算，并反饋結(jié)果于電液控制系統(tǒng)。而各種場景對于數(shù)據(jù)的應(yīng)用，都需確保實時性。在智能化終端應(yīng)用中，為實現(xiàn)多應(yīng)用對多數(shù)據(jù)運用的安全性、實時性、靈活性設(shè)計，引進了訂閱發(fā)布機制。

此機制明確了一對多的依賴性關(guān)系，促使多訂閱者共同監(jiān)控同一主題對象。此對象在狀態(tài)實時變化時，會快速提示全部訂閱者，以確保其可及時自動更新自身狀態(tài)。訂閱發(fā)布機制[7]具體如圖7所示。

圖7 訂閱發(fā)布機制

其中將基于CAN總線、內(nèi)置傳感器、定位模塊、電源管理模塊的底層數(shù)據(jù)信息，統(tǒng)一封裝為不同主題，由底層數(shù)據(jù)管理模塊為發(fā)布者，進行實時發(fā)布。此模塊不僅負責提供數(shù)據(jù)信息，還提供數(shù)據(jù)采集策略配置接口。而應(yīng)用架構(gòu)服務(wù)模塊只需關(guān)注訂閱所獲數(shù)據(jù)接口即可。應(yīng)用架構(gòu)層服務(wù)模塊通過相同模式，明確定義應(yīng)用程序所關(guān)注交互數(shù)據(jù)為不同主題，以供業(yè)務(wù)邏輯層應(yīng)用。

通過各主題解耦底層數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)邏輯，應(yīng)用程序只需關(guān)注相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯，以積木式模式，根據(jù)需要激活并配置應(yīng)用架構(gòu)供給的模塊，并詳細填寫應(yīng)用代碼。此開發(fā)模塊不僅可保障二次開發(fā)便捷性與靈活性，還可保留框架整體性，在很大程度上提高了終端軟件質(zhì)量。

3 CAN總線電液控制系統(tǒng)設(shè)計

化工機械電氣控制系統(tǒng)是機械自動化控制系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，而電液比例控制技術(shù)是提升設(shè)備自動化水平的關(guān)鍵途徑。機械電液控制系統(tǒng)不僅可有效提升生產(chǎn)效率，還可降低勞動強度?；谶h程遙控操作，可有效改進優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，保障化工生產(chǎn)安全性。系統(tǒng)基于CAN通信網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)，以主控制器為核心，同時就PWM控制器、遙控器、人機操作界面，整體應(yīng)用機械、液壓、電子技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，從而設(shè)計化工機械設(shè)備綜合電液控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)具體如圖8所示。

圖8 電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 CAN總線化工機械智能化終端平臺二次開發(fā)

CAN總線化工機械智能化終端平臺二次開發(fā)包括SDK(軟件開發(fā)套件)與IDE(集成開發(fā)環(huán)境)。SDK基于固件、應(yīng)用架構(gòu)代碼、應(yīng)用程序構(gòu)成，并與IDE打包為一體，供給應(yīng)用研發(fā)者。

CAN總線化工機械智能化終端為嵌入式電子產(chǎn)品，不具有開發(fā)能力，直接于硬件編寫并調(diào)試軟件難度較大。當前嵌入式軟件開發(fā)，即基于PC編寫代碼，并通過交叉編譯形成目標平臺可以運行的二進制固件，然后燒寫于硬件運轉(zhuǎn)并調(diào)試?；诎踩耘c友好性，面向智能化應(yīng)用開發(fā)調(diào)試，制定了以Eclipse平臺為載體的解決方案。Eclipse平臺提供了完整的基礎(chǔ)框架，應(yīng)用程序可以此為功能插件集成于Eclipse。

以Eclipse平臺為輔助，本文深層定制研發(fā)了CAN總線化工機械智能化終端的IDE，集成了具備智能化終端的SDK、C/C++開發(fā)套件、交叉編譯器，支持面向目標機應(yīng)用程序的項目管理、源代碼編輯、項目建構(gòu)、交叉運行、調(diào)試、測試、固化等多元功能。而IDE運行于Windows7，不需要安裝與配置，只需通過網(wǎng)線連接智能化終端與電腦，便可實現(xiàn)研發(fā)、下載與調(diào)試，使用十分便捷[8]。

5 CAN總線化工機械智能化終端平臺實踐分析

當前以CAN總線化工機械智能化終端平臺為載體，已經(jīng)衍生了許多各式各樣的產(chǎn)品形態(tài)，且實現(xiàn)了在混凝土泵車健康監(jiān)控系統(tǒng)與智能化臂架控制系統(tǒng)等產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用。在混凝土泵車健康監(jiān)控系統(tǒng)中，設(shè)計研發(fā)了以CAN總線化工機械智能化終端平臺為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)現(xiàn)場進行控制器CAN數(shù)據(jù)采集，并加以解析，以獲得健康檢測結(jié)果，傳輸于App呈現(xiàn)。同時儲存并統(tǒng)計的工作數(shù)據(jù)，可基于App查詢與統(tǒng)計，并傳輸檢測結(jié)果于近場App以呈現(xiàn)化工機械健康與運行狀況，具體如圖9所示。

圖9 混凝土泵車實際應(yīng)用

而于智能化臂架控制系統(tǒng)中，基于CAN總線化工機械智能化終端平臺設(shè)計研發(fā)了臂架求解器，其功能是負責計算泵車臂架控制系統(tǒng)，以臂架姿態(tài)在線求解與逆求解獲得控制結(jié)果，并傳輸于控制器，以實現(xiàn)臂架軌跡高度精確化控制。

6 總結(jié)

綜上所述，本文設(shè)計實現(xiàn)了CAN總線化工機械智能化終端平臺，簡單介紹了分布式電液控制系統(tǒng)方案，分析了CAN總線主站電路與從站電路，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了化工機械智能化終端平臺，并詳細設(shè)計了終端軟件與硬件平臺，進行了終端平臺二次開發(fā)，最后通過混凝土泵車中的實踐應(yīng)用驗證了終端平臺實用性。結(jié)果表明，此智能化終端可為電液控制系統(tǒng)提供更全面聯(lián)接、更完善感知、更高層次計算、更好記憶能力，可幫助主機實現(xiàn)無感智能化升級，實用性、可靠性、穩(wěn)定性良好，值得大力推廣與廣泛應(yīng)用。