利用C164單片機(jī)設(shè)計(jì)自動攤鋪機(jī)通信模塊

1.引言

隨著高等級公路的不斷發(fā)展，對于高等級公路的路面基層、底基層施工質(zhì)量要求也日益嚴(yán)格，采用常規(guī)的施工方法已難以滿足其表面幾何尺寸和平整度的要求，因此采用攤鋪機(jī)攤鋪路面基層、底基層施工勢在必行。但公路工程任務(wù)中，質(zhì)量要求高，時間緊，操作條件惡劣，迫切要求改善操作環(huán)境，降低勞動強(qiáng)度，提高攤鋪機(jī)自動化程度。工程機(jī)械一體化和機(jī)器人化是工程機(jī)械未來的發(fā)展方向。融合電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的自動化和智能化，為機(jī)電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。

該瀝青混凝土自動攤鋪機(jī)的研制、開發(fā)，將提高道路攤鋪工程的自動化程度和智能化水平，改善道路工程的操作環(huán)境和勞動條件，降低勞動強(qiáng)度，提高攤鋪機(jī)產(chǎn)品的檔次，成為國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)的國產(chǎn)化產(chǎn)品，對促進(jìn)我國公路交通事業(yè)的發(fā)展，具有重要意義。

2.攤鋪機(jī)工作原理

瀝青混凝土道路的攤鋪過程是：在工作時，由裝載機(jī)從瀝青混凝土攪拌站將混合攪拌好的高溫鋪路材料料快速運(yùn)輸?shù)綌備仚C(jī)前方，將原料倒入攤鋪機(jī)的料斗中。料斗的下方是左、右兩條輸料帶，輸料帶將原料一直帶到車體后方，原料從輸料帶上落下。分料架是兩個螺旋桿，它們通過旋轉(zhuǎn)將堆積在中間的原料向兩邊分開，基本均勻分布在路面上。車體的最后方是熨平板，熨平板用高強(qiáng)壓和振搗器的高頻率將原料壓實(shí)，待攤鋪機(jī)走過，原料冷卻后，路面形成。

3.通信模塊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 通信模塊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

自動攤鋪機(jī)系統(tǒng)既龐大、又復(fù)雜。包括車體的方向、速度控制，輸分料控制，大臂、熨平板、找平控制，發(fā)動機(jī)的起、?？刂埔约案鞣N狀態(tài)參數(shù)的測量、顯示和故障報(bào)警。為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用了集散型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了集中管理以及功能和危險(xiǎn)的分散。所有這些子控制系統(tǒng)都在不同的單片機(jī)上完成，而這些子系統(tǒng)之間的參數(shù)傳輸則由主交互機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)。顯而易見，攤鋪機(jī)能否在工作環(huán)境相當(dāng)惡劣的條件下正常、可靠、穩(wěn)定地工作，很大程度上取決于各個單片機(jī)于系統(tǒng)能否進(jìn)行可靠、穩(wěn)定的通信。根據(jù)項(xiàng)目的要求，對人機(jī)交互系統(tǒng)和測控機(jī)系統(tǒng)的各種輸入／輸出量的關(guān)系進(jìn)行了深入細(xì)致的研究和測量，制定了如圖l所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在圖1中，主交互機(jī)與左交互機(jī)、右交互機(jī)、車體行駛測控機(jī)、找平輸分料測控機(jī)利用CAN總線進(jìn)行通信；而主交互機(jī)與移動電話則利用RS232C進(jìn)行串行通信。

4.通信模板的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中采用億恒公司的16位CMOS單片機(jī)系列的C164作為主控制器。億恒C164是單片機(jī)是一款非常優(yōu)秀的單片機(jī)，特別是它的16位單片機(jī)，高性能CPU 結(jié)合功能豐富的外設(shè)，每秒可執(zhí)行1250萬條指令，在CPU時鐘頻率20MHz時具有下面的性能特點(diǎn)：

（1）帶有4級流水線高性能16位CPU

80ns最小指令循環(huán)時間，大多數(shù)指令僅需1個循環(huán)，即兩個CPU循環(huán)；16*16位乘法需400ns（20個CPU循環(huán)），32位除16位需800ns（40個CPU循環(huán)）。處理能力達(dá)到10MIPS。

（2）集成在片存儲器

64KB在片可編程FLASH；2KB內(nèi)部RAM，用于變量存儲器池、系統(tǒng)堆棧和代碼；2KB在片高速RAM，用于變量、用戶堆棧和代碼；4KB在片數(shù)據(jù)EEPROM，用于non-volatile變量。

（3）外部總線接口

獨(dú)立或復(fù)用總線配置；段分配和片選信號產(chǎn)生；8位或16位數(shù)據(jù)總線。

（4）16個優(yōu)先級中斷系統(tǒng)

可達(dá)33個中斷節(jié)點(diǎn)帶有獨(dú)立的中斷矢量；在內(nèi)部程序執(zhí)行時，240ns/400ns中斷等待時間；快速外部中斷。

（5）智能在片外設(shè)子系統(tǒng)

8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，帶有可編程轉(zhuǎn)換時間（最小為7.76us；5個定時/計(jì)數(shù)器；同步/異步串行通道；帶有15個信息體的CAN摸量；可編程時間間隔的看門狗定時器；實(shí)時時鐘；用于系統(tǒng)初始化的程序引導(dǎo)裝載器。

（6）59個I/O引腳

輸入模式具有三態(tài)；具有位尋址功能。

通信模塊的硬件電路如圖2所示。

圖2 通信模塊的硬件電路圖

通信模塊帶有CANBUS、RS232C各一路，可獨(dú)立進(jìn)行CAN總線通信和RS232C串行通信。RS232C通信硬件電路由C164片內(nèi)異步串行口、光耦、MAX232A和傳輸線構(gòu)成。CAN通信由C164片內(nèi)CAN控制器、光耦、CAN收發(fā)器PAC82C250和傳輸線構(gòu)成。

CAN收發(fā)器PAC82C250與C164CI的接口均帶有光電隔離，隔離前后采用兩套電源：

（1）系統(tǒng)電源：+Vs（+5V）， Gs ；

（2）機(jī)器電源：+Vm（+5V）， Gm。

5.RS232C通信軟件設(shè)計(jì)

5.1 C164CI的異步串口

C164CI的異步串行口ASC0提供了與其它系統(tǒng)串行通信端口，它的特點(diǎn)是：自帶波特率發(fā)生器的異步串口；異步模式，最大625Kbaud傳送速率；全雙工位；可編程特點(diǎn)（1或2停止位，7、8或9數(shù)據(jù)位）；在數(shù)據(jù)發(fā)送時產(chǎn)生校驗(yàn)或喚醒位；奇或偶校驗(yàn)位；錯誤檢測等。

5.2 串行口通信編程

串行口主要用于移動電話和主交互機(jī)之間進(jìn)行通信。串行通信的實(shí)現(xiàn)主要是通過對串口控制寄存器進(jìn)行配置實(shí)現(xiàn)初始化。下面是這一過程的實(shí)現(xiàn)步驟：

1. 串口控制寄存器初始化；

2. 定義波特率；

3. 定義中斷；

4. 定義引腳的特殊功能；

5. 系統(tǒng)啟動。

下面為實(shí)現(xiàn)串口的通信程序：

#include

unsigned int a;

interrupt（0x2B） void S0RINT（void） //接收中斷服務(wù)子程序

{

a=S0RBUF; //將接收數(shù)據(jù)保存

}

void putchar（unsigned char tdata） //串行發(fā)送程序

{

while（！S0TBIR）{;} //等待發(fā)送緩沖區(qū)清空

S0TBIR=0; //復(fù)位發(fā)送緩沖區(qū)中斷請求標(biāo)志

S0TBUF=tdata; //裝載發(fā)送緩沖寄存器

}

void ASC_vInit（void） //串行通信初始化

{

S0CON=0x8011; //定義控制寄存器：SOR=1；SOREM=1；串行方式1

S0BG=0x0040; //定義波特率9 600Bd

S0RIC=0x0062; //定義接收中斷控制寄存器

S0TBIC=0x0080; //定義發(fā)送緩沖控制寄存器

P3 |=0x0400; //定義P3.10引腳為輸出鎖存（TXD0）

DP3 |=0x0400; //定義P3.10方向控制（TXD0為輸出）

Dp3 &=0xF7FF; //定義P3.11方向控制（RXD0為輸入）

IEN=1; //開中斷

}

void main（void）

{

……；

ASC_vInit（）； //串口初始化

putchar（‘……’）； //串行發(fā)送

……；

}

6.CAN總線通信軟件設(shè)計(jì)

6.1 C164CI的CAN模塊概述

C164CI的CAN模塊特點(diǎn)如下：

（1）遵循CAN V2.0B規(guī)定（符號標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展功能）。

（2）最大CAN通信速率為1MB/S。

（3）完全的CAN裝置：

l 15個信息體，帶有自己的識別器和狀態(tài)控制位；

l 每個信息體可以定義為發(fā)送或接收。

（4）通過在片內(nèi)部XBUS（16位獨(dú)立方式）與主CPU相連（C166-內(nèi)核）。

（5）接收濾波器用可編程屏蔽寄存器：

l 全域屏蔽輸入信息體（全CAN功能）；

l 信息體15有附加屏蔽（基本CAN功能）；

l 靈活的中斷事件控制；

l 帶有兩個接收緩沖器；

l 用自己的全域屏蔽寄存器進(jìn)行接接收濾波。

6.2 CAN總線通信軟件設(shè)計(jì)

自動攤鋪機(jī)系統(tǒng)CAN總線通信軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)是：在選定通信規(guī)程CAN2.0B以后，規(guī)定各計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)的格式和約定；協(xié)調(diào)各計(jì)算機(jī)之間的通信；統(tǒng)一考慮通信中的可靠性措施。

6.2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送模式

由于要傳送數(shù)據(jù)的重要程度、傳送周期不同，在本系統(tǒng)的通信中采用兩種不同的數(shù)據(jù)發(fā)送模式：

（1）發(fā)送模式0：即發(fā)送一次，不檢測接收是否正確，發(fā)送結(jié)束返回。接收方接收到此類數(shù)據(jù)包后，不必發(fā)送應(yīng)答信息包。該數(shù)據(jù)包的特點(diǎn)是：按照一定周期定時發(fā)送，用于主操作面板上的狀態(tài)顯示，所以偶爾的傳送失敗不會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行與操作。

（2） 發(fā)送模式1：即一定要將數(shù)據(jù)包正確發(fā)送給接收方。采用重發(fā)機(jī)制，等待接收方應(yīng)答，若沒有接收到應(yīng)答則重發(fā)。5次發(fā)送均失敗，則返回FALSE，由發(fā)送方做出相應(yīng)的處理動作，如報(bào)警、停機(jī)等；成功則返回TRUE。該數(shù)據(jù)包的特點(diǎn)是：由相應(yīng)事件觸發(fā)發(fā)送，如果傳送失敗，將影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

6.2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送模式

對于自動攤鋪機(jī)系統(tǒng)來說，其CAN 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少，而每種數(shù)據(jù)包只需要一部分節(jié)點(diǎn)來接收，因此在通信設(shè)計(jì)中利用數(shù)據(jù)幀標(biāo)識符來實(shí)現(xiàn)定址組播。為避免接收不必要的數(shù)據(jù)包，對接收節(jié)點(diǎn)按位編址，每個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)驗(yàn)收濾波中的一位。若一個報(bào)文標(biāo)識符高8位中對應(yīng)位為1，則接收；否則忽略。因此只要在發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)包內(nèi)容設(shè)置合適的報(bào)文標(biāo)識符，數(shù)據(jù)包即可被相關(guān)節(jié)點(diǎn)正確接收，而被無關(guān)節(jié)點(diǎn)忽略。

6.2.3 校驗(yàn)

在CAN 結(jié)構(gòu)的MAC層中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了循環(huán)冗余碼〔CRC〕校驗(yàn)。但自動攤鋪機(jī)工作環(huán)境惡劣，工作條件復(fù)雜，為了系統(tǒng)通信的可靠性，在控制程序級的通信中也進(jìn)行校驗(yàn)。為減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)及降低程序復(fù)雜性，控制程序級的校驗(yàn)采用了比較簡單的求和取模校驗(yàn)方式，每個數(shù)據(jù)幀的最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)作為校驗(yàn)和，其值是之前所有數(shù)據(jù)字節(jié)求和后對256取模的值。各節(jié)點(diǎn)的接收接口中以相同方法計(jì)算校驗(yàn)和，若校驗(yàn)正確則將數(shù)據(jù)包壓入接收隊(duì)列，否則拋棄該包。

6.2.4 數(shù)據(jù)包格式及內(nèi)容

其中：L取值為2—8：采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)，使用29位標(biāo)識符。

ID28—ID21：確定此幀的接收節(jié)點(diǎn)，每位代表1個節(jié)點(diǎn)，可以廣播。

ID20—IDl7：此幀的順序號，每發(fā)一個幀增1，用于區(qū)分不同數(shù)據(jù)幀與重發(fā)數(shù)據(jù)幀。

IDl6：應(yīng)答標(biāo)志位：為1表示此幀需要應(yīng)答，為0表示此幀不需應(yīng)答。

IDl5—IDl3：指定此幀的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，0—3分別代表左交互機(jī)、右交互機(jī)、車體行駛測控機(jī)和找平輸分料測控機(jī)。

ID12—ID0：無意義。

6.3 CAN總線通信編程

CAN總線通信編程是一個比較煩瑣的事情，主要是涉及諸多的CAN寄存器，但只要掌握其規(guī)律和技術(shù)關(guān)鍵，就會變得容易起來。下面是CAN總線通信編程的實(shí)現(xiàn)步驟：

（1）CAN模量初始化；

（2）定義每一個信息體；

（3）裝載信息體數(shù)據(jù)（僅針對發(fā)送信息體）；

（4）接收信息體接收數(shù)據(jù)；

（5）發(fā)送一個信息體；

（6）檢查一個信息體；

（7）檢查是否關(guān)閉CAN總線。

為便于進(jìn)行模塊化編程，將CAN通信功能封裝成一個個子程序，并且生成一個專用的程序庫，供不同的程序員調(diào)用，這樣就提高了編程效率，并易于功能擴(kuò)展。下面給出其中的兩個子程序。

下面為發(fā)送一個信息體的CAN通信程序：

#include //C164寄存器定義

#include //CAN控制寄存器定義

void send_mo_16x（unsigned char a） //發(fā)送信息體“a”（114）

{

if（（a＜15）&&（a））*msgctrl_ptr_16x[a]=0xefff; //置位TXRQ

}

下面為檢查是否關(guān)閉CAN總線的CAN通信程序：

#include //CAN控制寄存器定義

unsigned char check_busoff_16x（void） //檢查總線是否關(guān)閉，并在必要時恢復(fù)

{

unsigned char busoff_var=0;

if（SR&0x80） //如果BOFF=1

{

busoff_var=1;

CR=CR&0xfe; //恢復(fù)關(guān)閉的總線（清零INIT）

}

}

7.結(jié)論

由于攤鋪機(jī)的功能繁多，運(yùn)作復(fù)雜，工作環(huán)境十分惡劣，因此控制系統(tǒng)的工作可靠性問題就是自動攤鋪機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在本系統(tǒng)中，利用RS232C 實(shí)現(xiàn)了主交互機(jī)與移動電話之間的串行通信；采用帶CAN總線的單片機(jī)完成不同模塊各自的功能，又通過CAN總線傳送數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)了功能分散又集中監(jiān)視，危險(xiǎn)分散。因此，很適合于自動攤鋪機(jī)中分布式控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該通信模塊具有良好的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。