現(xiàn)場總線iCAN網絡在工程機械中的應用

一．CAN-bus 總線簡介：
CAN-bus 總線是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，最初被設計用作汽車電子控制單元（ECU：Electric Control Unit）的串行數(shù)據傳輸網絡，現(xiàn)已被廣泛應用于歐洲的中高檔汽車中。近幾年來，由于CAN-bus 總線極高的可靠性、實時性，CAN-bus 總線開始進入中國
各個行業(yè)的數(shù)據通訊應用，并在2002 年被確定為電力通訊產品領域的國家標準。

CAN-bus 網絡使用普通雙絞線作為傳輸介質，采用直線拓撲結構，單條網絡線路可以連接到110 個節(jié)點。當通訊距離不大于40 米時，傳輸速率可達到1Mbps；當使用5Kbps 傳輸速率(收發(fā)器PCA82C250/251 支持)，同一物理網絡可達10 公里的通訊距離。
CAN-bus 總線的適用范圍：可適用于節(jié)點數(shù)目比較多，傳輸距離在10 公里以內，安全性、可靠性要求高的場合；也可適用于對實時性、安全性要求十分嚴格的機械控制網絡。

目前，國內的汽車、電梯行業(yè)已是CAN-bus 應用的典型領域，工業(yè)控制、智能樓宇、煤礦設備等行業(yè)也得到了廣泛的應用。

二．CAN-bus 總線在工程機械中的應用
由于嵌入式電腦、網絡通訊、微處理器、自動控制等先進技術的日漸廣泛應用，工程機械控制系統(tǒng)的性能和集成度已經有了很大的提高。而CAN-bus 總線由于良好性能，特別適合于工程機械中各電子單元之間的互連通訊。隨著CAN-bus 總線技術的引入，工程機械中
基于CAN-bus 總線的分布式控制系統(tǒng)取代原有的集中式控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的復雜的線束被CAN-bus 總線所代替：系統(tǒng)中各種控制器、執(zhí)行器以及傳感器之間通過CAN-bus 總線連接，線纜少、易敷設，實現(xiàn)成本低，而且系統(tǒng)設計更加靈活，信號傳輸可靠性高，抗干擾能力強。
目前CAN-bus 總線技術在工程機械上的應用越來越普遍。國際上一些著名的工程機械大公司如CAT、VOLVO、利勃海爾等都在自己的產品上廣泛采用CAN-bus 總線技術，大大提高了整機的可靠性、可檢測和可維修性，同時提高了智能化水平。而在國內，CAN-bus總線控制系統(tǒng)也開始在工程汽車的控制系統(tǒng)中廣泛應用，在工程機械行業(yè)中也正在逐步推廣應用。

三． iCAN 網絡在工程機械中的應用
1．iCAN 網絡的介紹
iCAN 協(xié)議即“Industry CAN-bus Application Protocol”，是現(xiàn)場總線CAN-bus 的應用層協(xié)議之一，具有理解簡單、易于實現(xiàn)、實時可靠的特點。iCAN 網絡是面向于自動控制領域、基于CAN-bus 總線和iCAN 協(xié)議的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目標就是解決用戶在CAN-bus 應用領域中的通訊控制或者數(shù)據采集問題。

將CAN-bus 網絡的數(shù)據鏈路層、物理層與一個高效的用戶層結合在一起，既可以保障底層使用CAN-bus 總線的高效、實時、可靠的特點，又能夠建立一個易于實現(xiàn)、成本較低、效率良好的數(shù)據通訊網絡方案。這就形成了一個基于現(xiàn)場總線CAN-bus 的完整通訊網絡以及數(shù)據采集方案，也就是iCAN 網絡的誕生。

iCAN 網絡構建非常靈活，結構簡單，成本較低；并且iCAN 網絡具有易于組態(tài)，安裝、運行、維護簡便的特點。iCAN 網絡組成結構如下圖所示，包括了iCAN 模塊、CAN-bus 接口卡以及CAN-bus 網關/網橋設備。

iCAN 網絡的基礎與核心是iCAN 協(xié)議。iCAN 協(xié)議是國內對于CAN-bus 系統(tǒng)應用的一種全新嘗試。iCAN 協(xié)議的設計目標是：實現(xiàn)一種簡單/可靠/穩(wěn)定的CAN-bus 應用層協(xié)議。

在iCAN 協(xié)議的設計過程中，充分參考和借鑒了DeviceNet 協(xié)議和CANopen 協(xié)議。畢竟DeviceNet 協(xié)議和CANopen 協(xié)議是嚴謹和完善的，并經過實際工程驗證。

制定iCAN 協(xié)議是一個相當嚴謹?shù)脑O計過程。這里主要考慮了一些關鍵因素：
􀁺 CAN 報文的分配
􀁺 數(shù)據通訊的實現(xiàn)
􀁺 網絡管理
􀁺 設備建模
通過以上技術問題的解決，一方面可以保證iCAN 網絡的高通訊效率、高數(shù)據可靠性，令基于iCAN 協(xié)議的各個總線節(jié)點能夠組成一個有機的整體網絡；另一方面，通過在iCAN協(xié)議設備建模方面的嘗試，可以使產品描述標準化，協(xié)議發(fā)展具有可延續(xù)性，保障后續(xù)產品
開發(fā)過程中在通訊協(xié)議方面的的一致性。

在iCAN 網絡中，可以根據需要增加CAN-bus 網關/網橋設備，以適應實際系統(tǒng)的網絡規(guī)模和通訊距離，以及用戶終端設備在安裝、布線等方面的要求。通過CAN-bus 網關/網橋設備，iCAN 網絡也可以方便地互連其它類型的網絡，比如串行通訊網絡RS-232/RS-485、
以太網EtherNet 等，或者連接DeviceNet/CANopen 網絡。

2．工程機械中iCAN 網絡結構
在工程機械中iCAN網絡主要由工控微機、標準PC-CAN接口卡以及iCAN模塊組成，系統(tǒng)結構如圖 2 所示。


工控微機通過CAN-bus 接口卡接入CAN-bus 網絡中，與總線進行數(shù)據交換，管理系統(tǒng)中各個iCAN 模塊及其它設備；實現(xiàn)系統(tǒng)中各設備參數(shù)監(jiān)控、顯示、人機界面以及各種控制功能。iCAN 模塊實現(xiàn)傳感器的信號采集，并實現(xiàn)控制信號輸出功能。

根據工程機械中的傳感器、控制器類型的不同，選擇合適的iCAN 模塊。iCAN 模塊的輸入端口采集液壓、發(fā)動機等系統(tǒng)中傳感器的信號，并傳送到總線上；輸出端口根據來自總線上的控制信息操作執(zhí)行機構，完成對于液壓等系統(tǒng)的控制。

iCAN 網絡在工程機械中的應用，避免了復雜的信號連線，使控制系統(tǒng)的安裝為何簡單，運行可靠，應用靈活，并能夠保證控制的實時性。

四．應用實例：起重力矩限制系統(tǒng)
1．簡介
起重力矩限制系統(tǒng)為汽車起重機控制系統(tǒng)中一個重要組成部分。該系統(tǒng)通過對起重機械中長度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器等輸出數(shù)據進行分析處理，實現(xiàn)對系統(tǒng)工作時起重力矩的實時監(jiān)控，以保證起重機工作在安全狀態(tài)下。而且該系統(tǒng)能夠實時記錄起重機作業(yè)
中的危險工況，為事故的分析處理提供可靠的依據。

該系統(tǒng)要求能夠實時采集長度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的輸出數(shù)據，其中長度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的信號輸出類型主要為電壓或者電流信號，傳感器信號的通道共有4 路。此外系統(tǒng)要求提供4 路數(shù)字量輸出通道。

2．解決方案
起重力矩限制系統(tǒng)的CAN-bus解決方案為：系統(tǒng)采用一塊PC104-CAN2I雙路CAN接口卡、一個iCAN-4017 模擬量輸入模塊以及一個iCAN-4050 數(shù)字量輸入輸出模塊。起重力矩限制系統(tǒng)結構示意圖如下圖 3 所示：


1）PC104-CAN2I 雙路CAN 接口卡作為CAN 網絡主控設備，實現(xiàn)對于數(shù)據采集模塊的管理。PC104-CAN2I 接口卡配備2 個通道CAN 接口， CAN 通道采用光電隔離措施，增強了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。電路板采用4 層板技術，SMT 工藝，抗干擾能力強，保障長期運行的穩(wěn)定可靠。
2）iCAN-4017 模擬量輸入模塊主要技術參數(shù)如下：
􀁺 單電源供電，供電電壓：＋10V~+30V DC；
􀁺 8 路模擬量輸入通道；
􀁺 16 位分辨率ADC；
􀁺 電壓輸入范圍：±10V (默認)、±5V、 ±2.5V、±1V、±500mV、±150mV；
􀁺 電流輸入范圍：±20mA（需外接125Ω 精密電阻）。
采用iCAN-4017 模擬量輸入模塊的四路輸入通道用于采集系統(tǒng)中長度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的輸出數(shù)據。
3）iCAN-4050 數(shù)字量輸入輸出模塊主要技術參數(shù)如下：
􀁺 單電源供電，供電電壓：＋10V~+30V DC；
􀁺 8 路開關量輸入通道；
􀁺 8 路開關量輸出通道；
􀁺 開關量輸入信號：高電平： +3.5 V~+30V，低電平：≤+1V ；
􀁺 開關量輸出信號：集電極開漏輸出，最大負載電壓+30V，電流30mA。采用iCAN-4050 數(shù)字量輸入輸出模塊四路輸出通道用于提供數(shù)字量輸出信號。

3．系統(tǒng)說明
起重力矩限制系統(tǒng)通過iCAN 模塊檢測各傳感器的信號，各模塊通過CAN 總線將傳感器數(shù)據傳送到控制主機進行處理，系統(tǒng)工作狀態(tài)實時顯示在人機界面上。該系統(tǒng)能夠警示危險工況，診斷并排除故障。在危險工況下，通過實時地控制輸出模塊，使系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，防止事故的發(fā)生。

起重力矩限制系統(tǒng)軟件采用VC++開發(fā)。系統(tǒng)軟件對傳感器數(shù)據進行處理，實時獲取系統(tǒng)工作狀態(tài)，并以圖形化的界面顯示，在危險狀態(tài)下及時發(fā)出報警信息，并可以根據鍵盤指令進行相應的控制。
在起重力矩限制系統(tǒng)中采用了iCAN-4017 模塊以及iCAN-4050 模塊各一個。在滿足系統(tǒng)需求的基礎之上，模擬量輸入、數(shù)字量輸入以及開關量輸出均有剩余通道，可以方便未來產品功能的擴展。

該起重力矩限制系統(tǒng)的特點是：通過CAN-bus 總線實現(xiàn)對各傳感器信號的采集以及輸出裝置的控制，使得系統(tǒng)十分容易構建，布線安裝十分方便；同時系統(tǒng)抗干擾能力強、可靠性高、實時響應性好。而且通過CAN-bus 總線的應用，使該起重力矩限制系統(tǒng)的很容易作為一個子系統(tǒng)嵌入到起重機的控制系統(tǒng)中。

通過實際的運行測試表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，維護接口方便，性能價格比較高。

五．結論
CAN-bus 總線的應用使工程機械控制系統(tǒng)功能具有良好的可擴展性，易于實現(xiàn)對各分系統(tǒng)得集中監(jiān)測和管理。此外CAN-bus 總線的應用使用戶的使用、維護、故障診斷更加靈活和方便，例如起重機在出廠調試時，工廠計算機系統(tǒng)可以通過CAN-bus 總線訪問其控制系統(tǒng)，記錄保存調試數(shù)據，以作為在故障時維修的原始參考數(shù)據。

隨著CAN-bus 總線在工程機械中的不斷應用，必將大大提高工程機械的可靠性、可檢測、可維修性以及智能化水平。依靠強大的專業(yè)開發(fā)團隊、NXP 半導體的領先技術，我們始終執(zhí)著于工程機械行業(yè)中
CAN-bus 總線的應用推廣，為客戶提供更多的優(yōu)質的解決方案。