基于現場總線的汽車檢測線控制系統研究

劉遠宏，馬宗坡，夏均忠，王 萌

（軍事交通學院汽車工程系汽車試驗中心，天津 300161）

0 引 言

目前國內汽車檢測線控制系統大都是采用RS232C、RS485串行通信接口的分布式控制系統（distributed control system，DCS）[1-3]，傳輸方式是一對一結構，控制系統接線復雜，工程費用高，維護困難，信號傳輸精度低，易受干擾，儀表互換性差，這都阻礙了上層系統功能的發揮。

現場總線使數字通信總線一直延伸到現場設備，使現場設備可通過一條總線進行雙向多信息數字通信，通信方式更為靈活、實時性強、可靠性高、抗干擾性強。現場總線控制系統（fieldbus control system，FCS）作為新一代控制系統，突破了DCS采用通信專用網絡的局限，把DCS的集中與分散相結合的系統結構變成了新型全分布式結構[4-5]。

現場總線和開放系統在汽車檢測線控制系統中的應用將大大降低自動化控制系統的成本，實現系統全分散控制和檢測設備的智能化與功能自治。

1 現場總線技術

現場總線技術的基礎是數字通信，其結構遵循國際標準化組織（ISO）的開放系統互聯（OSI）模型。目前世界上有40多種現場總線，雖然總線標準不統一，但其協議大多采用了OSI模型中的物理層、數據鏈路層和應用層，同時考慮了現場裝置的控制功能和具體運用增加了用戶層[6-7]。

物理層定義了信號的編碼和傳送方式、傳送介質、接口的電氣及機械特性、信號傳輸速率等。傳輸介質主要有電纜、光纖和無線介質。

數據鏈路層分為介質訪問控制層（MAC）和邏輯鏈路控制層（LLC）。MAC層的功能是對傳輸信號的發送和接收進行控制，而LLC層的功能是對數據鏈路進行控制，保證數據傳送到指定設備上。

應用層定義了如何讀、寫、中斷和操作信息及命令，信息、句法（包括請求、執行及響應信息）的格式和內容。應用層的功能是傳送現場設備數據及訪問現場總線變量，為用戶提供接口。

用戶層是現場總線標準在OSI模型之外新增加的一層，定義了從現場裝置中讀、寫信息和向網絡中其他裝置分派信息的方法，即規定了供用戶組態構成系統的標準“功能模塊”。

目前影響較大的現場總線有CAN總線、FF總線、LonWorks總線、Profibus總線和HART總線。

CAN 全稱為“controller area network”，即控制器局域網，是德國BOSCH公司為解決汽車眾多控制單元與測試儀器之間的數據交換而開發的。

與其他現場總線相比，CAN總線是目前唯一具有國際標準的現場總線，數據通信具有突出的實時性、可靠性，通信速率快，結構簡單，互操作性好。CAN協議也是建立在ISO/OSI模型基礎上的，其模型結構有2層，即取OSI底層的物理層、數據鏈路層。協議具有完善的錯誤處理機制、靈活性高[8-11]。由于CAN的數據結構簡單，結構層次少，有利于系統中實時控制信號的傳送。

2 汽車檢測線FCS控制系統結構設計

2.1 系統結構設計

汽車檢測線FCS控制系統結構如圖1所示。CAN總線采用雙絞線作為通信介質，采用網關實現網絡連接。檢測線分為3個工位，分別由各節點的智能檢測設備完成，每個工位采用LED引導屏提示。第一工位主要檢測底盤輸出功率、排放、油耗、滑行距離或時間，校驗車速表等；第二工位主要檢測汽車制動性能，包括制動力、制動力平衡、車輪阻滯力和駐車制動力等；第三工位主要檢測汽車前照燈、噪聲、側滑和整車外觀等。

圖1 汽車檢測線FCS控制系統結構圖

2.2 系統檢測流程

當車輛完成報檢后，主控計算機通過LED引導屏提示引車員開始車輛檢測。檢測設備進入等待測試狀態。車輛在行駛過程中觸發各個工位放置的光電開關，各檢測設備根據觸發信號判斷車輛位置，通過LED引導屏發送提示信息，提示引車員執行各種操作。檢測設備啟動，開始檢測并采集數據，實時處理數據，給出評價，存儲檢測結果，需要時上傳至主控計算機，并通過LED引導屏顯示檢測結果。當該工位各項目檢測結束后，引車員根據LED引導屏提示進入下一工位檢測。各檢測設備在主控計算機的監控下，可以同時在線檢測多輛車，即每個工位可以同時有一輛車在進行檢測。主控計算機外連打印機等輸出設備，打印檢測結果。質檢部工作站通過網關監測檢測過程，通過訪問主控機共享檢測數據，并根據檢測結果判定檢測合格與否，出示檢測報告，實現車輛檢測自動化。檢測流程如圖2所示。

圖2 檢測流程圖

3 系統硬件設計

3.1 CAN適配卡設計

由于標準配置計算機本身沒有配置CAN接口，為了實現CAN總線與計算機總線的通信，主控計算機等接入檢測線的計算機都需配置CAN總線適配卡，用來收集總線上各節點的信息轉發給計算機并將計算機的命令和數據轉發給各節點。計算機PCI總線傳輸速度快，而且支持熱插拔，具有電源管理等功能，不但能滿足CAN總線的高速數據傳輸等要求，而且體積小、價格低、使用方便、應用范圍廣。基于PCI的CAN適配卡原理如圖3所示，主要由CAN接口、PCI總線接口芯片PCI9052、電源管理電路等組成。CAN接口由CAN總線控制器SJA1000、光耦和CAN驅動器82C250組成，光耦用于光電隔離。

圖3 基于PCI的CAN適配卡原理圖

當上位機發出數據時，經過PCI9052傳輸到SJA1000，數據從發送緩沖器以報文的形式經光耦發送到82C250，數據以差分的形式發送到CAN總線上的相應的節點，完成指定動作。數據從節點傳至上位機時，SJA1000啟動接收命令接收來自節點上的報文，經處理轉發到PCI總線。

3.2 CAN總線節點硬件設計

汽車檢測線FCS控制系統的總線節點是指符合CAN總線標準的智能化、自動化的檢測設備。智能檢測設備基本組成如圖4所示，它由單片機、存儲器、輸入輸出通道、CAN接口等組成。CAN接口由CAN控制器、光電隔離模塊和CAN總線收發器組成。傳感器將輸出的模擬信號經調理、A/D轉換成數字信號輸入到單片機，單片機根據預定程序進行處理，并將檢測結果存儲在存儲器中。檢測設備通過CAN總線收發器實時對CAN總線上的信息進行巡檢，將其接收到的命令信息經單片機處理，D/A轉換成模擬信號傳至執行機構，使其做出相應動作。

圖4 智能檢測設備的基本組成

智能檢測設備中單片機的嵌入式測控軟件程序流程一般是上電復位、初始化、自檢后進入工作主循環。測控軟件主要是通過事件觸發調用各功能模塊來實現的，主要包括數據采集模塊、顯示模塊、CAN通信模塊、操作控制調節模塊等。

4 軟件設計

在CAN總線構成的系統中，用戶要根據具體要求來編寫應用層和用戶層。控制系統軟件部分主要由主控程序、報表程序、智能檢測設備的測控程序以及CAN節點通信程序等組成。CAN接口通信程序主要有CAN初始化、數據發送和數據接收。

CAN初始化主要是設置CAN的通信參數，包括工作方式、接收濾波方式、接收屏蔽寄存器（AMR）、接收代碼寄存器、波特率參數和中斷允許寄存器等的設置。

CAN數據發送子程序負責節點報文的發送，發送時把存儲器中待發送的數據取出，按特定格式組合成一幀報文送入SJA1000的發送緩沖區。在接收到發送請求后，發送程序啟動發送命令。SJA1000與CAN總線之間的通信都是由CAN接口自動完成的，接收程序只需從接收緩沖區讀取信息并將其存儲在存儲器中。CAN發送程序代碼如下：

CAN接收子程序負責節點報文的接收，在接收的同時要對諸如總線關閉、錯誤報警、接收溢出等情況進行處理。SJA1000報文的接收主要有中斷和查詢接收方式。由于對通信的實時性要求比較強，所以選用中斷方式，中斷方式接收子程序流程如圖5所示。

圖5 中斷方式接收子程序流程圖

5 結束語

現場總線技術在分布式控制系統中的應用具有獨特的優勢，該文探討了CAN總線技術在汽車檢測計算機控制系統中的應用，設計了基于CAN總線技術的汽車檢測線FCS控制系統。通過研究得出以下結論：

（1）汽車檢測線FCS控制系統將傳感測量、數據處理與控制等功能分散到檢測設備中，靠智能檢測設備完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。

（2）基于PCI總線的CAN適配卡結構簡單，使用靈活，支持熱插拔，成本低廉。

（3）檢測設備可主動向其他節點發送信息，具有較強的糾錯能力，傳輸速率快，可在總線空閑時自動重發沖突信息，多點接收。增加或刪除節點，不會影響其他節點。

隨著總線技術和應用的發展，不同汽車檢測線中可能用到不同總線，面對多種總線共存的現實，要想實現各檢測站檢測線聯網控制，網關或網絡間的接口有待進一步研究。

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