基于CAN協(xié)議的操縱手柄電控系統(tǒng)設(shè)計

張寧寧，韓嘉驊，徐銳，趙志遠

基于CAN協(xié)議的操縱手柄電控系統(tǒng)設(shè)計

張寧寧，韓嘉驊，徐銳，趙志遠

（四川大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

隨著工程機械近年來向自動化、智能化、嵌入式方向發(fā)展，傳統(tǒng)機械式換擋操縱手柄正逐步被電子式換擋操控手柄取代。然而，控制手柄上的控制信號大多由單一的信號線傳輸，線束組成繁雜，通信可靠性差。對于這個缺點，基于STM32的CAN總線設(shè)計了一種應(yīng)用于電子換擋操控手柄的CAN通信采集板控制系統(tǒng)，并詳細闡述了整個控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計方案。經(jīng)調(diào)試表明，該系統(tǒng)通訊可靠、安全性高、抗干擾能力強，達到預(yù)期設(shè)計目的。

自動化；嵌入式；STM32；CAN總線

隨著國家《中國制造2025》戰(zhàn)略的逐步實施和推進，中國工程機械領(lǐng)域面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。眾所周知，操縱手柄系統(tǒng)遭工程機械的自動化控制中扮演著極其重要的角色，因此，操縱手柄系統(tǒng)的集成化和智能化發(fā)展變得迫在眉睫。對工程機械各方面的要求不斷提高，目前，發(fā)展較為成熟的CAN總線協(xié)議無疑給工程機械操縱手柄系統(tǒng)的集成化和智能化發(fā)展帶來無限的希望。

CAN總線作為一種技術(shù)先進、可靠性高、功能完善、成本低廉的網(wǎng)絡(luò)通信控制模式，已發(fā)展?jié)B透到工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)、紡織機械、數(shù)控機床、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、過程控制、傳感器等領(lǐng)域[1]。正是由于CAN總線獨立且應(yīng)用越來越廣泛的特性，吸引著世界各國著名芯片制造廠商及企業(yè)生產(chǎn)和研發(fā)CAN控制器相關(guān)的各種芯片，其中也包括內(nèi)嵌CAN控制器的微處理器芯片[1]，比如意法半導(dǎo)體公司、英特爾公司等著名企業(yè)，這給CAN總線的應(yīng)用帶來了極大的便利。

在工程機械領(lǐng)域，如果在傳統(tǒng)的電控操縱手柄系統(tǒng)中引入CAN總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，則可方便地實現(xiàn)操縱手柄上撥輪、自復(fù)位開關(guān)等與工程機械上其他部件上的傳感器或者執(zhí)行機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)信息通信，不僅可以實現(xiàn)工程機械上個各操作單元之間的相互協(xié)作，而且可對工程機械上各執(zhí)行單元進行實時控制。

1 操縱手柄電控系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本文所設(shè)計的基于CAN總線的操控手柄電控系統(tǒng)主要是實現(xiàn)工程機械執(zhí)行機構(gòu)的前進、后退、起升、降落、抓取、平移、旋轉(zhuǎn)等，另外還有照明、喇叭、緊急制動等輔助功能。操縱手柄結(jié)構(gòu)如圖1所示，這些功能全部集成在操縱手柄上，由霍爾角度傳感器、電位器、按鍵、撥輪、通信電路板等構(gòu)成操縱手柄電控系統(tǒng)[2]。各單元的端子線通過線束通道連接至通信電路板。

圖1 操縱手柄結(jié)構(gòu)示意圖

本文所設(shè)計的工程機械操縱手柄電控系統(tǒng)通信電路板所采用的微處理器芯片是基于ARM的具有32位的Cortex-M3微處理器，ST公司基于此研發(fā)出的STM32系列單片機，其自帶了各種常用通信接口，比如IIC、SPI、USART、CAN等[3]。其型號眾多，本文將內(nèi)嵌CAN控制器的高性能微處理器STM32F103C8T7作為系統(tǒng)主控芯片，選用與“ISO11898”標準完全兼容的高速CAN收發(fā)器TJA1050T，電源穩(wěn)壓器芯片選用的是LM25017和AMS1117，分別為系統(tǒng)提供5 VDC和3.3 VDC供電。

1.1 操縱手柄電控系統(tǒng)設(shè)計要求

工程機械的工況環(huán)境復(fù)雜，電源輸入電壓要求為9～ 36 VDC轉(zhuǎn)5 VDC，其所選用的MCU必須具有高速運算處理能力，且功耗低。ADC電壓采集分辨率最低要求為10位分辨率，要求支持16路開關(guān)量（包含微動開關(guān)）輸入，需滿足電位器、角度傳感器4路模擬量輸入。CAN控制器需支持標準幀ID和擴展幀ID，并且可修改ID。因工作環(huán)境惡劣，需保證系統(tǒng)抗電磁干擾能力強、信號傳輸穩(wěn)定、通訊 可靠。

1.2 工程機械總線系統(tǒng)組成及簡介

CAN閉環(huán)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，應(yīng)用于工程機械的CAN通訊網(wǎng)絡(luò)是一種遵循ISO11898標準的短距離、高速“閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)”，其通信速率最高為1 Mbps，總線長度最長為40 m，總線的兩端各要求有1個120 Ω的電阻。

圖2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

工程機械的CAN總線系統(tǒng)由通訊節(jié)點、雙絞線、USB-CAN轉(zhuǎn)換器、上位機等組成[4]。該通訊節(jié)點由一個控制器和收發(fā)器組成，控制器和收發(fā)器之間通過RX和TX兩根通訊信號線相連接，根據(jù)不同的情況，設(shè)計的電路有所差異。而每個節(jié)點又和相應(yīng)的傳感器等執(zhí)行單元相連接，比如電磁閥裝置、報警裝置、電機驅(qū)動裝置等。CAN總線屬于一種多主方式的串行通信總線。當某個節(jié)點需要向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)信息時，其相對應(yīng)的核心處理器會觸發(fā)控制器，如圖2所示，通過TX信號線將這種二進制編碼的普通邏輯電平信號通過特定的方式轉(zhuǎn)換成差分電壓傳輸信號，最后再經(jīng)過CAN_high和CAN_low兩根差分電壓輸送信號線輸送到CAN總線通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。同理可知，通過收發(fā)器接收CAN總線通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息傳輸給控制器時，其過程恰好相反，需要將CAN總線通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)上的差分電壓輸送信號通過特定的方式轉(zhuǎn)換成普通的邏輯電平信號，然后通過RX信號線傳輸?shù)娇刂破鳌?/p>

2 操縱手柄電控系統(tǒng)硬件設(shè)計

CAN總線電控系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示，由于篇幅所限，比如晶振電路、電源濾波電路、SWD下載調(diào)試電路、ADC電壓采集電路等比較常規(guī)或簡單的電路就不在此處詳細討論了，這里主要針對TJA1050T總線接口單元和9～36 VDC轉(zhuǎn)5 VDC電源單元進行詳細闡述。

2.1 系統(tǒng)電源電路設(shè)計

本設(shè)計選擇的STM32F103C8T7微處理器所需的供電電壓=2.0～3.6 V，通常選擇3.3 V，而所選擇的型號為TJA1050T的CAN收發(fā)器所需的供電電壓為5 VDC。因此，需要設(shè)計1個5 VDC電源和1個3.3 VDC電源。

圖3 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

LM25017器件是一款48 V、650 mA同步降壓穩(wěn)壓器，LM25017典型如圖4所示，其集成了高側(cè)和低側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。LM25017器件所采用的恒定導(dǎo)通時間（COT）控制方案無需環(huán)路補償，可提供出色的瞬態(tài)響應(yīng)，并且可實現(xiàn)超高降壓比。導(dǎo)通時間與輸入電壓成反比，這使得整個輸入電壓范圍內(nèi)的頻率幾乎保持恒定。高壓啟動穩(wěn)壓器為IC的內(nèi)部運行以及集成柵極驅(qū)動器提供了偏置電源。

圖4 LM25017典型示意圖

峰值電流限制電路可防止出現(xiàn)過載的情況。欠壓閉鎖（UVLO）電路支持對輸入欠壓閾值和滯后進行單獨編程。其他的保護特性包括熱關(guān)斷和偏置電源欠壓閉鎖（cc UVLO）。LM25017器件采用WSON-8和HSOP-8塑料封裝。工程機械對電源的要求高，往往在9～36 VDC之間，并且有波動。所以電控系統(tǒng)對穩(wěn)壓器要求非常高，普通的低壓差穩(wěn)壓器（簡稱LDO）有TPS71718、LM337、LP28842、AMS1117等。

采用LDO固然是一種解決辦法，但是它存在2個問題：i必須大于o，不能升壓，也不能產(chǎn)生反極性的電壓；當i必須大于o較多時，LDO的效率仍然不高。要解決這2個問題，就必須使用DC-DC變換器[3]。常見的DC-DC芯片有TPS5430、LM2578、TPS1120、LM25017等。

LM78xx、LM317將電源電壓降低后向負載供電，但從線性穩(wěn)壓器的工作原理可知，輸出電流的值不會超過輸入電流，因此，工作效率較低。為提高電源的工作效率，可以改用降壓型BUCK電路。LM25017是一種輸出電壓小于輸入電壓的非隔離式DC-DC變換器，其工作效率高達90%以上。選擇的最小電感應(yīng)限制最大負載電流輸出波紋為20%～40%。最大負載時的峰值電感電流應(yīng)該小于最小電流限制，在電特性中給出。

5 V的DC-DC電源原理如圖5所示，其主要有2個作用，分別是給CAN總線接口電路提供5 VDC電源和5 VDC轉(zhuǎn)3.3 VDC的電源電路，給STM32單片機供電。其所使用的穩(wěn)壓器是AMS1117穩(wěn)壓器，其電路設(shè)計比較常規(guī)，此處不再贅述。

2.2 系統(tǒng)CAN協(xié)議接口電路設(shè)計

本設(shè)計所采用的是目前比較流行的CAN收發(fā)器TJA1050T，其可與各種獨立的CAN控制器配合，包括帶有CAN控制器的MCU芯片，因此，內(nèi)嵌CAN控制器的微處理器STM32F103可與之建立完美的通訊通道。另外，CAN總線通信接口電路必須滿足電磁干擾（EMI）和靜電放電（ESD）標準的嚴格要求[1]。

CAN總線通信接口原理如圖6所示。

圖5 5 V的DC-DC電源原理圖

圖6 CAN總線接口原理圖

為了防止上電瞬間電流過大，對上位的供電單元造成過流沖擊，所以將CAN收發(fā)器的CAN_High和CAN_Low 2個引腳各通過1個5 Ω的電阻連接到總線上。為濾除CAN總線信號線上的共模電磁干擾，并使得差分信號的高頻部分得到一定程度的衰減，在CAN_High和CAN_Low引腳之間并聯(lián)了2個電容[4]。

此外，在許多場合CAN總線接口有可能遭到雷電沖擊，所以增添了保護器件D1和D2，以防止浪涌。為了解決CAN總線上雙絞線輸出和輸入間的信號隔離問題，圖6中STM32的CAN信號發(fā)送引腳CAN_TX經(jīng)由單通道耦合器6N137與TJA1050T的TXD端進行銜接，接收引腳CAN_RX經(jīng)由單通道耦合器6N137與TJA1050T的RXD端進行銜接[4]。

另外，為了與其他節(jié)點進行配合，專門在2根信號線之間接了1個跳線帽。如果CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點比較多，可以根據(jù)實際情況拔掉跳線帽或插上跳線帽。以便進行正常的數(shù)據(jù)通信，主要原因是通常情況下整個總線網(wǎng)絡(luò)中只需要2個120 Ω的電阻。所以，當不需要時可拔掉跳線帽，需要時插上跳線帽。

3 操縱手柄電控系統(tǒng)軟件設(shè)計

對于工程機械操縱手柄電控系統(tǒng)的設(shè)計，除了進行各模塊相關(guān)的硬件電路設(shè)計外，更重要的是其各模塊軟件部分的設(shè)計，本電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包含2大部分：關(guān)于操縱手柄通信板上的各模塊對應(yīng)的軟件程序設(shè)計，主要包括LED燈子程序設(shè)計、角度傳感器子程序設(shè)計、自復(fù)位開關(guān)子程序設(shè)計、CAN總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的子程序設(shè)計、ADC電壓采集子程序設(shè)計等；上位機的程序設(shè)計。在這2大部分的程序設(shè)計中，主要采用的是模塊化設(shè)計思想，這樣做的目的是使得整體的程序設(shè)計思路變得清晰易懂，并使后期的調(diào)試與修改也更加容易[5]。軟件設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計流程圖

本設(shè)計采用的集成開發(fā)環(huán)境是keil5，它是美國keil軟件公司生產(chǎn)的最新的STM32系列兼容C語言的軟件開發(fā)系統(tǒng)[6]。通過JLINK模擬器支持的SWD調(diào)試模式，完成了在線調(diào)試和仿真，大大提高了編程和調(diào)試的效率。

4 電控系統(tǒng)功能測試

根據(jù)設(shè)計好的電路圖，利用Altium Designer軟件的自動布線功能可生成初步的草圖，通過手工修改或調(diào)整進行PCB圖的繪制，然后選擇相應(yīng)的元器件，之后可以進行打樣、焊接、貼片、調(diào)試等一些列操作。

電路板制作好后，接上電源、電位器、開關(guān)等，利用ST-link下載程序時一定注意，ST-link的SWD接4條線（GND、DCLK、DIO、VCC），并且注意ST-link的VCC為輸入引腳，不能向電路板供電。線連接完后，要進行相關(guān)的配置才能正確下載。程序燒寫進去之后，通過CAN-USB轉(zhuǎn)接裝置連接上位機和制作好的電路板。連接并打開硬件板后便可監(jiān)控數(shù)據(jù)，首先把CAN總線連接到硬板上，并可以看到LED燈在閃爍，此時已接收到數(shù)據(jù)。由于篇幅所限，這里主要展示ADC采集信號的圖像，點擊“+”添加1根曲線，修改ID、date的偏移值和數(shù)據(jù)類型，并勾上前面的“方框”，點擊“Start”即可顯示數(shù)據(jù)，ADC電壓采集曲線如圖8所示。

圖8 ADC電壓采集曲線圖

結(jié)果與預(yù)期相吻合，整個設(shè)計達到預(yù)期設(shè)計目的。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計的基于CAN協(xié)議的操縱手柄電控系統(tǒng)，具有低功耗、信號傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強、通信可靠、測試編程簡便等優(yōu)點，通過實驗測試及功能分析測試，完全滿足預(yù)期效果。

另外，本文比較系統(tǒng)、完整地介紹了STM32的CAN總線的應(yīng)該過程，包括控制器、收發(fā)器外圍電路的設(shè)計，也提供了詳細的軟件、硬件設(shè)計方案，可供STM32或CAN總線初學(xué)者或者相關(guān)工程技術(shù)人員借鑒。

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張寧寧（1992—），男，陜西渭南人，碩士研究生，主要從事機電控制、嵌入式軟硬件開發(fā)方面的研究。韓嘉驊（1974—），男，博士學(xué)位，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為機電一體化、嵌入式軟硬件開發(fā)。

2095－6835（2020）06－0054－04

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.018

〔編輯：張思楠〕