CAN總線技術(shù)在輪式裝載機(jī)上的應(yīng)用

王剛 王朝 蘇金坡

摘 要：本文首先論述CAN總線技術(shù)在輪式裝載機(jī)上應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，然后探討CAN總線技術(shù)在輪式裝載機(jī)上的應(yīng)用。結(jié)果表明，CAN總線在輪式裝載機(jī)上的應(yīng)用，對裝載機(jī)動力性、操縱性和經(jīng)濟(jì)性都有較大的提升作用，為輪式裝載機(jī)的數(shù)字化、智能化發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：CAN總線;輪式裝載機(jī);操縱控制模塊;總線儀表模塊

中圖分類號：TB533文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）22-0035-03

Abstract： This paper first discussed the advantages of CAN Bus Technology in wheel loader， and then discussed the application of CAN Bus Technology in wheel loader. The results show that the application of CAN bus in wheel loader can greatly improve the power， maneuverability and economy of wheel loader， and lay an important foundation for the development of digital and intelligent wheel loader.

Keywords： CAN bus;wheel loader;control module;bus instrument module

為了方便汽車測控中的數(shù)據(jù)交換，德國Bosch公司開發(fā)了CAN總線技術(shù)。目前，CAN總線是在大型汽車及工程設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的通信方式。通過CAN總線，汽車和大型工程設(shè)備上各種電子器件、測控設(shè)備可進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換，奠定了汽車和大型工程設(shè)備進(jìn)一步智能化的基礎(chǔ)。

輪式裝載機(jī)是一種集鏟、運(yùn)、裝、卸作業(yè)于一體的自行式施工機(jī)械，可與挖掘機(jī)、汽車、礦車等聯(lián)合作業(yè)，被廣泛應(yīng)用于建筑、公路、煤炭、礦山、國防等的松散物料鏟裝運(yùn)輸作業(yè)。輪式裝載機(jī)包括機(jī)械機(jī)構(gòu)、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等4大系統(tǒng)，整機(jī)目前正朝著智能化、大型化、新能源、節(jié)能化等方向發(fā)展，發(fā)展前景十分廣闊。

1 CAN總線技術(shù)在輪式裝載機(jī)上應(yīng)用的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

輪式裝載機(jī)一般采用總線通信。與一般通信總線應(yīng)用相比，CAN總線具有數(shù)據(jù)通信可靠性、實(shí)時性和靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，同時具有以下特點(diǎn)：①是唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線;②網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主從，通信方式靈活，且無須站地址等節(jié)點(diǎn)信息;③網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實(shí)時要求;④采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)會主動退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間;⑤只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無須專門“調(diào)度”;⑥對每幀信息進(jìn)行CRC校驗(yàn)，從而保證了數(shù)據(jù)的高準(zhǔn)確性;⑦通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活;⑧在出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤的情況下，節(jié)點(diǎn)可自動關(guān)閉輸出，不影響總線上其他節(jié)點(diǎn)的信息傳輸[1]。

2 CAN總線在輪式裝載機(jī)整機(jī)上的應(yīng)用

根據(jù)裝載機(jī)的工作特性，結(jié)合某款裝載機(jī)開發(fā)，為裝載機(jī)設(shè)置CAN總線通信技術(shù)路線。裝載機(jī)機(jī)車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要原因如下。

①通信總線長度最短，有較高的性價比。

②可實(shí)現(xiàn)電子單元分散設(shè)置。裝載機(jī)電子單元有的分布在操作區(qū)，有的分布在底盤，數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)。CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，通信速率最高可達(dá)1 Mbps，滿足裝載機(jī)數(shù)據(jù)大距離、穩(wěn)定傳輸?shù)囊蟆?/p>

③裝載機(jī)各測控單元均可集成CAN控制與驅(qū)動，為產(chǎn)品智能化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

④采用CAN總線，有利于裝載機(jī)控制系統(tǒng)大量的傳感器數(shù)據(jù)共享[2]。

2.1 輪式裝載機(jī)車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

根據(jù)裝載機(jī)的工作特性，結(jié)合某款裝載機(jī)開發(fā)，為裝載機(jī)CAN總線技術(shù)開發(fā)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

輪式裝載機(jī)整車控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)由10個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。其中，底盤3個節(jié)點(diǎn)，包括底盤前部模塊、底盤中部模塊、底盤后部模塊;控制室內(nèi)7個節(jié)點(diǎn)，包括總線儀表模塊、控制室模塊、應(yīng)急模塊、發(fā)動機(jī)ECU等。主總線符合CAN規(guī)范的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的應(yīng)用層CANOpen協(xié)議，其中總線儀表模塊及操縱控制模塊具備雙CAN網(wǎng)絡(luò)（CAN2.0B和 CANOpen協(xié)議），既是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)又充當(dāng)網(wǎng)橋的作用。

2.2 操縱控制模塊+總線儀表模塊

總線儀表模塊會對從發(fā)動機(jī)ECU和操縱控制模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面轉(zhuǎn)發(fā)，即實(shí)現(xiàn)這2路CAN信息的交換。動力CAN的通信速率為250 kb/s，車身CAN的通信速率為250 kb/s。

操縱控制模塊接收總線儀表模塊上發(fā)出的開關(guān)量信息，并參與本地的功率驅(qū)動控制，包括燈光控制開關(guān)、左右組合開關(guān)、方向機(jī)按鈕開關(guān)，將這些開關(guān)量信息處理成CAN數(shù)據(jù)發(fā)送或者參與控制，采集信號包括點(diǎn)火開關(guān)位置信號、行車開關(guān)、駐車開關(guān)、發(fā)電機(jī)充電信號（通過總線發(fā)送到儀表顯示）、蓄電池端電壓信號（通過總線發(fā)送到儀表顯示）等[3]。操縱控制模塊輸入元件如表1所示。

操縱控制模塊功率驅(qū)動執(zhí)行器件如表2所示。

2.3 底盤控制模塊（底盤前、中、后部模塊）

底盤控制模塊分為底盤前控制模塊、底盤中控制模塊和底盤后控制模塊。這些模塊通過控制室CAN進(jìn)行連接，主要功能是采集信息和驅(qū)動底盤行駛，功能相對單一。

這些功率驅(qū)動執(zhí)行器件單元擁有完善的電源保護(hù)功能。

底盤控制模塊信號如表3所示。采集信號后發(fā)送到總線儀表模塊CAN上。

燈光負(fù)載故障信號：前大燈遠(yuǎn)近光、小燈、左右轉(zhuǎn)向燈、制動燈、倒車燈，短路和斷路均會產(chǎn)生故障報(bào)警信號，信號發(fā)送到儀表CAN總線上。

底盤功率驅(qū)動執(zhí)行器件如表4所示。

以上驅(qū)動線路及執(zhí)行器件均提供晚上的電源保護(hù)功能。

2.4 數(shù)字式總線儀表總成

數(shù)字式總線儀表總成儀表由8個全數(shù)字化指針式儀表（步進(jìn)馬達(dá)數(shù)字化驅(qū)動指針顯示）、1個240×120點(diǎn)陣數(shù)字顯示屏、30個LED信號指示燈組組成。轉(zhuǎn)速及水溫信號從發(fā)動機(jī)ECU直接讀出進(jìn)入總線儀表模塊，而運(yùn)行時間信號、燃油信號、氣壓信號則采集后發(fā)送到總線儀表模塊上進(jìn)行處理和數(shù)字化顯示。

開發(fā)過程中，采用240×120點(diǎn)陣數(shù)字顯示屏，重點(diǎn)顯示企業(yè)LOGO、總運(yùn)行時間、總油耗、故障報(bào)警信息等，可以提供設(shè)備維修保養(yǎng)提示信號，例如，發(fā)動機(jī)走保提示報(bào)警信號，為售后服務(wù)提供便捷的服務(wù)信息。

各儀表位置見圖2。

3 結(jié)語

隨著電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制芯片性能逐步提高、體積逐步減小、價格進(jìn)一步降低，為工程設(shè)備局域網(wǎng)的普及推廣創(chuàng)造了良好的條件。CAN總線在輪式裝載機(jī)上的應(yīng)用，對裝載機(jī)動力性、操縱性和經(jīng)濟(jì)性都有較大的提升作用，為輪式裝載機(jī)的數(shù)字化、智能化發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊華偉，萬正權(quán).CAN總線在船舶結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2014（5）：553-559.

[2]王新忠，王熙，王少農(nóng)，等.拖拉機(jī)CAN總線車載智能終端技術(shù)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017（2）：10-214.

[3]唐修俊，李勝華，王巍.基于CAN總線的汽車起重機(jī)智能控制系統(tǒng)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2008（8）：33-35.