通信模塊在自動攤鋪機中分布式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.引言

瀝青混凝土攤鋪機是用于鋪筑瀝青混凝土路面的機械，是路面機械的主要機種之一。攤鋪機中自動找平系統(tǒng)的控制精度反映到路面即是該攤鋪機的攤鋪平整度。在通常的液壓伺服控制方案中，自動找平的過程如下：由檢測傳感器測出基層面實際高度并與標準高度進行比較，當偏差值達到一定的程度時，認為需要加以調(diào)整，這時由控制器發(fā)出指令，通過液壓泵驅(qū)動找平液壓缸使牽引大臂產(chǎn)生一定量的位移；牽引點位置改變引起熨平板相應(yīng)垂直運動，從而使鋪層產(chǎn)生變化，彌補路面波動，使鋪后表面均勻一致，實現(xiàn)所要求的路面平整度。瀝青混凝土攤鋪機由于其作業(yè)環(huán)境十分惡劣，環(huán)境溫度高，溫度變化大，灰塵多，故檢測路面高度傳感器的選取非常重要.目前在攤鋪機自動找平系統(tǒng)中常采用的有以下幾種傳感器：角位移式傳感器、超聲波傳感器、光學傳感器。

2.攤鋪機工作原理

瀝青混凝土道路的攤鋪過程是：作業(yè)時，攤鋪機的前推輥頂推著載料自卸汽車后輪前進，并接受瀝青混合料。卸于料斗內(nèi)的瀝青混合料，由斗底左右兩個獨立驅(qū)動的刮板輸送器送至螺旋攤鋪室，送料量由后斗壁左右兩閘門分別控制。螺旋攤鋪器有左右兩螺旋，同時將料向左右兩側(cè)均勻攤鋪，但亦能左右各自獨立驅(qū)動。隨著攤鋪機的向前移動，振實、熨平部分按一定的寬度、厚度和拱度對鋪層進行初步振實和整平。熨平板內(nèi)裝有加熱裝置，以便在寒冷季節(jié)或在作業(yè)開始前對板底進行加熱，防止瀝青混合料的粘附。由于熨平板有浮動特性，故能通過厚度調(diào)節(jié)器來改變熨平板底面相對于地面的仰角，以調(diào)節(jié)鋪層厚度。

3.通信模塊的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

圖1 通信模塊的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

自動攤鋪機系統(tǒng)既龐大、又復雜。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)動機的起、停控制以及各種狀態(tài)參數(shù)的測量、顯示和故障報警。為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用了集散型計算機體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了集中管理以及功能和危險的分散。所有這些子控制系統(tǒng)都在不同的單片機上完成，而這些子系統(tǒng)之間的參數(shù)傳輸則由主交互機進行協(xié)調(diào)。顯而易見，攤鋪機能否在工作環(huán)境相當惡劣的條件下正常、可靠、穩(wěn)定地工作，很大程度上取決于各個單片機于系統(tǒng)能否進行可靠、穩(wěn)定的通信。根據(jù)項目的要求，對人機交互系統(tǒng)和測控機系統(tǒng)的各種輸入/輸出量的關(guān)系進行了深入細致的研究和測量，制定了如圖l所示的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

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

4.通信模板的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)中采用億恒公司的16位CMOS單片機系列的C164作為主控制器。億恒C164是單片機是一款非常優(yōu)秀的單片機，特別是它的16位單片機，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：

（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

獨立或復用總線配置；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33個中斷節(jié)點帶有獨立的中斷矢量；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；實時時鐘；用于系統(tǒng)初始化的程序引導裝載器。

（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，可獨立進行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）機器電源：+Vm（+5V）， Gm.

5.RS232C通信軟件設(shè)計

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（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)生校驗或喚醒位；奇或偶校驗位；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之間進行通信。串行通信的實現(xiàn)主要是通過對串口控制寄存器進行配置實現(xiàn)初始化。下面是這一過程的實現(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; //復位發(fā)送緩沖區(qū)中斷請求標志

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

CAN 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議。在當前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)"減少線束的數(shù)量"、"通過多個LAN,進行大量數(shù)據(jù)的高速通信"的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進行了標準化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標準協(xié)議。

現(xiàn)在，CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術(shù)支持。

6.1 C164CI的CAN模塊概述

C164CI的CAN模塊特點如下：

（1）遵循CAN V2.0B規(guī)定（符號標準和擴展功能）。

（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行接接收濾波。

6.2 CAN總線通信軟件設(shè)計

自動攤鋪機系統(tǒng)CAN總線通信軟件設(shè)計的任務(wù)是：在選定通信規(guī)程CAN2.0B以后，規(guī)定各計算機傳送數(shù)據(jù)的格式和約定；協(xié)調(diào)各計算機之間的通信；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，如報警、停機等；成功則返回TRUE.該數(shù)據(jù)包的特點是：由相應(yīng)事件觸發(fā)發(fā)送，如果傳送失敗，將影響系統(tǒng)的正常運行。

6.2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送模式

對于自動攤鋪機系統(tǒng)來說，其CAN 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量較少，而每種數(shù)據(jù)包只需要一部分節(jié)點來接收，因此在通信設(shè)計中利用數(shù)據(jù)幀標識符來實現(xiàn)定址組播。為避免接收不必要的數(shù)據(jù)包，對接收節(jié)點按位編址，每個節(jié)點對應(yīng)驗收濾波中的一位。若一個報文標識符高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)點根據(jù)數(shù)據(jù)包內(nèi)容設(shè)置合適的報文標識符，數(shù)據(jù)包即可被相關(guān)節(jié)點正確接收，而被無關(guān)節(jié)點忽略。

6.2.3 校驗

在CAN 結(jié)構(gòu)的MAC層中已經(jīng)實現(xiàn)了循環(huán)冗余碼〔CRC〕校驗。但自動攤鋪機工作環(huán)境惡劣，工作條件復雜，為了系統(tǒng)通信的可靠性，在控制程序級的通信中也進行校驗。為減輕系統(tǒng)負擔及降低程序復雜性，控制程序級的校驗采用了比較簡單的求和取模校驗方式，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)點的接收接口中以相同方法計算校驗和，若校驗正確則將數(shù)據(jù)包壓入接收隊列，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標準，使用29位標識符。

ID28—ID21：確定此幀的接收節(jié)點，每位代表1個節(jié)點，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，0—3分別代表左交互機、右交互機、車體行駛測控機和找平輸分料測控機。

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”(1..14)

{

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

{

unsigned char busoff_var=0;

if(SR&0x80) //如果BOFF=1

{

busoff_var=1;

CR=CR&0xfe; //恢復關(guān)閉的總線(清零INIT)

}

}

7．結(jié)論

由于攤鋪機的功能繁多，運作復雜，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設(shè)計的關(guān)鍵。在本系統(tǒng)中，利用RS232C 實現(xiàn)了主交互機與移動電話之間的串行通信；采用帶CAN總線的單片機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，實現(xiàn)了功能分散又集中監(jiān)視，危險分散。因此，很適合于自動攤鋪機中分布式控制系統(tǒng)的實現(xiàn)?，F(xiàn)場實驗結(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。