基于CAN總線的平地機(jī)自動找平系統(tǒng)設(shè)計

平地機(jī)是一種平整場地、路面的機(jī)械，作業(yè)時其鏟刀相對于地面的位置決定工作質(zhì)量，即路面的平整度。鏟刀安裝在一個可水平回轉(zhuǎn)、垂直擺動和橫向伸縮的機(jī)架上，通過控制液壓油缸的動作，控制鏟刀升降、回轉(zhuǎn)、傾斜、引出，以及鏟土角度變換。由于操作復(fù)雜，要求操作員具有嫻熟的操作技術(shù)，根據(jù)平地機(jī)行駛狀況不斷調(diào)整鏟刀，使路面平整。因此該作業(yè)過程對操作員技術(shù)要求特別高，而且勞動強(qiáng)度較大。為了提高作業(yè)效率和和施工精度，這里提出一種基于CAN總線的平地機(jī)自動找平系統(tǒng)設(shè)計。

　　2 自動找平系統(tǒng)總體設(shè)計

　　2．1 CAN總線簡介

　　CAN(Controller Area Network)總線即控制器局域網(wǎng)，是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，主要用于監(jiān)控各種過程設(shè)備。CAN總線作為一種多主方式的串行通訊總線，其基本設(shè)計規(guī)范要求高位速率和高抗電磁干擾性，而且能夠監(jiān)測產(chǎn)生的任何錯誤，具有成本低、總線利用率高、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)(長達(dá)10 km)、數(shù)據(jù)傳輸速率高(高達(dá)1 Mb／s)、可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制以及發(fā)送的信息遭到破壞后可自動重發(fā)等特性；CAN總線作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善與成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，已廣泛應(yīng)用于各個自動化控制系統(tǒng)。因此，CAN總線具有不可比擬的優(yōu)越性。

　　2．2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　自動找平系統(tǒng)可使平地機(jī)按照操作員預(yù)先設(shè)定的縱坡和橫坡值進(jìn)行自動控制，從而使平地機(jī)自動操作，保證平地機(jī)按照設(shè)定值精確平整路面。該控制系統(tǒng)包括橫坡、縱坡傳感器、比例閥組、操作界面以及控制器，如圖1所示。







　　其中橫坡、縱坡傳感器測量鏟刀的位置參數(shù)信息、比例閥組控制鏟刀油缸、操作界面用于設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)、施丁參數(shù)及顯示鏟刀實(shí)時位置參數(shù)信息，而控制器則用于接收傳感器采集的實(shí)時信息。

　　傳感器及操作界面通過CAN總線與控制器相連，控制器的信號輸出端與比例閥組的信號輸入端相連，比例閥組與平地機(jī)的液壓系統(tǒng)相連。

　　2．3 系統(tǒng)工作腺理

　　采用縱坡傳感器和橫坡傳感器分別測量鏟刀的縱坡、橫坡值，將測量到的實(shí)時信息通過CAN總線傳送至控制器。控制器將其與保存在系統(tǒng)中的設(shè)定值相比較，再將相應(yīng)的PWM信號輸出到比例閥組。比例閥組控制鏟刀油缸進(jìn)行相應(yīng)升降，從而保證系統(tǒng)按照設(shè)定的橫坡值及縱坡值精確施工。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　3．1 系統(tǒng)組成原理及接口電路

　　基于CAN總線的單片機(jī)平地機(jī)自動找平系統(tǒng)的組成原理如圖2所示，其中硬件設(shè)計的關(guān)鍵是單片機(jī)與總線之間的接口設(shè)計，具體接口電路設(shè)計如圖3所示。









　　數(shù)據(jù)采集點(diǎn)中的單片機(jī)通過輸入模塊采集模擬量和開關(guān)量，并對其處理，傳輸至CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動CAN控制器發(fā)送命令，此時CAN控制器將自動向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，無需單片機(jī)干預(yù)。若系統(tǒng)中有多個CAN控制器同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，則CAN控制器通過信息幀中的標(biāo)識符進(jìn)行仲裁，標(biāo)識符數(shù)值最小的CAN控制器優(yōu)先使用總線。當(dāng)控制器執(zhí)行節(jié)點(diǎn)中的CAN控制器監(jiān)測到總線上有數(shù)據(jù)時，其自動接收總線上的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)，并向單片機(jī)發(fā)送接收中斷，啟動單片機(jī)中斷接收程序，從CAN控制器的接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，并對其處理后通過輸出模塊輸出，從而控制被控對象。

　　3．2 液晶顯示接口電路設(shè)計

　　液晶顯示接口模塊用于顯示平地機(jī)作業(yè)過程中工作狀態(tài)：設(shè)定系統(tǒng)控制參數(shù)；提交控制命令，其接口電路如圖4所示。該液晶顯示模塊有4個按鍵輸入信號，分別是A/M鍵、設(shè)定鍵、上升鍵和下降鍵。A/M鍵設(shè)置控制器工作狀態(tài)，手動、自動切換。設(shè)定鍵設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)和施工參數(shù)，例如橫坡值、縱坡值、靈敏度及控制范圍等。上升、下降鍵在自動模式下配合設(shè)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，而在手動模式下這兩個按鍵直接控制鏟刀的升降。







　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　4．1 CAN控制器軟件設(shè)計

　　圖5為CAN控制器的軟件流程，其中系統(tǒng)初始化包括程序緩沖初始化、CAN控制器初始化、中斷初始化、SOC外圍I／O配置及SOC晶振配置等；判斷冷熱啟動是防止在接收到有效發(fā)送請求幀后檢測發(fā)送方式或發(fā)送請求丟失；判斷是否接收是為配合主控制多傳感器分時接收控制。單片機(jī)接收來自總線的橫坡、縱坡監(jiān)測值后，設(shè)置PWM脈寬，并輸出方波。







　　4．2 系統(tǒng)通信軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)通信軟件設(shè)計主要包括CAN初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送及接收3部分。初始化主要包括設(shè)置工作方式、接收濾波方式、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器、波特率參數(shù)和中斷允許寄存器等。在初始化這些寄存器之前，必須確保系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。圖6為系統(tǒng)通信軟件流程。







　　發(fā)送子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報文的發(fā)送。發(fā)送時，只需將待發(fā)送的一幀報文送入SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動SJA1000發(fā)送即可。在向SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送報文之前，必須先判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否為空。

　　接收子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)子程序的接收和其他情況處理。在處理報文時，同時要處理一些情況，如總線關(guān)閉、錯誤報警等。單片機(jī)響應(yīng)接收中斷后讀取SJA1000接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)并保存，再清空SJA1000接收緩沖器。

　　4．3 系統(tǒng)控制策略

　　由于平地機(jī)的平地精度與其行駛速度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載力等諸多因素有關(guān)，因此難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。為了對平地機(jī)實(shí)施實(shí)時控制，最好采用一種簡便、快速且無需被控系統(tǒng)并具有精確的數(shù)學(xué)模型的控制方法。例如：模糊控制不要求被控對象有精確的數(shù)學(xué)模型，但單獨(dú)使用模糊控制不易消除穩(wěn)態(tài)誤差，采用模糊控制與PID控制相結(jié)合，利用模糊控制實(shí)時修正PID參數(shù)，則可提高系統(tǒng)的控制精度和魯棒性，并具有較好的實(shí)用性。

　　5 結(jié)束語

　　本文設(shè)計的平地機(jī)自動找平系統(tǒng)可使平地機(jī)按照操作員預(yù)先設(shè)定的縱坡及橫坡值進(jìn)行自動控制，從而實(shí)現(xiàn)平地機(jī)的自動操作，保證平地機(jī)按照設(shè)定值進(jìn)行精確平整。該系統(tǒng)具有精度高、操作簡單、效率高、節(jié)省材料和投資等優(yōu)點(diǎn)。采用CAN總線通信方式使整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更緊湊，系統(tǒng)更加可靠，更具有實(shí)用性，且易于系統(tǒng)及功能擴(kuò)展。