趙 良，翁寅生，田宏亮

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司 陜西 西安 710077）

車載鉆機(jī)是一種將工作裝置高度集成在車輛底盤上的多功能鉆機(jī)，專用于煤層氣抽采及地面施工兼有高空作業(yè)。車載鉆機(jī)采用了機(jī)電液一體化技術(shù)，配備了電子控制系統(tǒng)，其監(jiān)測參數(shù)主要包括柴油機(jī)、鉆進(jìn)系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)的工作參數(shù)，參數(shù)種類多，系統(tǒng)雖能夠?qū)崟r(shí)顯示，但不具備后臺保存、查詢和分析的功能，不利于作業(yè)期間故障分析、偶發(fā)事故的原因判別以及后期升級優(yōu)化。目前市場上的相關(guān)設(shè)備主要存在以下三方面問題：一是產(chǎn)品已經(jīng)固化，不易擴(kuò)展，隨著容量變大，成本、體積及供貨周期都有明顯增加；二是數(shù)據(jù)不能循環(huán)覆蓋，存滿即失去作用；三是基本都為通用產(chǎn)品，不適合車載鉆機(jī)的工作環(huán)境使用要求。

車載鉆機(jī)電控系統(tǒng)采用了CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）通信總線，它是一種可以解決眾多測量控制部件之間數(shù)據(jù)交換的串行通信現(xiàn)場總線，具有可靠性、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度高的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍非常廣[1]。

基于此，設(shè)計(jì)一種車載鉆機(jī)專用的CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀，能根據(jù)用戶需要進(jìn)行配置和記錄參數(shù)，對車載鉆機(jī)具有實(shí)際使用意義。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

如圖1中所示，系統(tǒng)總體由車載鉆機(jī)電控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄儀及計(jì)算機(jī)構(gòu)成。車載鉆機(jī)發(fā)動機(jī)參數(shù)、車身各傳感器及各控制單元的狀態(tài)參數(shù)都可通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)與電控系統(tǒng)的控制器進(jìn)行通訊，處理后將數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送到顯示器，方便工作人員操作；CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀由數(shù)據(jù)記錄儀硬件和計(jì)算機(jī)軟件組成，其硬件連接在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，并由電控系統(tǒng)的電源為其供電，用戶根據(jù)靈活的配置要求將所需要的通信參數(shù)進(jìn)行配置并由記錄儀進(jìn)行記錄，并通過SPI總線保存在SD卡中；用戶可以通過計(jì)算機(jī)的USB接口與數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行通信，根據(jù)上位機(jī)軟件設(shè)定記錄時(shí)間間隔及過濾ID參數(shù)等，同時(shí)計(jì)算機(jī)可將SD卡中的數(shù)據(jù)以Excel或記事本打開進(jìn)行查詢和分析，實(shí)現(xiàn)對車載鉆機(jī)的某段時(shí)間內(nèi)作業(yè)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行再現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)成Fig.1 Composition of the system as a whole

2 數(shù)據(jù)記錄儀硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路結(jié)構(gòu)

CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀的硬件電路由CAN通信模塊、USB通信模塊及SD卡存儲模塊組成，其組成框圖如圖2所示。為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)記錄儀的實(shí)時(shí)性，提高大量數(shù)據(jù)處理和后期擴(kuò)展能力，主控制芯片選用NXP公司生產(chǎn)的基于第二代ARM CORTEX-M3內(nèi)核微控制器的LPC1768，它是一種針對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能、低功耗32位微處理器，適用于儀器儀表、工業(yè)通訊、電機(jī)控制等領(lǐng)域，其工作頻率可達(dá)100 MHz，內(nèi)部集成CAN控制器、USB控制器、SPI接口等外設(shè)組件[2]，可減少各模塊外圍電路的設(shè)計(jì)工作量；為了與CAN總線進(jìn)行通信，在CAN通訊模塊中必須有CAN收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。收發(fā)器是協(xié)議單元（控制器）與物理傳輸介質(zhì)（總線電纜）之間的鏈路，除驅(qū)動功能（總線和電控單元之間的信號收發(fā)）外，收發(fā)器還具備廣泛的保護(hù)和故障診斷功能。CAN收發(fā)器選用NXP公司生產(chǎn)的高速PCA82C250與PCA82C251的升級產(chǎn)品TJA1050，它是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，可以為CAN控制器提供差動接收性能，具有CANH和CANL的最佳匹配，使電磁輻射更低[3]，其工作電壓與主控制芯片使用的電壓一致，都為3.3 V，分別由電源模塊獨(dú)立供電。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Diagram of hardware structure

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

在工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集中，現(xiàn)場情況比較復(fù)雜，各節(jié)點(diǎn)之間存在很高的共模電壓，容易造成總線接口無法通訊，甚至出現(xiàn)損壞儀器等狀況，因此有強(qiáng)干擾或者性能需求下，必須對通訊節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電氣隔離。數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)有CAN總線、USB總線及SPI總線3種通信總線接口，同時(shí)車載鉆機(jī)施工技術(shù)條件高、作業(yè)時(shí)間長并伴隨有振動、噪音、電磁、雨水等，可能影響到通信質(zhì)量甚至丟失數(shù)據(jù)，因此在設(shè)計(jì)中也必須考慮數(shù)據(jù)記錄儀在使用中對環(huán)境的適應(yīng)性及可靠性，硬件接口電路如圖3所示。

圖3 硬件接口電路圖Fig.3 Circuit diagram of hardware interface

CAN總線是一種可以解決眾多測量控制部件之間數(shù)據(jù)交換的串行數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，為了增強(qiáng)通信鏈路的抗干擾問題，隔離器件選用Toshiba公司生產(chǎn)的6N137光耦合器，最高速率10 Mbps，工作溫度一般為0℃到70℃，隔離電壓2 500 Vrms，其是使用光束來隔離和保護(hù)檢測電路以及在高壓和低壓電氣環(huán)境之間提供了一個(gè)安全接口[4]，電路中便加在TJA1050及主芯片LPC1768之間進(jìn)行隔離，同時(shí)在CANH和CANL之間接120Ω電阻，此終端電阻與電纜阻抗緊密匹配，確保信號不會在CAN總線之間反射，提高了CAN節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性，也避免影響主控芯片的正常運(yùn)行。

USB是計(jì)算機(jī)及外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)接口，首選串行接口，已經(jīng)得到各行業(yè)的充分認(rèn)可，雖然在工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)中還配備有RS232接口，可以簡單實(shí)現(xiàn)所需要的魯棒隔離，但其速度低，接口切換復(fù)雜、熱插拔容易損壞，因此使用USB作為首選串行接口，其傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RS232，速率能提高到1 Mbit/s以上，即插即用，性價(jià)比高，通用性強(qiáng)；同時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀作為一種移動存儲設(shè)備，USB接口設(shè)計(jì)可以更好的實(shí)現(xiàn)記錄儀的實(shí)用性與便攜性。在此USB接口電路中選用ADI公司生產(chǎn)的USB隔離芯片ADuM4160來提高安全性和可靠性，ADuM4160隔離芯片內(nèi)部包含兩個(gè)USB收發(fā)器、數(shù)據(jù)流處理部件、光耦等，電源電路提供3.3 V供電，可在任何位置隔離USB總線，同時(shí)具有ESD保護(hù)，允許在D+和D-引腳在沒有外部保護(hù)電路時(shí)熱插拔，極大簡化了USB通信隔離的實(shí)現(xiàn)。

SD卡存儲模塊作為數(shù)據(jù)記錄儀的重要部分，在工作時(shí)CAN總線數(shù)據(jù)傳輸速度快，數(shù)據(jù)量大，為確保采集中不丟失數(shù)據(jù)，同時(shí)方便查看讀取存儲的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)以SD卡作為存儲設(shè)備，其具備容量大、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。SD卡具備SD總線和SPI總線，SPI總線傳輸速率比SD總線低，但SPI理論傳輸最高速度為4 Mb/s，滿足使用需求，同時(shí)SPI通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)簡單通用，采用 CS、CLK、DataIn、DataOut四線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，方便與LPC1768的SPI接口通信[5-6]。傳統(tǒng)的SPI總線隔離采用光耦合器，一般也使用6N137比較多，但每個(gè)芯片僅提供一個(gè)隔離通道，若采用SPI接口電路中將需要4個(gè)，同時(shí)需要大量的電阻及三極管提供輔助，所以電路復(fù)雜，這里采用ADI公司的通用型四通道數(shù)字隔離器ADuM1411，其采用磁耦隔離技術(shù)，性能優(yōu)良，在SPI總線中使用不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)序精度和瞬態(tài)共模抑制能力，而且簡化了接口路，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3 數(shù)據(jù)記錄儀軟件設(shè)計(jì)

3.1 底層軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)直接決定了數(shù)據(jù)記錄儀是否能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能，并發(fā)揮硬件的最佳性能。軟件以C語言程序編寫，采用分層和模塊化設(shè)計(jì)，并采用自頂向下的程序結(jié)構(gòu)，底層驅(qū)動層包括USB驅(qū)動程序、CAN總線驅(qū)動程序、SD存儲驅(qū)動程序等；上層為應(yīng)用程序，包括CAN總線數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)幀讀寫、命令參數(shù)接收等，只有合理的設(shè)計(jì)軟件才能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)模塊的相互協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)對硬件電路的有效控制。

針對車載鉆機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)，數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)以車載鉆機(jī)作業(yè)啟停時(shí)間為文件記錄方式，開機(jī)作業(yè)時(shí)，建立當(dāng)前時(shí)間文件夾，記錄開機(jī)時(shí)間、數(shù)據(jù)起始地址，同時(shí)以設(shè)置的每個(gè)文件大小及時(shí)間間隔為記錄要求，直至作業(yè)完畢。軟件設(shè)計(jì)如圖4中所示，記錄儀上電后首先判斷工作模式，在記錄數(shù)據(jù)時(shí)如果SD卡內(nèi)存已滿，將自動覆蓋最早的文件，保持?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)由于CAN總線接收速率跟SD卡接收速率不同，數(shù)據(jù)接收將采用中斷方式，在LPC1768芯片中設(shè)置數(shù)據(jù)緩存區(qū)，暫存CAN數(shù)據(jù)幀，待緩存區(qū)存滿時(shí)，再轉(zhuǎn)存入SD存儲器中，并寫有掉電保護(hù)，保證掉電前將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)及時(shí)存入SD卡，以免丟失數(shù)據(jù)。為了防止數(shù)據(jù)記錄儀被私自拆除，車載鉆機(jī)控制器將在固定時(shí)間內(nèi)接收到數(shù)據(jù)記錄儀發(fā)送的固定數(shù)據(jù)，若長時(shí)間未接收到此數(shù)據(jù)，控制器將視為記錄儀被拆除，電控系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)后，不及時(shí)處理，車載鉆機(jī)將無法正常作業(yè)。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Flow chart of software

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件使用LabVIEW2012開發(fā)，LabVIEW軟件以計(jì)算機(jī)為載體，使用圖形化G語言編寫程序，程序以框圖的形式產(chǎn)生，適合開發(fā)多種測試控制軟件，函數(shù)庫豐富、人性化，并建立有虛擬儀器、檢測系統(tǒng)等，是開發(fā)人員的理想平臺[7]。LabVIEW開發(fā)軟件具有硬件控制及數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢，只要調(diào)用動態(tài)鏈接庫和接口函數(shù)即可完成USB通訊設(shè)計(jì)，如圖5中所示，上位機(jī)軟件可以對CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行配置，設(shè)置波特率、ID參數(shù)過濾、生成文件大小、記錄間隔時(shí)間、循環(huán)保存等功能，同時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀存儲在SD卡中的CAN總線數(shù)據(jù)可以使用Excel或者記事本打開，如圖6中所示，方便查詢每個(gè)時(shí)間段具體參數(shù)變化。

圖5 上位機(jī)參數(shù)配置界面Fig.5 Host-computer software interface of parameter configuration

圖6 數(shù)據(jù)記錄表Fig.6 Chart of data record

4 結(jié)束語

本數(shù)據(jù)記錄儀采用外部SD卡作為存儲介質(zhì)，通過USB接口與計(jì)算機(jī)通訊，并通過CAN總線實(shí)時(shí)記錄車載鉆機(jī)電控系統(tǒng)的參數(shù)。經(jīng)72小時(shí)不間斷測試，數(shù)據(jù)記錄儀能夠根據(jù)設(shè)置條件對CAN總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的實(shí)時(shí)記錄；由于SD卡容量可以根據(jù)需求自行更換，可以保證車載鉆機(jī)在24小時(shí)不停機(jī)作業(yè)的情況下記錄一年；上位機(jī)軟件操作簡便，SD卡存儲方式更好的實(shí)現(xiàn)了便攜性、擴(kuò)展性，達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，配套車載鉆機(jī)即可方便掌握鉆機(jī)作業(yè)狀態(tài)及參數(shù)變化，進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析和科學(xué)研究，同時(shí)此CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀為后期升級遠(yuǎn)程監(jiān)控功能提供了良好載體。

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