陳增志

福建龍馬環(huán)衛(wèi)裝備股份有限公司環(huán)境產(chǎn)業(yè)研究院 福建龍巖 364000

1 前言

2 當前洗掃車控制系統(tǒng)存在問題

隨著環(huán)衛(wèi)機械的不斷發(fā)展、其譜系的不斷完善，因底盤、副發(fā)動機、掃盤結(jié)構(gòu)等不同，可組合成多種型號的洗掃車，原根據(jù)不同洗掃車獨立設(shè)計的控制系統(tǒng)方案已難以滿足產(chǎn)品的模塊化、標準化設(shè)計需求。目前洗掃車控制系統(tǒng)主要存在以下3個問題：

a. 目前洗掃車控制系統(tǒng)有多種形式的操作面板、控制箱，如操作面板與控制箱分開獨立設(shè)計的天錦底盤車型，操作面板與控制箱集成設(shè)計并安裝于副座的解放底盤等，這導致了洗掃車的電控箱難以進行標準模塊化設(shè)計。

b. 目前洗掃車控制系統(tǒng)的人機操作不太理想，人機交互方式并不是很友好，面板與駕駛室內(nèi)飾不協(xié)調(diào)，用戶在操作上裝作業(yè)裝置時需格外集中注意力。

c. 受限于當前控制系統(tǒng)的輸入輸出點數(shù)，目前控制系統(tǒng)采用控制器控制的功能主要為9種洗掃作業(yè)模式，其余控制功能均采用直接開關(guān)或繼電器控制。對于直接控制的控制信息不便于智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)終端模塊的采集與監(jiān)控，且會導致控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)模塊化管理與設(shè)計。

為解決上述存在的問題，本文詳細介紹了總線控制系統(tǒng)的組成、功能特點及其通訊協(xié)議的設(shè)計，并提出基于CAN總線控制技術(shù)的洗掃車模塊化控制系統(tǒng)。

3 總線控制系統(tǒng)的組成

基于CAN總線的環(huán)衛(wèi)機械控制系統(tǒng)將各功能模塊設(shè)計成相對獨立的總線模塊，各模塊間采用CAN總線連接通信，通信協(xié)議采用標準化的企業(yè)標準或國際標準等（如J1939）。具體如圖1所示，總線控制系統(tǒng)由主控制器、顯示屏、分布式IO、傳感器模塊及其他功能節(jié)點等組成。其中，主控制器模塊負責總線系統(tǒng)各模塊信息體的集成與主邏輯處理；顯示屏模塊則主要提供控制系統(tǒng)的人性化操作，用于顯示控制系統(tǒng)當前的主要工況狀態(tài)；傳感器模塊負責感知系統(tǒng)各作業(yè)狀態(tài)參數(shù)；分布式I/O模塊負責接收主控制器的指令，并驅(qū)動相應的電磁閥或執(zhí)行元件等；其余總線節(jié)點為掛接在總線網(wǎng)絡上的其他總線功能模塊，用于采集或接收系統(tǒng)的各類控制信息參數(shù)，如CAN操作面板模塊、發(fā)動機ECU模塊、無線終端模塊等。環(huán)衛(wèi)機械智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲及系統(tǒng)組成如圖1所示[2]。

圖1 基于CAN總線的環(huán)衛(wèi)機械智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲及系統(tǒng)組成

4 總線通訊協(xié)議的設(shè)計

CAN通信協(xié)議主要描述設(shè)備之間基于CAN通信的應用程序信息傳遞方式[3]。對于環(huán)衛(wèi)控制系統(tǒng)來說，CAN總線控制器的通信層已經(jīng)定義了包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層在內(nèi)的最下面兩層。但沒有指定或規(guī)定應用層，用戶可以自行定義應用層協(xié)議，可根據(jù)環(huán)衛(wèi)控制系統(tǒng)的實際需求分配與使用CAN報文中的ID標識符、8字節(jié)數(shù)據(jù)。目前常用的國際標準應用層協(xié)議有CANopen、J1939等，當前環(huán)衛(wèi)裝備控制系統(tǒng)的總線控制節(jié)點一般不多，可以根據(jù)自身特點及應用需求，設(shè)計出高效的應用層標準化協(xié)議，如對于電控發(fā)動機的控制采用J1939協(xié)議，對于上裝專用裝置的控制則采用企業(yè)自定義的標準化協(xié)議。具體的協(xié)議可從以下幾個方面著手設(shè)計編制。

4.1 報文標識符的分配

報文標識符的分配，即總線數(shù)據(jù)信息分類并分配報文ID號時，低地址ID號在總線網(wǎng)絡物理層中的優(yōu)先級更高，適用于響應要求高或關(guān)鍵的信息幀，如總線網(wǎng)絡中需要實時控制或反饋信號的發(fā)動機油門控制信號、故障信息及各專用作業(yè)裝置機構(gòu)的到位信號等；高地址ID號在總線網(wǎng)絡物理層中的優(yōu)先級較低，適用于只監(jiān)測而不參與實時信號控制的信息幀，如車輛靜態(tài)信息或發(fā)動機水溫、油壓、油耗等狀態(tài)信息。

4.2 報文的循環(huán)發(fā)送與查詢發(fā)送

為保證關(guān)鍵控制信息的實時性，有參與控制的重要或關(guān)鍵信息幀需采取定時循環(huán)廣播發(fā)送方式，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制TSC1報文、安全動作控制報文；而對于軟硬件版本號、車輛配置信息的查詢等臨時數(shù)據(jù)服務的信息則主要采用請求發(fā)送方式，即進行特定請求、應答信息幀的定義，當某個節(jié)點需要某個需請求的信息時，往總線網(wǎng)絡中發(fā)送請求信息幀，目標節(jié)點收到請求節(jié)點的參數(shù)查詢請求幀后，將包含請求參數(shù)的反饋信息幀發(fā)送回該總線回路中。

米多有些擔心鮑澤。他覺得鮑澤可能患上了精神分裂癥，而且越來越嚴重。他突然想起什么，把手伸進了筆筒里，隨即心里“咯噔”一跳——錄音筆不見了。

4.3 總線“心跳”機制設(shè)計

當某一個或部分總線節(jié)點退出總線網(wǎng)絡后，總線網(wǎng)絡中其他節(jié)點相應的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)作復位處理，對于涉及安全方面的信息幀還需進行相應的邏輯互鎖設(shè)計，以有效防止數(shù)據(jù)丟失不一致造成非期望事件或安全事故的發(fā)生。因此，一般總線網(wǎng)絡系統(tǒng)的各通信節(jié)點都會把某一特定的信息幀中的某一個位設(shè)計成代表該節(jié)點是否在線的“心跳”信息，各總線節(jié)點正常上線工作時會固定周期發(fā)送“心跳”信息幀，“心跳位”在每個發(fā)送周期高低電平變化一次。這樣，如果在超過發(fā)送周期的一定時間內(nèi)某個節(jié)點的“心跳”信息位處于恒定值不變，則可以判斷該節(jié)點已退出總線網(wǎng)絡，進而通過故障預警機制在人機界面中進行顯示或提示，方便線路故障的排除，同時其余節(jié)點按預先設(shè)計的總線掉線機制做出相應的事件處理。

5 CAN總線在洗掃車模塊化控制系統(tǒng)中的實際應用

CAN總線及其相關(guān)技術(shù)給洗掃車控制帶來了一個嶄新的歷程，CAN總線使系統(tǒng)設(shè)計變得更加靈活化，信息的傳輸質(zhì)量更好，在CAN總線技術(shù)在洗掃車模塊化控制應用中有巨大的優(yōu)勢。下面以洗掃車為例，介紹CAN總線系統(tǒng)在洗掃車模塊化電控系統(tǒng)中的應用。

5.1 洗掃車模塊化控制系統(tǒng)方案及系統(tǒng)框圖

洗掃車模塊化控制系統(tǒng)方案框圖如圖2所示。具體地，綜合考慮到不同底盤、不同副發(fā)動機、不同掃盤結(jié)構(gòu)對控制系統(tǒng)的功能需求不大一樣，洗掃車模塊化控制系統(tǒng)擬選用7英寸8按鍵顯示屏CR9453及CAN總線面板作為主要的人機設(shè)備，洗掃車主要動作通過操作7英寸顯示屏即可完成，主操作設(shè)備與控制器之間采用CAN總線連接通信?？刂破鞑捎靡赘ｉTCR0200控制器，其有32路輸入，48路輸出，共80個I/O口，可直接控制上裝所有的電磁閥組、用電設(shè)備，并預留有一定的輸入輸出口，方便控制系統(tǒng)功能的擴展，所有洗掃車控制應用需求可在此平臺上進行開發(fā)，兼容其主要特殊配置，方便控制系統(tǒng)后期的維護升級。

圖2 洗掃車模塊化控制系統(tǒng)框圖

5.2 系統(tǒng)控制原理的設(shè)計

考慮到不同底盤、不同副發(fā)動機、不同掃盤結(jié)構(gòu)對電控系統(tǒng)的要求不一樣，如同為東風天錦底盤、副發(fā)動機同是采用某公司生產(chǎn)的QSB5.9-CM2880發(fā)動機，只是掃盤結(jié)構(gòu)不一樣：一種采用四盤掃，另一種采用兩掃盤，這都將導致電磁閥組、電控箱、操作面板功能的布局、線束等部件不能通用。為了實現(xiàn)洗掃車控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計，需設(shè)計出通用化的控制原理，控制器輸入輸出點數(shù)必須滿足所有16 t以上洗掃車的控制功能需要，同時得預留一定的輸入輸出口，方便控制系統(tǒng)功能的擴展和升級，實現(xiàn)不同副發(fā)動機及電氣單發(fā)系統(tǒng)的可選擇配置。兼容兩盤掃和四盤掃洗掃車的控制原理，生產(chǎn)時可以根據(jù)實際需要選擇相應的副發(fā)動機和掃盤結(jié)構(gòu)（兩盤掃、四盤掃）原理要求進行裝配生產(chǎn)。將常用的選裝配置功能（后噴霧、前滾掃、警燈等）進行系統(tǒng)集成設(shè)計，可提高后續(xù)的設(shè)計效率。

5.3 CAN總線網(wǎng)絡、協(xié)議的設(shè)計

利用CAN總線技術(shù)合理搭建洗掃車控制系統(tǒng)的CAN拓撲網(wǎng)絡，實現(xiàn)洗掃車顯示屏、控制器、CAN總線面板、副發(fā)動機、底盤及無線終端模塊之間的數(shù)據(jù)交換與通訊，形成洗掃車模塊化信息管理交互系統(tǒng)。控制器、顯示屏、CAN總線面板有大量數(shù)據(jù)需交互通信，如顯示屏要采集并顯示控制系統(tǒng)的所有信息，并處理傳輸合適的控制指令給控制器或其他控制執(zhí)行模塊。同時控制器接收大量來自顯示屏、CAN面板、傳感器等的操作指令或輸入信號，并根據(jù)整車的控制功能邏輯輸出給電磁閥組或用電設(shè)備，進而達到洗掃車的智能化、便捷式控制。因此，各種不同控制類型模塊的邏輯控制與通訊既相互獨立又互為一體，系統(tǒng)子部件間的聯(lián)系關(guān)系錯綜復雜，需對各子部件的功能或角色進行合理分配，通過合理的設(shè)計CAN總線網(wǎng)絡、通信協(xié)議，才能更好地實現(xiàn)各類型洗掃車的多種控制功能需求。

合理設(shè)計顯示屏、控制器及CAN總線面板相互間的企業(yè)標準化CAN通訊協(xié)議，包括各子系統(tǒng)間通訊地址的定義，各數(shù)據(jù)ID及數(shù)據(jù)內(nèi)容的定義，各數(shù)據(jù)位的定義，數(shù)據(jù)內(nèi)容的發(fā)送與接收格式的定義等，以方便與后續(xù)跟隨車輛功能的升級進行擴展、變更，并達到兼容早期版本的效果。因通信協(xié)議會直接涉及到軟件的運行效率及擴展性能、無線終端模塊數(shù)據(jù)采集的便利性，需統(tǒng)籌整車的控制器、顯示屏、CAN面板、副發(fā)動機、底盤、無線終端模塊等所有系統(tǒng)子部件間的通信數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)統(tǒng)計分類，最后按一定的規(guī)律分配通信地址，在保證通信地址不沖突的前提下又具有足夠的擴展空間。

5.4 人機界面的設(shè)計

顯示屏需實現(xiàn)所有洗掃車的常用控制功能，將9種洗掃模式、掃盤轉(zhuǎn)速、掃盤噴水、一鍵油門調(diào)速等功能匯聚在同一個界面上完成，實現(xiàn)洗掃、清洗、掃路等作業(yè)的一鍵式操作。低壓清洗作業(yè)、常用選裝動作、高壓清洗動作采用同一界面，方便不同車型功能的管理、擴展以及程序的更新維護。出廠設(shè)置界面需設(shè)計不同車型選擇項，根據(jù)不同車型的不同配置，選擇切換為不同的控制程序控制。利用人機工程學在7英寸8按鍵顯示屏上合理有效地實現(xiàn)副發(fā)動機狀態(tài)的監(jiān)控、系統(tǒng)I/O口狀態(tài)的監(jiān)控、清掃作業(yè)的操作、料箱后門的操作、清洗作業(yè)的操作、系統(tǒng)報警的提示、系統(tǒng)參數(shù)的查詢、系統(tǒng)線路的調(diào)試（開路或短路）排查維修、輔助作業(yè)的操作、用戶參數(shù)的設(shè)置及出廠參數(shù)的設(shè)置等。另外，在設(shè)計顯示屏界面時，需考慮到顯示屏界面對于不同底盤、副發(fā)動機及掃盤結(jié)構(gòu)等的兼容性，通過軟件邏輯編程、界面的嵌套，實現(xiàn)不同底盤、副發(fā)動機及掃盤結(jié)構(gòu)的控制程序的選擇和切換。如圖3以顯示屏的人機主界面為例，主界面顯示了洗掃車的當前作業(yè)狀態(tài)信息、報警信息及副發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、油壓等，同時可通過主界面進入各子界面及子界面嵌套界面。

5.5 軟件架構(gòu)的設(shè)計

軟件架構(gòu)的設(shè)計，包括程序?qū)蛹壴O(shè)計、各功能塊的分配、關(guān)鍵邏輯流程的優(yōu)化設(shè)計、軟件通用性設(shè)計。因軟件架構(gòu)的設(shè)計會直接影響到軟件后續(xù)的可維護性及功能擴展，需綜合考慮各方面的因素，如原軟件系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)缺點、已解決或未解決的BUG、在模塊化設(shè)計時的局限性等，在修復原軟件架構(gòu)缺陷的同時還需考慮到未來洗掃車可能會新增哪些類型的功能，以便預留好合適的軟硬件接口進行擴展。

圖3 人機主界面

6 結(jié)語

智能化、信息化是環(huán)衛(wèi)機械裝備的發(fā)展方向, 將先進的現(xiàn)場總線技術(shù)應用其中必將使裝備智能化、信息化更易實現(xiàn)。本文設(shè)計的基于CAN總線的環(huán)衛(wèi)車控制系統(tǒng)，結(jié)合環(huán)衛(wèi)設(shè)備的具體控制需求，以洗掃車模塊化控制系統(tǒng)為例，具有功能完善、通用性好、使用方便等特點，并且技術(shù)架構(gòu)先進，讓環(huán)衛(wèi)設(shè)備的所有操作變得更加簡單、高效，符合環(huán)衛(wèi)設(shè)備控制系統(tǒng)逐步走向智能化控制的總體發(fā)展方向。通過多系列環(huán)衛(wèi)車型（如洗掃車、掃路車、垃圾車）的應用實踐表明，系統(tǒng)工作可靠，實時性好，功能拓展方便，具有良好的推廣應用前景。

本文基于CAN總線控制技術(shù)，通過對不同類型底盤、副發(fā)動機、掃盤結(jié)構(gòu)組合成多種洗掃車的電氣控制系統(tǒng)進行整合，并形成一套模塊化控制系統(tǒng)方案，統(tǒng)型歸類所有類型洗掃車的軟件，設(shè)計出一套通用化的控制系統(tǒng)軟件，在顯示屏人機界面即可選擇相應的底盤型號、副發(fā)動機型號、掃盤類型或選裝配置等，實現(xiàn)不同類型洗掃車控制系統(tǒng)不同電磁閥組、傳感器、工作指示燈、警燈等執(zhí)行元件的控制。將CAN總線技術(shù)應用于環(huán)衛(wèi)設(shè)備控制系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)的智能信息化程度，提升環(huán)衛(wèi)設(shè)備的綜合性能，并通過與相關(guān)環(huán)衛(wèi)設(shè)備控制系統(tǒng)的配套，經(jīng)濟效益明顯，可大幅度提高公司產(chǎn)品的核心競爭力。