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(duì)裝載機(jī)動(dòng)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(hào)：TB533文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(chē)測(cè)控中的數(shù)據(jù)交換，德國(guó)Bosch公司開(kāi)發(fā)了CAN總線技術(shù)。目前，CAN總線是在大型汽車(chē)及工程設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的通信方式。通過(guò)CAN總線，汽車(chē)和大型工程設(shè)備上各種電子器件、測(cè)控設(shè)備可進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換，奠定了汽車(chē)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(chē)、礦車(chē)等聯(lián)合作業(yè)，被廣泛應(yīng)用于建筑、公路、煤炭、礦山、國(guó)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(dòng)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(shí)性和靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有以下特點(diǎn)：①是唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線;②網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)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(wú)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(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求;④采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)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(shí)間;⑤只需通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無(wú)須專門(mén)“調(diào)度”;⑥對(duì)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(cuò)誤的情況下，節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)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(kāi)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(chē)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(zhǎng)度最短，有較高的性價(jià)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(pán)，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(cè)控單元均可集成CAN控制與驅(qū)動(dòng)，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(chē)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(kāi)發(fā)，為裝載機(jī)CAN總線技術(shù)開(kāi)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(chē)控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)由10個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。其中，底盤(pán)3個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括底盤(pán)前部模塊、底盤(pán)中部模塊、底盤(pán)后部模塊;控制室內(nèi)7個(gè)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(dòng)機(jī)ECU等。主總線符合CAN規(guī)范的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(huì)對(duì)從發(fā)動(dòng)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(dòng)力CAN的通信速率為250 kb/s，車(chē)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(kāi)關(guān)量信息，并參與本地的功率驅(qū)動(dòng)控制，包括燈光控制開(kāi)關(guān)、左右組合開(kāi)關(guān)、方向機(jī)按鈕開(kāi)關(guān)，將這些開(kāi)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(hào)包括點(diǎn)火開(kāi)關(guān)位置信號(hào)、行車(chē)開(kāi)關(guān)、駐車(chē)開(kāi)關(guān)、發(fā)電機(jī)充電信號(hào)（通過(guò)總線發(fā)送到儀表顯示）、蓄電池端電壓信號(hào)（通過(guò)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(dòng)執(zhí)行器件如表2所示。

2.3 底盤(pán)控制模塊（底盤(pán)前、中、后部模塊）

底盤(pán)控制模塊分為底盤(pán)前控制模塊、底盤(pán)中控制模塊和底盤(pán)后控制模塊。這些模塊通過(guò)控制室CAN進(jìn)行連接，主要功能是采集信息和驅(qū)動(dòng)底盤(pán)行駛，功能相對(duì)單一。

這些功率驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件單元擁有完善的電源保護(hù)功能。

底盤(pán)控制模塊信號(hào)如表3所示。采集信號(hào)后發(fā)送到總線儀表模塊CAN上。

燈光負(fù)載故障信號(hào)：前大燈遠(yuǎn)近光、小燈、左右轉(zhuǎn)向燈、制動(dòng)燈、倒車(chē)燈，短路和斷路均會(huì)產(chǎn)生故障報(bào)警信號(hào)，信號(hào)發(fā)送到儀表CAN總線上。

底盤(pán)功率驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件如表4所示。

以上驅(qū)動(dòng)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(gè)全數(shù)字化指針式儀表（步進(jìn)馬達(dá)數(shù)字化驅(qū)動(dòng)指針顯示）、1個(gè)240×120點(diǎn)陣數(shù)字顯示屏、30個(gè)LED信號(hào)指示燈組組成。轉(zhuǎn)速及水溫信號(hào)從發(fā)動(dòng)機(jī)ECU直接讀出進(jìn)入總線儀表模塊，而運(yùn)行時(shí)間信號(hào)、燃油信號(hào)、氣壓信號(hào)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(kāi)發(fā)過(guò)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(shí)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(hào)，例如，發(fā)動(dòng)機(jī)走保提示報(bào)警信號(hào)，為售后服務(wù)提供便捷的服務(wù)信息。

各儀表位置見(jiàn)圖2。

3 結(jié)語(yǔ)

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(jià)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(duì)裝載機(jī)動(dòng)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(wàn)正權(quán).CAN總線在船舶結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)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(chē)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(chē)起重機(jī)智能控制系統(tǒng)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2008（8）：33-35.