车载CAN总线

车载CAN总线（精选7篇）

车载CAN总线 篇1

1、网络管理的意义

随着车辆电子技术的不断发展,车辆电气系统中电控单元(ECU)的应用日益增多。不断增多的ECU和数据交互使得车载网络也越来越复杂,也给整车的静态功耗设计带来了挑战,为了保证车载网络的安全性和可靠性,同时为了更好的控制整车静态功耗,有必要建立一套管理机制对网络安全和故障进行监控处理。

网络管理的主要功能有:保证网络同步进入睡眠状态、网络启动后确定网络配置、运行过程中监控网络配置、提供网络状态信息以及对网络故障的处理。

2、网络管理的方案

目前比较典型的适用于汽车CAN总线网络管理协议有OSEK、AUTOSAR和SAEJ1939网络管理协议,下面就这些协议进行简要的介绍和对比分析。

2.1 OSEK网络管理

OSEK/VDX是用于分布式实时结构的一组标准,它包含四个标准:操作系统(OS)、通信(COM)、网络管理(NM)和OSEK实现语言(OIL),其网络管理部分的标准(OSEK NM)被广泛的应用于车载CAN总线的网络管理。

OSEK网络管理分为直接管理和间接管理两种。

2.1.1 OSEK直接网络管理

OSEK直接网络管理是一种分布式的网络管理,它通过逻辑环对网络进行监控,每个节点被其他节点监控的同时也根据各自的状态发送特定统一的网络管理报文。

OSEK网络管理为每个节点定义了不同的工作状态和状态间的转换关系,各个节点通过调用网络管理服务进行网络管理状态的迁移。节点的网络状态及迁移关系如图1所示:

图2所示为逻辑环机制,当网络处于NMOn状态时,连接在总线上的ECU需要按照各自地址的大小从小到大依次发送网络管理报文,从而形成虚拟的逻辑环。

OSEK网络管理在协议数据单元(NMPDU)中进行网络管理需求和状态信息的传递,各节点需要按照各自的网络管理状态发送对应的信息,并接收其他节点发送的状态信息。网络管理协议数据单元包含地址域、控制域和数据域,与CAN总线的帧格式按照如下方式对应:

OSEK直接网络管理报文有以下三种类型(通过控制域的配置):

●Alive报文:各节点声明自身将要加入到“逻辑环”的报文

·Ring报文:各节点向后继节点传递“令牌”的报文

·LimpHome报文:节点不能正常收发报文时,节点进入跛足LimpHome状态,之后节点周期性的发送此报文

对于网络的休眠同步管理,OSEK直接网络管理提供了一个协商机制:休眠由网络上的某个节点发起,在发送的Ring报文中将Sleep.Ind置1,其他节点根据各自的状态进行确认,如果满足休眠条件则同样将Sleep.Ind置1,否则将Sleep.Ind置0;当网络上所有节点的Sleep.Ind都为1时,发起休眠的节点发送休眠确认报文(Sleep.Ack=1),其他节点在接收到休眠确认报文后停止发送Ring报文,同时启动休眠定时;当休眠定时到时,所有节点同步休眠。整个过程如下图所示:

2.1.2 OSEK间接网络管理

OSEK间接网络管理的策略与直接管理不同,间接网络管理主要通过监控节点的应用报文来间接监控网络的状态,这就需要有一个主节点来统一监控网络上的其他报文,被监控的节点需要有周期性发送的应用报文,如果某个节点正常情况下只接收而不发送报文,那么它需要发送特定的报文使它可以被其他节点监测到。

在间接网络管理中,被监控的网络节点有两个状态:

●在线:主节点接收到节点A的被监控报文,则认为A在线

●离线:节点A的被监控报文发生超时,则认为A离线

OSEK间接网络管理的休眠和唤醒策略采用主从方式进行,主节点在其一条应用报文中预留一个标志位,置“1”表示请求网络休眠,如果不请求休眠则置“0”。当达到休眠条件时,主节点请求网络睡眠,各节点在收到请求后即进入休眠。唤醒的过程则相反,主节点将睡眠标志位置“0”,然后各节点通过网络进行唤醒。

网络睡眠过程:

2.2 AUTOSAR网络管理

AUTOSAR是Automotive Open SystemArchitecture (汽车开发系统架构)的缩写,是一个制定汽车电子软件标准的联盟,AUTOSAR规范主要包含3个领域:软件架构、应用接口以及方法论。与OSEK相比,AUTOSAR架构模块化更清晰、扩展性更强,有利于车辆电子系统软件的交互与更新,降低电子系统的开发成本提高开发效率。

在AUTOSAR的规范里专门针对CAN网络管理进行了定义。AUTOSAR网络管理采用分布式的直接网络管理机制,各节点网络状态的转换基于节点请求网络的状态及周期性网络管理报文的接收。

AUTOSAR定义的节点的网络状态转换如下图所示:

从图中可以看出,各状态及转换关系与OSEK直接网络管理基本相同,不同的是AUTOSAR没有在网络管理中进行总线错误的处理。这一点,AUTOSAR规范将总线错误管理放到通讯管理模块来实现。

在AUTOSAR网络管理中,网络管理报文的发送即表示节点对于网络通讯有需求,各节点需要周期性的发送网络管理报文直至不再需要总线通信为止。

在网络初始化状态(Repeat Message State)和正常工作状态(Normal Operation State),各节点都要按设定的周期进行网络管理报文的发送,同时各个节点都定义了各自的网络管理报文发送时间偏移以防止报文突发。

当有节点满足休眠条件时,停止发送网络管理报文,此时网络进入准备休眠状态(Ready Sleep State);当所有节点都停止发送网络管理报文并网络空闲达到设定值时(NM timeout),网络进入总线预休眠状态(Prepare Bus-Sleep),随后如果没有节点唤醒的话则进入总线休眠状态(Bus-Sleep)。

AUTOSAR中对网络管理协议数据单元和在CAN总线数据帧中的映射进行了定义,网络管理协议数据单元包括节点标识域和控制位向量,节点标识域是各节点独立特有的标识,控制位向量中定义了网络初始化请求位(Repeat Message Request Bit)用于表示网络初始化的报文。其余6个字节由用户定义,可以增加网络唤醒原因域等。

为了降低网络正常工作时的总线负载,AUTO SAR网络管理还提供了一个网络负载降低机制,即在正常工作状态下,每个节点各自定义一个独立的周期时间参数(Reduced cycle time),在整个网络同时只有周期时间参数最小的两个节点发送网络管理报文。通过这种机制,在节点较多的网络可以大大降低网络负载。

2.3 SAE J1939网络管理

SAE J1939协议是由美国汽车工程协会(SAE)基于CAN2.0B规范编制,目前被广泛应用在商用车领域。

SAE J1939中对网络管理的具体规定在SAE J1939-81中体现,网络管理提供了用来唯一地识别网络中CA (控制器软件)的定义和过程描述,实现了对地址分配和网络错误的管理,但是对网络错误的管理仅限于地址声明方面的错误管理,另外,也没有对唤醒和休眠同步进行管理。

在SAE J1939中,每个节点都有唯一的地址和名字,其中地址长度为8位,用来保证报文ID的唯一;名字长度为64位,用来提供对节点CA的功能描述。

在SAE J1939中规定了3个网络管理报文用于网络管理:

1、地址声明请求报文:请求网络上CA的地址和名字

2、地址声明报文:为CA声明一个地址/公告不能声明地址。

3、命令地址报文:命令其他CA使用新的地址。

3、各网络管理协议对比

4、总结

通过对上述四种网络管理协议的介绍和简单对比,可以看出:

1)SAE J1939网络管理由于其功能的局限性,并不太适合国内的开发情况。协议中主要针对节点的地址分配和管理机制进行了定义,但没有定义同步休眠和唤醒的机制。在国内现有的开发模式下,整车的配置需求、网络通讯矩阵、节点供应商都比较明确,对地址管理的需求程度则变得越来越小;

2)OSEK间接网络管理相对比较简单,对网络的监控和节点的同步唤醒和休眠都有定义,且实时性较强。由于采用了主从结构的设计,如果主节点失效则整个网络管理就同时失效,使得其在使用过程中不够灵活和安全,适合于配置固定简单、对网络安全性要求不高的网络;

3)OSEK直接网络管理功能比较全面,且扩展性很强,由于采用了逻辑环的管理策略,网络中不需要指定专门的监控节点对网络进行监控,使得单独的节点在开发时相对独立,机制统一。但是当总线中连接的节点数量增加以后,令牌环在总线中传递一周的时间就会变长,网络管理的实时性就会降低。另外,功能全面的网络管理协议也会给节点的协议栈开发增加一定难度。

4)AUTOSAR网络管理与OSEK直接网络管理一样属于功能全面且扩展性很强协议,其在实时性和复杂度上较OESK网络管理要好一些。虽然目前行业内基于AUTOSAR的开发还未普及,但可以预见的是,它是未来汽车电子电气发展的一个趋势。

参考文献

[1]熊毅,郭杏荣,张倪,基于OSEK规范的网络管理的研究与改进,计算机应用研究,Vol.24 No.9 Sept.2007.

[2]W.齐默尔曼R.施密特加尔,汽车总线系统,机械工业出版社.

[3]AUTOSAR,Specification of CAN Network Management V3.1.0R4.0Revl.

[4]吴伟,马继周,张志敏,基于AUTOSAR标准的网络管理协议的设计,汽车实用技术,陕西省汽车工程学会,2012年第九期.

车载CAN总线 篇2

计划设计出一种能够对车辆危险情况进行语音报警的装置,该装置能够实时分析采用CAN总线的汽车控制网络中的相关数据,并对危险信息进行语音报警,使得驾驶员能够在不转移视线的情况下获取危险警告,从而有效降低事故的发生率。

1 系统结构

设计目标是实现一种结构简单、运行可靠、装配方便且使用便捷的车辆语音报警装置。从技术角度讲,该装置是一个完整的以电子计算机为核心技术的数字计算系统,该系统能够适应汽车运行时复杂而严酷的使用环境。

系统的体系结构如图1所示。

2 CAN总线网络接口

CAN总线控制网络是目前汽车车控网络的主要通信载体,CAN总线控制网络承担着车内几乎所有控制数据的实时高速传输。设计的CAN总线网络接口能够按照指定的速率接收CAN总线控制网络中所有的传输数据帧,并对其中与安全没有直接关系的数据帧过滤掉,仅仅上传存在潜在或直接威胁的数据。这样就可以大大提高CAN数据分析单元的处理效率。

采用飞利浦SJA1000和TJA1050芯片实现独立的CAN总线控制网络接口。SJA1000是一款支持CAN2.0协议的CAN总线控制器,能够在-40-+125℃的温度范围内稳定高速工作,满足了目前所有使用CAN总线车辆的CAN数据帧处理要求。在本系统中,SJA1000通过8位并口与CAN数据分析单元进行数据通信。TJA1050是一款CAN数据收发器,在物理层提供CAN总线差分信号收发功能。

3 CAN数据分析单元

设计的CAN数据分析单元采用了Intel公司51系列8位单片机80C51处理器。该型号处理器具有功耗低、运行稳定等特点,能够适应复杂严格的车辆运行环境。

在系统中,80C51处理器以20M的工作频率处理从CAN总线网络接口发送的CAN数据帧,并对其进行实时处理分析,从中获取当前车辆危险程度的信息,最终根据内置存储器中存储的报警策略做出报警决策。报警决策被转换成语音文本数据后发送给语音处理单元实施。

4 语音处理单元

设计的语音处理单元由语音合成模块和音频输出模块组成。其中,CAN数据分析单元与语音合成模块连接通信;语音合成模块与音频输出模块连接通信。本系统工作时,CAN数据分析单元首先将报警信号发送至语音合成模块,语音合成模块将报警信号合成后再发送至音频输出模块输出。

在系统中,语音合成模块采用科大讯飞公司推出的XFS3031CNP单芯片语音合成处理器。该处理器采用了高效的压缩编码方式,单次合成的文本量可达199个字节,并集成了7首声音提示音和30首和弦音乐,具有较高品质的合成音频音质。此外,该处理器提供了合成文本、停止合成、暂停合成、恢复合成、状态查询等多种控制命令,为语音控制提供了极大的便利性。

在本系统中,XFS3031CNP芯片首先通过串口获取80C51处理器的报警语音文本数据,然后进行内部语音合成并生成语音音频信号,最后发送给音频输出模块。音频输出模块由功率放大模块和扬声器组成。XFS3031CNP输出的语音音频信号经过功率放大模块放大后由扬声器播放报警声音。

4 结语

提出了一种基于CAN总线的车载智能语音报警系统的设计方案。本系统能够实时、正确读取汽车CAN总线系统中正在传输的所有数据从而判断当前是否会产生危险的情况。包括车速超过国家规定上限、发动机水温异常、机油压力异常、车门没有关闭等。

由于本系统采用的是人性化的语音报警方式,驾驶人员不需要转移视线就可以获知车辆的危险信息,从一定程度上有效提高了行车安全性。所以本系统迎合了现代汽车安全性要求不断提高的发展趋势。

参考文献

[1]陈祖海,潘明.基于SJA1000IP核的CAN总线通信系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2012.

[2]刘在英,章鸣缳.基于CPLD的SJA1000与DSP的接口设计[J].工业控制计算机,2012.

[3]李昊然,陈晓钰,刘玉玲,王晓萍.基于80C51的智能报警系统设计[J].计算机技术与发展,2012.

车载CAN总线 篇3

汽车技术发展到今天, 很多新型电气设备得到了大量应用, 尤其是电动汽车的电气系统已经变成了一个复杂的大系统。为了满足电动汽车各子系统的实时性要求, 需要对公共数据实行共享, CAN总线车载网络技术正是为满足这些要求而设计的。

本文研究的平台是一辆四轮独立电机转向四轮独立轮毂驱动的纯电动汽车, 其研究的对象是动力系统CAN总线车载网络技术。

2 研究平台

四轮独立电机转向四轮独立轮毂驱动的纯电动汽车采用四轮轮毂电机独立驱动技术, 通过四个高性能轮毂电机驱动控制器分别控制四个轮毂电机, 实现转矩控制、无极变速控制、电子差速控制等功能, 同时取消了传统汽车的变速箱、传动轴、驱动桥等复杂的机械传动部件, 汽车结构大大简化;在四轮独立驱动的基础上导入四轮独立转向技术, 通过四个高性能转向驱动控制器分别控制四个转向伺服电机, 实现转向角度控制, 除了实现传统四轮转向汽车的正向偏转和逆向偏转外, 还可以进行车辆的原地转向 (即零转弯半径) 和横向移动。

该纯电动汽车在机械结构和整车控制等方面都与传统汽车有着很大的区别, 这些都对相关的研究、设计、生产和服务环节提出了更高的要求。

为了满足该纯电动汽车庞大的电气系统, 本文专门针对电动汽车车载网络相关行业的应用规划, 研究设计了动力系统CAN总线车载网络, 使其满足整车动力各子系统的实时性、资源共享、协调控制等要求。

3 动力系统CAN总线车载网络

3.1 设计方案

动力系统作为整车动力性、驾驶操纵性能和行车安全性的控制单元, 是整车控制的核心部分。由于之前汽车总线技术还不够完善, 动力系统的控制一般采用集中控制方式, 也就是使用一个电子控制单元 (ECU) 控制动力驱动、转向控制和安全制动等方面, 这往往会导致传感器信号和执行器控制信号干扰过大、单点故障会导致整个系统崩溃等方面的问题。

本文研究的动力系统采用的是全模块化控制, 整个动力系统有17个模块ECU, 实现四轮独立转向、四轮独立驱动、四轮自动防抱死制动 (ABS) 和动力电池管理四大功能。动力系统CAN总线车载网络结构如图1所示。

图1中, 动力系统总控制及网络网关ECU、制动系统总控制ECU、驱动系统总控制ECU、转向系统总控制ECU和动力电源管理系统ECU这5个ECU节点组成动力系统总的总线网络。另外, 该网络拓扑结构还包含制动分系统、驱动分系统和转向分系统这3个总线局域网络。制动系统总控制ECU、左前轮制动控制模块ECU、右前轮制动控制模块ECU、左后轮制动控制模块ECU和右后轮制动控制模块ECU组成了制动分系统的总线局域网络;驱动系统总控制ECU、左前轮驱动控制模块ECU、右前轮驱动控制模块ECU、左后轮驱动控制模块ECU和右后轮驱动控制模块ECU组成了驱动分系统的总线局域网络;转向系统总控制ECU、左前轮转向控制模块ECU、右前轮转向控制模块ECU、左后轮转向控制模块ECU和右后轮转向控制模块ECU组成了转向分系统的总线局域网络。

这种网络拓扑结构将动力系统的三大分系统分成了三个分系统总线局域网络, 这样就形成了全模块化控制方式, 其优点是: (1) 各模块独立控制, 减小开发难度, 增强模块可靠性; (2) 各模块间采用总线技术, 达到数据资源共享, 数据传输抗干扰能力强; (3) 使整车控制策略采用高级算法成为可能等。

3.2 设计实现

本文研究设计的动力系统CAN总线车载网络的数据传输速率为1Mb/s, 17个节点ECU都采用MC9S12DG128作为主控芯片。MC9S12DG128 微控制器是Motorola 公司HC12系列16位单片机, 在汽车电子中应用很广。芯片集成了两个兼容CAN2.0A/B协议msCAN12模块, 能够实现高低速CAN 网络的网关节点功能。

CAN报文发送时, CPU将数据送入发送缓冲区, 然后经过外部收发器送到总线。报文接收时, 外部收发器将总线上的数据位流引入, 经过解码、错误检查、校验和报文过滤后送到接收缓冲区, 并通过中断或标志通知CPU。网络数据传输线是双绞线, 能进行双向的数据传输, 抗干扰能力很强。

4 结论

本文基于四轮独立电机转向四轮独立轮毂驱动的纯电动汽车, 设计了其动力系统CAN总线车载网络系统。实验结果表明该系统的硬件部分和软件部分都能满足该车动力系统的实际性能要求。

动力系统CAN总线车载网络的扩展性很强, 它可以根据实际需求增加更多的模块, 同时本文的网络架构便于动力系统控制算法和全车控制策略的实现, 这是本文下一步的重点工作。

摘要：以一辆四轮独立电机转向四轮独立轮毂驱动的纯电动汽车作为研究平台, 着重分析其动力系统CAN总线车载网络技术。

关键词：车载网络,电动汽车,CAN

参考文献

[1]戴西槐, 杨林, 张毅等.EV电控系统的CAN总线通信研究与开发[J].计算机工程与应用, 2005, (5) :200-203.

[2]周立功.ICAN现场总线原理与应用[M].北京:航空航天大学出版社, 2007.

[3]胡思德.汽车车载网络 (VAN/CAN/LIN) 技术详解[M].北京:机械工业出版社, 2006.

[4]张毅, 杨林, 朱建新等.电动汽车能量回馈的整车控制[J].汽车工程, 2005, 27 (1) :24-27.

[5]X.C.Zhu, Y.C.Zhang, “An IOT based Car-bus for the4WIDIS EV, ”International Conference on Electrical and Control Engi-neering[M].Yichang:2011, in press.

车载CAN总线 篇4

随着我国市场经济的发展, 公路交通量迅速发展, 重型卡车的使用量逐年增长, 部分运输单位或个人不顾车辆及道路的承载能力, 行车安全意识薄弱, 擅自增加车辆栏板, 严重超载, 对车辆本身及公路都造成了严重的损害。因此, 为了维护国家的财产安全及行车安全, 严格限制车辆超载已迫在眉睫。车载称重系统已广泛应用于载货车, 本文介绍的车载称重系统, 可以在行车过程中自动测量整车重量, 根据用户的使用需求, 可自主选择是否需要显示重量。

1、系统介绍

本系统主要包含三部分, 传感器、控制器和显示系统, 如图1所示。传感器采用应变片式传感器, 每个车桥上安装两个传感器, 以6×4载货车为例, 需安装6个传感器来检测车桥的变化量, 控制器采用飞思卡尔MCU, 具有CAN信号收发功能, 采集传感器的信号和整车信号进行处理, 输出货物重量CAN信号给整车, 显示系统可以使用整车仪表, 也可以使用其他显示屏, 显示系统要求必须具有CAN信号收发功能。

2、系统方案设计

2.1 传感器的选择和安装方案

当在车厢内装载货物时, 车轴和车桥受力发生变形, 这种变形会随货物重量的增大而增大, 并呈一一对应的关系。总体技术方案的原理就是:基于这种一一对应的关系, 选择应变式电阻传感器, 该传感器由电阻应变片和弹性敏感元件组成, 工作原理:将应变片粘贴在各种弹性敏感元件上, 当弹性敏感元件感受到外力、位移、加速度等参数的作用时, 弹性敏感元件产生应变、再通过粘贴在上面的电阻应变片将其转换成电阻的变化[1], 传感器测量电路如图2 所示:

通过实验所得, 需在图3、图4 所示位置安装传感器, 通过测量车轴和车桥的变形来求得所装载的货物质量。

2.2 控制器数据处理

以前轴为例具体说明工作原理[2], 传感器分别测量如图4 所示的P1 与P2、P3 与P4 的在垂直方向的相对变形, 并将这种变形通过传感器和控制器转变为数字信号ni (i=1、2、3……) , 通过标定和计算的方式找出各传感器输出信号ni (i=1、2、3……) 与货物质量W货之间的关系, 即确定各传感器的分配系数si (i=1、2、3……) , 用下列算式计算货物总质量:

通过标定采得的数据进行数据处理求得分配系统S。

由于传感器灵敏度较高, 在行车和停车状态下, 传感器的变化量较大, 所以控制器需要接收整车的车速信号、转速等信号进行动静态区分, 需采用不同的滤波深度进行信号处理。控制器将处理完的货物重量数据按照CAN信号定义发送至CAN总线。

控制器可以做一些报警信号:货物丢失报警, 当在行车过程中, 突然出现货物重量变小, 发送总线报警信号, 接收设备接收后提示司机货物丢失;传感器检测的是桥的应变量, 当桥的应变量变化超过桥正常的应变量时, 及时发送报警信号, 提示司机注意安全;该系统通过与网络后台通讯, 可以实时记录车辆的运输状况, 方便进行车队管理。

2.3 显示系统

显示系统必须具有CAN总线收发功能, 可以接收控制器发送的CAN信号, 通过液晶显示货物重量, 当重量超过设定值时可以进行声光报警。也可通过远程终端将数据传递至网络后台进行监控[3]。

由于传感器存在温漂、零点漂移等问题, 所以需设置一个按键进行置零操作, 建议将该按键放于仪表上, 称重控制器内部标定一个参数, 在该数字范围内可以进行置零操作, 点击称重置零操作, 仪表通过CAN线发送置零操作给控制器, 控制器接收后根据内部标定的数字判断是否可以进行置零操作, 置零操作成功发送反馈信号仪表显示“置零操作成功”, 如不能操作也通过CAN线发送给仪表, 仪表显示“置零失败”。

3、系统仿真验证

由于传感器采集的数据有很多随机信号, 随机信号可以认为是一个静态信号与诸多不同频率、不同幅值的正弦信号叠加的结果。该静态信号就是车辆静态时对应于装载货物的信号。获取静态信号的方法如下:对6 个传感器原始信号进行傅里叶变化, 将时域信号转变为频域信号;采用低通滤波的方法得到静态信号;以此信号作为稳态信号, 称重数值为处理后数据后求和的数值[4]。 现对实际采集的数据进行仿真验证如图5 所示:

4、系统实现

将该套系统装与6×4 自卸车, 标定完成后将分配系数刷写至控制器, 然后对车辆装沙后进行实际称重, 重量显示见图6∶35690kg, 整车重量为16350kg, 磅秤称得实际装沙量为19340kg, 车载称重系统显示19004kg, 相对误差1.7%。

5、结束语

基于CAN总线的车载称重系统, 通过仿真验证和实际试验验证, 该系统的设计方案可行, 且在行车和停车全过程中, 误差均可保持在3% 以内, 满足设计要求, 可以有效的监测到超重, 运行中货物丢失等问题。

摘要：文章所介绍的车载称重系统用于重型卡车, 采用CAN总线模块, 符合SAE J1939协议, 在前期的开发过程中, 为了验证开发效果, 使用CANoe软件, 采用CAPL语言, 实现功能仿真, 创建Panel界面, 观察仿真结果稳定, 并能满足初期设计要求。

关键词：CANoe,仿真,CAPL,车载称重系统

参考文献

[1]余成波.传感器与自动化监测技术[M].北京:高等教育出版社, 2004.

[2]李朝青.单片机原理与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1994.

[3]何立民.单片机应用程序设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002.

车载CAN网关实时性分析与改进 篇5

车载控制器局域网(controller area network,CAN)是20世纪80年代初德国Bosch公司为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信协议。相较于其他车载总线,CAN总线具有高实时性、高可靠性、高灵活性、容易实现和低成本等特点,是目前应用最广泛的车载总线[1]。

车载CAN网关是车辆内部各种不同CAN网络系统的接口,实现位于不同总线系统的控制单元之间的信息共享和交换。CAN网关作为整车网络信息交互的中心,其传输CAN信号的实时性成为影响整车网络实时性的重要因素之一。

文献[2]针对CAN网关的信号路由时间和路由调度等待时间给出了一种CAN网关延时的优化设计。但是由于控制器计算所造成的延时本身仅在微秒级别,该优化设计方法对实时性的优化作用较为有限。

为了改进车载网关的实时性能,本研究首先结合CAN网关工作方式和CAN整车网络性能进行实时性分析,根据影响网关实时性的因素设计CAN网关报文调度机制,然后基于实际网关和CETC-Motor公司的汽车网络系统设计、分析、开发、测试工具TELLUS™构造实验系统,最后在该平台上完成网关实时性验证,给出测试结果和结论。

1 CAN网关实时性分析

1.1 CAN网关模型

CAN网关模型如图1所示[3]。网关工作过程基于接收-缓存-转换-发送机制,包含接收滤波、接收队列、网关服务器和发送队列。

图1中,参数n表示网关连接的子网数目。滤波器通过查询路由表,对接收报文进行过滤。接收处理任务由调度器负责调度。报文分发器将转换后的报文按照优先级插入相应的目的发送队列,等待传输。

1.2 网关传输延时分析

车载CAN网关延时Tdelay指报文从发送节点到接收节点之间的时间间隔,包括报文在总线上的发送、接收时间,以及网关内部延时。用式(1)[4,5]表示:

式中:Treceive—报文自源节点发送到获得网关处理的时间,Tsend—网关将报文组装完成发送至目标节点的时间,Tgateway—网关处理报文的时间。

具体分析如下:

(1)CAN总线网络MAC层协议采用非抢占式逐位仲裁CSMA/CA技术[6]。节点发送报文之前,需等待总线空闲并竞争优先级。因此,Treceive包含报文在发送节点内的接收调度等待时间Treceive-wait,另外,还包括报文总线传输时间τ和报文发送至网关节点后的调度等待时间TGW-wait。用式(2)表示:

其中:Treceive-wait取决于报文优先级;TGW-wait取决于网关任务调度机制,与网关设计有关。报文传输时间τ与报文长度成正比,与总线传输速率成反比。

(2)Tsend包括报文在网关节点内的优先级排序时间Tqueue,总线空闲等待时间Tnetwork和报文传输时间τ。用式(3)表示:

其中:Tqueue取决于网关发送队列缓冲机制,与网关设计有关;Tnetwork取决于报文优先级。

由上述分析可知:网关内部路由时间Tgateway、网关调度等待时间TGW-wait和发送队列等待时间Tqueue是网关调度延时的主要组成部分,与网关设计有关,网关软件算法的调度、运算效率会对这两个参数产生影响。

1.3 报文周期调度延时分析

本研究假设网关接收到的都是发送节点周期发送的数据帧。网关在发送端看作一个普通的CAN节点,将报文周期转发到另一总线上。网关节点的路由处理采用时间触发方式。

报文周期调度延时与报文丢失示意图如图2所示。

如图2中实线所示,本研究令某报文在发送端tn时刻发出,忽略报文发送时间τ,则网关节点理论上于tp时刻收到报文。发送触发时刻tm到达时,报文还没有处理完成,因此该报文最快在tm+1时刻发送。这样,基于报文接收周期、路由处理周期以及报文发送周期,从网关接收报文到处理完成后发送的延迟时间为|tm+1-tn|(单位:ms)。

以上分析基于理想情况,即收到的报文能及时得到处理并发送。以下本研究结合实际网络,考虑一种较差的情况,如图2中虚线所示。

发送节点由于优先级调度或数据未更新,节点可能存在消息到达抖动时间,此时[tn,tn+1]周期缩短τ0,则下一帧报文的发送时刻为tn+1-τ0。网关在tp+1时刻处理tn时刻接收的报文,由于发送周期缩短,到tp+2时刻正好来得及处理tn+1-τ0时刻接收的报文。但是tm发送时刻,tn时刻接收的报文还未处理完,因此tm时刻发送的是tn-1时刻接收的报文。而发送端由于优先级排序和等待总线空闲,[tm,tm+1]周期延迟τ1,则当tm+1+τ1发送时刻到达,tn+1-τ0时刻接收的报文处理完成并发送。于是,在tn时刻接收到的报文被覆盖了。从整体网络角度来看,发生了报文丢失。

综合上述分析和影响网关实时性的参数,在实际设计中,为避免报文丢失,网关节点的处理报文的总体时间必须小于接收端报文的最短周期。而在整体CAN网络设计中,接收、网关处理、发送周期应合理设置,避免总线延时增加、报文丢失,损害CAN网络整体的实时性能。

2 CAN网络网关优化设计

本研究中仿真测试的网关软件架构符合OSEK(open systems and their interfaces for the electronics in motor vehicles)系统规范,通过采用嵌入式操作系统,可实现网关任务调度时间最优化,通过应用层调度通信模块(communication module,COM),实现CAN信号收发、转换等路由功能。本研究结合网关信号路由和报文调度两方面提出网关实时性的优化。

2.1 网关信号路由优化

信号在CAN网关中的路由过程如下:系统将待转换的报文从接收缓存区取出,解析并复制到发送报文中,并根据路由表将源ID转换成目标ID,打包成完整报文存入发送缓存队列。

该过程中的延迟时间TGW包括网关查询ID的时间TIDSe arch和信号复制时间TSig Copy,用式(4)[7]表示:

为提高网关路由效率,本研究在网关报文中安排一个信号更新位。该更新位可任意安排在剩余的帧空间。如图3所示的帧,us11、us14、us15分别为信号s11、s14、s15的更新位。信号及其更新位在网络配置数据库文件*.dbc中具体定义。

当信号存在更新位时:更新位为“0”,代表该信号未更新,信号无效;更新位为“1”,执行信号的更新。于是在处理每个帧之前增加了判断更新位的时间TUD-bit:

表面上看,增加了判断更新位的时间TUD-bit后路由时间变长了,但是在网络中信号更新不频繁的情况下,只需判断一次TUD-bit就不需查询网关ID和复制信号,公式(5)变为在总体上缩短了网络运行过程中的TGW时间。

2.2 改进型主从节点报文调度

传统CAN网络的所有的节点平等占有总线资源,因此在以周期性报文为主的网络中,当大量报文同时发送时,会造成网络负载瞬间增加,给系统造成较大的抖动,从而产生较大的时间延迟[8]。

在这种情况下,本研究提出改进型主从节点调度方式,由主节点调度报文控制网络中节点是否参与发送。与传统主从方式不同,改进型主从节点调度方式中从节点可以主动发帧,但需得到主节点的允许。

本研究以网关节点作为主节点,网络中其他节点作为从节点,当从节点想要发送帧时,可以先发送一帧网络唤醒信号,再周期性发送唤醒保持信号,保持唤醒状态。并且,从节点发送网络保持信号时,应该同时发送位更新信号。当主节点收到更新信号,以此来判断该信号是否有效。如果有效,则主节点发送信号进行确认;若无效,则不确认,此时从节点应该停止发帧并进入休眠状态。

网络负载定义为[9]:

式中:n—报文的数目;Ci,Ti—报文的传输时间和周期。

本研究采用以上调度方式,通过主节点灵活地调度报文,减少了特定时刻总线发送的报文数目,有效地降低网络负载或峰值负载,从而减少了可能因总线负载率过大而造成的网络延时。

3 网关实时性仿真测试

3.1 仿真测试环境

为研究以上改进型主从节点调度方式的网关实时性能,本研究参考实车CAN网络系统结构设计的实时性仿真测试网络模型如图4所示。

网关硬件基于S912XET256CAL微处理器系统,支持2路CAN网络接口;软件架构符合OSEK标准,可通过FBL(Flash Boot Loader)软件刷新调度机制更新到系统应用层中。网关内部路由表中的报文按ID递增,网络内部所有网关路由信号都配置更新位。网关软件程序采用C语言编写。

CAN网络及其电控单元采用CETC-Motor公司的总线系统开发工具TELLUS™建模。该工具支持2路CAN总线。

动力网络包括发动机控制单元、ABS(Antilock Braking System)等9个节点,车身网络包括车门控制、空调控制等4个节点。本研究在实验平台中验证网关实时性分析结果和优化调度算法的性能,实验平台如图5所示。

3.2 仿真测试结果与分析

本研究根据以上模型测试网关延迟时间。对于单个报文,其路由过程相对独立,因此本研究挑选若干网关信号进行测试,采用非抢占式多主节点调度方式和改进型主从节点调度方式的信号网关延迟时间对比如表1所示。表1中,传输方向列下的“1”表示CAN1,即动力CAN;“2”表示CAN2,即车身CAN。

由表1可知,采用改进型主从节点调度时信号的网关延时小;且信号数目越多、组成报文信号越长则相应的网关延迟时间越大。减少延迟时间的比例最多达4.6%。在改进型主从节点调度下,报文ID对于网关延迟时间基本没有影响。

本研究采用两种调度方式下动力CAN报文的平均延时和总线负载的关系如图6所示。

从图6中可以看出,随着网络负载增加,网关的延迟时间也增加,但是采用改进型主从节点调度方式的延迟时间要少于传统调度方式,从而验证了改进型主从节点调度方式的优越性。

4 结束语

本研究针对车载网关设计的实时性能要求,在车载CAN网关模型的基础上,对网关信号的路由过程和CAN网络调度方式进行了深入分析,研究了各参数对于延时性能的影响情况;并以该实时性分析结论为指导,提出了一种基于CAN主从节点调度方式的改进型算法。本研究根据该算法设计了网关硬件的嵌入式程序,通过搭建测试平台完成了两种调度方式下的CAN网关延时测试。结果表明,采用改进型主从节点调度算法最多可减少CAN网关延时约达4.6%,改进了实时性能。该方法适用于符合CAN 2.0协议的网关设备,为CAN网关报文的实时性调度提供了一种可行的设计实施方案。

该算法的主要不足在于仅考虑了两个CAN网络互联的网关,对于两个以上网络互联的情况并未涉及。在未来,笔者将进一步针对多条网络交互的CAN网关的实时性能进行改进研究。

摘要：为改进车载网关在实际应用中的实时性能,减少网关延时,将主从节点调度方法引入车载CAN的网关调度中。分析了影响车载CAN网关实时性的因素,根据车载CAN网关的信号路由、报文调度方式和网络负载对网关传输延时的影响,设计了一种基于信号更新位的改进型CAN网络主从节点调度算法;通过使用实际网关硬件和TELLUS汽车网络仿真工具构建了实验平台,并对该调度算法进行了评价。研究结果表明,采用该改进型主从节点调度算法的网关延时最多可以比传统调度方式减少4.6%,可提高车载CAN网关的实时性能。

关键词：车载CAN网关,传输延时,信号更新位,改进型主从节点调度算法

参考文献

[1]张培仁.CAN现场总线监控系统原理和应用设计[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2011.

[2]孔令伟.车载CAN网络的网关设计方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学控制科学与工程系,2008.

[3]SOMMER J,BLIND R.Optimized Resource Dimen-sioning in Embedded CAN-CAN Gateway[C]//International Sympo sium on Industrial Embedded Systems:[s.n.],2007:55-62.

[4]SOMMER J,BURGSTAHLER L,FEIL V.An Analysis of Automotive Multi-Domain CAN systems[C]//The12th EU NICE Open European Summer School,Stuttgart:[s.n.],2006.

[5]NOLTE T,HANSSON H,NORSTROM C.Probabilistic Worst-Case Response-Time Analysis for the Controller Ar ea Network[C]//The9th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications.Symposium:[s.n.],2003:200-207.

[6]Bosch Controller Area Network Version2.0Protocol Stan dard[S].Chicago:Motorala,Inc,1998.

[7]孔令伟,刘志远.基于时滞特性的车载CAN网关分析与设计[J].装备制造技术,2008(6):1-5.

[8]王俊波,胥布工.CAN报文实时性分析及在线评估[J].控制与决策,2007,22(4):448-452.

CAN总线技术及其应用 篇6

CAN的高性能和可靠性已被认同, 并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一, 被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

在北美和西欧西欧, CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线, 并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。

1 CAN 总线技术原理简介

1. 1 CAN 总线的分层结构

CAN协议定义了ISO/OSI参考模型的物理层及数据链路层[1], 如下图所示。

物理层定义信号是如何实际传输, 涉及位定时、位编码/解码、同步的解释。数据链路层包含介质访问控制子层MAC ( Medium Access Control) 和逻辑链路控制子层LLC ( Logical Link Control) 。其中, MAC子层是CAN协议的核心, 负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定, 把接收到的报文提供给LLC子层, 并接受来自LLC子层的报文; LC子层涉及报文滤波、过载通知和恢复管理。

1. 2 CAN 报文格式

CAN总线上的信息以报文的形式进行传输, 报文传输分为四种不同类型的帧: 数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。

数据帧从一个发送器承载数据到一个接收器。根据CAN规范, 有两种数据帧格式: CAN标准帧 (也称为CAN2. 0A, 支持11位长度的标识符) 和CAN扩展帧 (也称为CAN2.0B, 支持29位长度的标识符) 。远程帧是由一个接收CAN节点发送, 用来请求带有远程帧中规定的标识符的数据帧。错误帧将任何总线错误通知其他单元, 在接收到这个帧时发送器会自动进行消息重发。过载帧由一个忙的CAN节点送出, 以请求在前后数据帧之间增加一个额外的延迟。

标准格式的数据帧, 开始是帧起始SOF (Start -Of Frame) ; 其后是11位标识符和远程发送请求位RTR ( Remote Transmission Request) , 这两部分构成了仲裁域; 控制域由6位组成, 它表示了后面数据域中的字节数目; 数据域由数据帧里发送的数据组成可为0~8个字节; 数据域后面是循环冗余码CRC (Cyclic Redundancy Checksum) 域, 它用于接收器检验所接受到的位序列; 两位的应答域ACK (acknowledgment) 用于发送器接收任意接收器所发出的应答; 最后是帧结尾EOF (End-Of -Frame) 它包括7个位。

1. 3 CAN 总线仲裁机制

CAN总线采用显性 (Dominant) 和隐性 (Recessive) 两个互补的逻辑值表示0和1。它采用非归零 (NRZ) 编码, 所有节点以“线与”方式连接至总线。如果存在一个节点向总线传输逻辑0, 则总线呈现逻辑0状态, 而不管有多少个节点在发送逻辑1。CAN网络的所有节点可能试图同时发送, 但其简单的仲裁规则确保仅有一个节点控制总线、并发送信息。

解决总线访问冲突的仲裁规则是通过仲裁每个标识位, 即每个节点都逐位监测总线电平。按照“线与”机制, 即显性状态 ( 逻辑0) 能够改写隐性状态 ( 逻辑1) , 当某个节点失去总线分配竞争时, 则表现为隐性发送和显性观测状态。所有退出竞争的节点成为那些最高优先级信息的接收器, 并且不再试图发送自己的信息, 直至总线再次空闲。

1. 4 CAN 错误检测机制

CAN拥有互补的错误检测机制, 错误漏检的概率几乎为零。它包含有位检查、位填充检查、格式检查、应答检查和循环冗余检查 ( CRC: Cycle Redundancy Check) 五种不同的错误检查方法。

位检查: 发送报文的站观测总线电平并探测发送位和接收位的差异, 在仲裁阶段不进行位检查; 位填充检查: 发送站在发送五个连续相等位后会自动插入一个与之互补的补码位, 接收时这个填充位被自动丢掉。如果在一帧报文中有6个相同位, CAN就知道发生了错误; 格式检查: 这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性, 用于检查格式上的错误; 应答检查: 被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。如果发送站未收到应答, 那么表明接收站发现帧中有错误; 循环冗余 检查 ( CRC) : 在一帧报文中加入冗余检查码, 接收站通过CRC可判断报文是否有错。

2 CAN 总线技术的特点

CAN总线是德国BOSCH公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议, 它是一种多主总线, 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率最高可达1Mbps。

CAN与其他现场总线相比, 具有突出的可靠性、实时性和灵活性, 其技术特点如下:

1CAN从本质上讲是一种多主或对等网络, 网络上任一节点均可主动发送报文。2废除了传统的站地址编码, 而代之以对通信数据进行编码; 通过报文过滤, 可实现点对点、多点播送 ( 传送) 、广播等几种数据传送方式。3采用短帧结构, 传输时间短, 受干扰概率低。4具有多种检错措施及相应的处理功能, 检错效果极好, 处理功能很强, 保证了通信的高可靠性。包括位错误和位填充错误检测、CRC校验、报文格式检查和应答错误检测及相应的错误处理。5通信介质 ( 媒体) 可为双绞线、同轴电缆或光纤, 选择灵活。6总线长度可达10km ( 速率为5kbps及其以下) ; 网络速度可达1Mbps ( 总线长度为40m及其以下) 。7网络上的节点数主要取决于总线驱动电路, 目前可达110个; 标准格式的报文标识符可达2032个, 而扩展格式的报文标识符的个数几乎不受限制。8通过报文标识符来定义节点报文的优先级。对于实时性要求不同的节点报文, 可定义不同级别的优先级, 从而保证高优先级的节点报文得到优先发送。9采用非破坏性逐位仲裁机制来解决总线访问冲突。通过采用这种机制, 即使在网络负载很重时, 也不会出现网络瘫痪现象。10发生严重错误的节点具有自动关闭输出的功能, 以使总线上其他节点的通信能够继续进行。

4 CAN 技术在汽车领域的应用

4. 1 CAN 总线技术的应用

国外知名汽车基本都已经采用了CAN总线技术, 例如林肯、奥迪、宝马等, 而国内汽车品牌, 例如奇瑞等公司也已经有几款车型应用了总线技术。CAN总线技术就是通过遍布车身的传感器, 将汽车的各种行驶数据发送到“总线”上, 在这个信息共享平台上, 凡是需要这些数据的接收端都可以从“总线”上读取需要的信息, 从而使汽车的各个系统协调运作、信息共享、保证车辆安全行驶、舒适和可靠。一般来说, 越高档的车配备的CAN总线数量越多, 价格也越高, 如途安、帕萨特等车型当中都配备了多个CAN总线。

4. 2 汽车 CAN 总线节点 ECU 的硬件设计

汽车CAN总线研发的核心技术就是对带有CAN接口的ECU进行设计, 其中ECU的CAN总线模块由CAN控制器和CAN收发器构成。CAN控制器执行完整的CAN协议, 完成通讯功能, 包括信息缓冲和接收滤波。CAN控制器与物理总线之间需CAN收发器作为接口, 它实现CAN控制器与总线之间逻辑电平信号的转换。

4. 3 CAN 总线在国内自主品牌汽车中的应用

由于受成本控制、技术实力等因素的限制, CAN总线技术一般都出现在国外高端汽车, 在A级及以下级别车型当中, 该项技术大多出现在合资品牌当中, 如POLO、新宝来等。在自主品牌中, 采用CAN总线技术的车型中很少, 风云2则是其中的代表车型。风云2CAN总线技术, 可以实现发动机、变速箱、ABS、车身、仪表及其他控制器的通讯, 做到全车信息及时共享。在风云2的组合仪表盘当中, 阶段里程、未关车门精确显示、安全带未系提醒等20多项信息全部可以显示, 比同级产品增加一倍, 这样增加了驾驶过程中的安全度。

另外, 在CAN总线技术的帮助下, 内部各种传感器实现信息共享后, 大大减少了车体内线束和控制器的接口数量, 避免了过多线束存在的互相干涉、磨损等隐患, 降低了汽车电气系统的故障发生率。打开发动机舱盖, 看到的是清晰简洁的舱内布局。维修方面, CAN总线技术的应用也使得故障排查得到最便利的保证。CAN总线智能管家系统符合欧美OBDII标准法规, 实现了在线诊断的功能。在车辆发生故障后, 各个控制器通过CAN总线智能管家系统存储故障代码, 由专业人员, 通过诊断仪为车辆诊断出各种故障状态, 快速准确地查找到故障点, 第一时间排除故障。利用CAN总线技术实现系统集成的信息传输, 大大提高了各部件的响应速度, 减少了配件磨损发生率, 也相应降低了维修成本; 而且, 先进集成技术的应用, 也大幅提高了车辆自身的科技含量, 增强了产品竞争力。

5 结 论

CAN总线的高性能和可靠性已被认同, 并被广泛应用于工业自动化, 船舶, 医疗设备等方面。该总线控制器和驱动器为硬件基础, 采用了开放式仲裁机制和“隐性”、“显性”位信号差分通信方式, 保证了报文传输的可靠性、准确性、快速性和实时性。因此国外知名汽车基本都已经采用了CAN总线技术。

摘要：CAN是国际上应用最广泛的现场总线之一。本文主要分析了CAN总线的技术特点及其应用趋势, 对CAN总线在汽车领域的应用进行了深入的分析。

关键词：CAN总线,汽车,应用

参考文献

[1]饶运涛, 邹继军.现场总线CAN原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003.

[2]王箴.CAN总线在汽车中应用[N].中国汽车报, 2004.9.20 (28) .

[3]http://www.ca800.com/05/4-11/a5664.asp[EB/OL].

[4]http://wljjiwang.blog.163.com/blog/static/5476251220121110111542832/[EB/OL].

[5]http://www.21ic.com/app/auto/201106/86333.htm[EB/OL].

[6]http://www.docin.com/p-400426481.html[EB/OL].

采煤机CAN总线调速系统 篇7

采煤机CAN总线能将采煤机设备各个单独的功能模块连接起来,进行统一调配,并控制采煤机实际操作情况的速度,避免模块独立运作时不受制约,影响采煤机正常运行。随着我国煤炭等产量的减少,为了满足当下对煤矿产品较大的需要量,在采煤过程中提升开采效率尤为重要,目前对煤炭开采技术的革新与设备结构的优化已成了重要研究的任务之一。采煤机通过采用CAN总线调速系统能实现采煤机设备的智能调速,其能给采煤机带来以下几方面的优势:

1.1 操作简单,使用可靠

CAN总线调速实现采煤机的无线调控操作,采煤机运行环境通常较恶劣,工作人员长期处在这样的条件下会对个人健康不利,但对采煤机的控制又必须执行。利用CAN总线调速将采煤机设备内各结构结合在一起,进行统一的速度控制,使得实际操作采煤机方法更简单,不用考虑或者另外投入过多的人力物力,通过采煤机设备内管理系统智能控制使用也较可靠。

1.2 维修成本低,容易维护

CAN总线调速系统能够保证在采煤机各设备内功能模块单独运行时能正常进行,使每个模块工作效率以及工作速度与实际进程相当,避免有的快有的慢造成整个机器内运作不良。利用统一调速系统,避免模块运行时发生不良状况,也保障了采煤机设备的顺利运行,使得维修过程变得更加简便,只需要对系统调速进行设置即可,有针对性的问题处理与分析也减少了维修成本浪费,具有维修成本低、容易维修的优势。

1.3 牵引功率大,采煤效率高

CAN总线调速系统能给采煤机设备内各功能模块提供较大的牵引功率,通过平均分配与整体控制,将各模块运行功率平均,使采煤机实际运行能充分发挥所被利用的功率,提升工作效率。CAN总线调速根据具体的设备运行情况,结合每个功能模块的工作需求,提供适应的功率,将总的牵引功率按照每个功能模块的结构与要求分成一个个单独的功率,使得采煤机整体在实际操作时具备强有力的大功率,提升采煤效率。

2 传统采煤机调速系统存在的问题

2.1 成本高

目前,采煤机调速系统还存在有成本高、误差大等问题,成本高主要是因为采煤机调速系统所需的结构元件费用较高。我国当下还未开发出来技术层次较高的调速系统设备,大多数都是从国外引进,使得采煤机的制作成本提高。另外,对调速系统也要进行定期维护,防止系统紊乱,在出现意外情况时,要及时进行编程,在这方面也存在一些人力物力的成本费用。

2.2 误差大

传统的采煤机系统由于设备老旧,精准度不高,使得在实际操作中对设备的调速做得不够,容易出现误差较大的情况。另外,误差大的原因还有采煤机设备内各结构制作较为粗糙,也未采用最新型的分功能模块的形式开展运行,导致采煤机本身在操作上就很容易产生问题,只要一处结构有怠慢,那么整个设备运行就会受到影响,对设备的调速也难以做到高度精准。

2.3 测量烦琐

老式的采煤机调速系统未能智能化,为了保证设备正常运行,需要隔一段时间就去检测一次,这会导致测量较烦琐,不仅给人工操作带来麻烦,系统以及设备内各配件使用的太频繁也会影响到采煤机的使用寿命。另外,多次测量会进行多次调速操作,调速过程太多容易损坏设备,设备速度若变动频率较大,很难在今后的实际工作中保持正常的速度运行,速度不正常就需要重复调速,这样恶性循环,会对采煤机造成很大影响。

2.4 不能实时监控

传统的采煤机不能进行实时监控,需要相关技术人员定期去操作,实地去检查,然而采煤机工作环境恶劣,高温、多尘、多灰,长期停留在这种环境内会给工作人员的身体健康带来严重危害。但是这种环境对采煤机运行也会产生不良影响,为了保证设备能够正常运行,避免出现运行障碍,采煤机的实时监控这个部分不能少,因此,现代的采煤机设备内增添了智能化系统,实现了对采煤机的实时监控管理,还节省了一定的人力物力成本,是采煤机设备的一大进步。

3 采煤机CAN总线调速系统

3.1 主控模块

主控模块是采煤机管理系统的主体,连接CAN总线调速口,能对设备中各个功能模块进行管理与控制,是整个CAN总线调速系统的核心部位。对主控模块设计需要注意的地方就是能够提供足够的控制动力实现对其他各个功能模块的管理,以及能够将其他模块的实际操作情况结合起来,进行针对的控制处理,并不影响各个功能模块的正常使用。将主控模块编入进人工操作的系统显示上,让相关工作人员能及时了解设备运行的实时情况及主控模块对其他模块的调速进度。

3.2 数据采集模块

数据采集模块通过通信接口单位连接主控模块,这部分的工作内容主要是将采煤机设备的实际操作情况转化成数据,再将这些数据整理起来,通过系统控制,将数据反映至主控模块中心,供模块分析,再决定是否模块运行状态不佳是否需要调速等。设计数据采集模块这部分结构时需要注意保证其具备较大的数据储存空间,并能够进行自行数据整理。通过把工作情况数据化,为设备智能控制创建一个平台。

3.3 指令执行模块

指令执行模块也是通过通信接口与主控模块相连,此模块的功能主要是传达主控模块的指令,主控模块根据对数据采集信息的分析,针对不同功能模块制定合适的调速方案,再由指令模块执行下去,指令将调速控制传达至每个独立模块,并确保其按照指令进行调速操作。在设计指令模块这部分中需要注意信息传送与接收的敏捷性,要让高敏捷性的结构元件构成此模块,这样才能确保信息发布及时。

3.4 数据显示模块

数据显示模块既与主控模块相连,也与人工控制界面相连,能够通过远程通信将采集到的数据传送至计算机控制中心并显示出来,供相关工作人员参考与管理。数据显示提供给主控模块中心,主控模块根据其进行调速操作,实现CAN总线调速功能。另外,数据显示模块设计时,需注意采用新型的数据整理的结构元件,能智能地对采集到的数据进行处理,再将处理后的数据反映至主控模块,增强主控模块的运行效率。

4 小结

采煤机CAN总线调速系统能实现对设备的实时监控,能够智能地针对实际情况进行相应的调速操作,保证采煤机设备能始终保持在正常的运行速度范围内,不仅有利于延长采煤机设备的使用寿命,还能提升设备仪器的实际操作效率。另外,利用CAN总线模块化的系统控制方式,将整个设备结构分为一个个独立的功能模块,方便了对设备维修与检查,也能使维护的成本降低。在今后的工作研究中,还要深入探究该如何优化采煤机结构的问题,进一步增强采煤机的技术层次,推进我国煤矿产业发展。

参考文献