基于CAN总线技术的电液式阀门控制器设计.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAULI CS J u 1 ． 2 0 1 0 V0 1 ． 3 8 No ． 1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 4 ． 0 2 8 基于 C A N总线技术的电液式阀门控制器设计 张培建 ， 杜文静 ，盛巍巍 ， 吴建 国 南通大学电气工程学院，江苏南通 2 2 6 0 1 9 摘要介绍电液式阀门的工作原理以及在船舶实际使用中存在的问题 ，设计了基于 C A N总线技术的阀门控制器。该阀 门控制器采用 P 8 7 C 5 5 2单片机，通过 S J A1 0 0 0实现 C A N总线的功能。它接受上位机的控制信号，控制执行机构中电机正反 转，实现对电液式阀门的开肩与关闭控制，同时实时采集电机的电流信号和阀门的位置信号。所有的信息均通过 C A N总线 反馈给上位机。基于 C A N总线技术的智能电液阀门控制系统与传统的电液阀门控制系统相比，可以避免阀门的布线问题。 关键词阀门；单片机；霍尔传感器；C A N总线；S J A 1 0 0 0 中图分 类号 T M 5 7 1 ． 4；T P 3 3 6 文献标识码 B 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 4 0 8 4 3 The De s i g n o f El e c t r o Hy dr a u l i c Va l v e Co n t r o l l e r Ba s e d o n CAN Bus Z H A N G P e i j i a n ，D U We n j i n g ，S H E N G We i w e i ，WU J i a n g u o S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，N a n t o n g U n i v e r s i t y ，N a n t o n g J i a n g s u 2 2 6 0 1 9 ，C h i n a Abs t r a c t Th e p r i nc i p l e o f e l e c t r o hy dr a ul i e v a l v e wa s a n a l y z e d， a n d t h e pr o bl e ms i n p r a c t i c al us e i n s h i ps we r e p r e s e n t e d ． A n e w c o n t r o l s y s t e m o f e l e c t r o h y d r a u l i c v a l v e b a s e d o n C AN b u s w a s i n t r o d u c e d ． T h e v a l v e c o n t r o l l e r w a s d e s i g n e d b a s e d o n C AN b u s ． MC U o f P h i l i p s 8 7 C 5 5 2 a n d S J A1 0 0 0 w e r e u s e d t o a c h i e v e s i g n a l c o mmu n i c a t i o n ． T h e v a l v e c o n t r o l l e r r e c e i v e d t h e c o n t r o l s i g n a l s f r o m h o s t c o mp u t e r t o c o n t r o l p o s i t i v e a n d n e g a t i v e r o t a t i o n o f t h e mo t o r i n t h e e x e c u t i v e b o d y a n d t h e s t a r t u p a n d s h u t d o wn o f v alv e c o u l d b e r e a l i z e d ． S i mu l t a n e o u s l y，t h e c u r r e n t s i g n a l o f t h e mo t o r a n d p o s i t i o n s i g n a l o f t h e v a l v e w e r e c o l l e c t e d ． Al l o f t h e s i g n a l s w e r e f e d b a c k t o h o s t c o mpu t e r by CAN b u s ． Co mp a r e d wi t h t he t r a d i t i o n a l e l e c t r o h y d r a u l i c v a l v e c o n t r o l s y s t e m ，t h i s n e w c o n t r o l s y s t e m c an a v o i d wi r i n g． Ke y wo r d s V a l v e ；MCU；Ha l l s e n s o r ；C AN b u s ；S J A1 0 0 0 与传统的液压驱 动式 阀门相 比，电液式 阀门可以 减少油路管的使用 ，节省船体空间。但电液式阀门仍 需采用一对一的控制方式 ，对于每一 只阀门，均需提 供对应的开启 、关 闭控制信号。另外 ，电液式阀门控 制头 中，通常具有单相或三相的交流 电机 ，因此需要 对其提供电源。除此之外，通常需要对阀门开度、电 机的运行电流等参数进行检测，这些信号的输出也需 若干根信号线 。这样 ，尽管 比起液压驱动式阀门 ，电 液式阀门具有很大 的优点 ，但它本身也需多根信号线 与电源线 。每艘船 只需要 阀 门数量 巨大 ，而且这 些 阀门分 布在船体的各 个位置 ，因此 ，阀门的布线与故 障维护都 比较 困难。 1 基于 C A N总线的电液式船用阀门控制系统 鉴于电液式阀门存在的缺陷，人们开始研究基于 现场总线技术的船用 阀门控制系统 。作 者着重介绍基 于 C A N总线 的智 能型 电液 式 阀门控 制 系统 的构 成 ， 以及基于 C A N总线 的智能型电液式 阀门控制 器设 计。 C A N总线是德国B o s c h公司为汽车电气控制系统开发 的一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网 络。其具体特性如下 1 C A N可 以多主 方式 工作 ，网络上 任意一 个 节点均可 以在任意时刻主动地 向网络上的其他节点发 送信息 ，而不分主从 ，通信方式灵活。 2 C A N网络上 的节点 信 息 可分 成不 同的 优先级，满足不同的实时要求。当两个节点同时向网 络传送信息时 ，优先 级低 的节 点主动停 止数据发 送 ， 而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，大大 节省 了总线冲突裁决 时间；最重要的是在 网络负载很 重 的情况下 ，也不会 出现 网络瘫痪 的情况 。 3 C A N可以点对 点 、一点对 多点 成组 及 全局广播 几种传 送方 式接 收数 据。C A N采用短 帧结 构 ，每一帧的有效 字节数 为 8个 ，这样传 输时 间短 ， 受干扰的概率低，且具有极好的检错效果。 4 C A N的直接通信距离最远可达 1 0 k m 速 率5 k B ／ s 以下 。C A N的通信速率最高可达 1 M B ／ s 此时距 离最 长 4 0 m 。C A N上 的 节 点数 实 际 可达 1 1 0个 。 5 C A N每帧信息都有 C R C校验及其他检错措 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 9 基金项 目南通大学 自然科学基金资助 0 9 Z H 0 0 2 作者简介 张培建 1 9 5 5 一 ，女 ，硕士 ，副教授 ，从事先进控制技术的研究 。Em a i l z h a n g ． p j n t u ． e d u ． e n 。 第 1 4期 张培建 等基于 C A N总线技术的电液式阀门控制器设计 8 5 施，保证了数据出错率极低。 6 通信介质既可以采用廉价的双绞线 ，也可 以采用 同轴 电缆或光纤。 7 C A N节点在错误 严 重 的情 况 下 ，具 有 自动 关 闭总线 的功能 ，切 断它与总线的联系 ，以使总线上 的其他操作不受影响。 基于 C A N总线 技 术 的 电液式 阀 门控 制 系统 由主节 点 与 n个 下层 节 点 构 成 ，如 图 1所 示。 这 里 ，每 个 阀门控制 器 均 为 C A N 图 1 基于 C A N总线的电液 式船用 阀门控制系统 总线的一个节点 。在这个控 制系统 中，上位机可以实 现对任意 阀门的 开启与 关 闭控制 ；同时 ，利用 C A N 总线强大的通信功能，各阀门的位置、电流大小等信 息，可以实时传输到上位机。与传统的电液式阀门控 制系统相 比，基于总线技术 的控制系统的布线将 十分 简单 。 2电液式阀门简介 电液式阀门主要 由执 行机构与蝶 阀组成 ，如 图 2 所 示。执 行机 构包 含 了 电动机 、液压 泵 、双液控 单 向阀 、液压 缸 、溢流 阀 等 。当电机 正转时 ，液 流从双液控单 向阀 A腔正 向流入 ，负向流出 ，流进 液压缸的 A腔使液压缸的 驱动头向左推 动 ，带 动蝶 阀旋转开启 。当电机反 转 摇 泵 图 2 电液式阀门原 理图 时，相同的原理使液压缸的驱动头向右推动，带动蝶 阀旋转关闭 。当蝶阀开启 到最大位 置 9 0 。 或关闭 到闭合位置时，液压缸 A腔 或 B腔油液满，使 溢流 阀压力变大 ，阀芯位置变化 ，油液排 回油箱 。此 时 ，电机处 于堵转状态 ，电机电流迅速增大 。与 以往 的液压式阀门相 比，总 的液压缸分解成一个个独立的 液压缸 ，驱 动头所需 的油压可就地解决 ，省去 了原先 通过长距 离传送油压 的油管。 3基于 C A N总线的电液式阀门控制器设计 电液式 阀门控 制器可 以看作 C A N总线 系统 中的 一 个 智能节点 。它 主要 由总 线 收发器 、C A N通 信控 制器、微处理器、阀门驱动电路等组成 ，见图 3 。阀 门控 制器 的功 能 主要为 接受 控制 台 上位 机 的 操作命令 ，控制执行机构 中的电机正转或反转 ，从 而 使对应的液压缸产生所要求的油压 ；检测电机的电 流 ，防止电机因堵转而过流 ；检测阀门的开度 ；另外 腿 一 足电液式 阀门控制的要求。控制器的硬件结构如图 4 。 r _ 1 1 调 试 接 口 爿亘 至 服 电 复 位 电 路 目 爿亘叵堕 动 机 P 8 7 C 5 5 2 一 堡 旦 匝 单 片机 l时钟电 路 } 内 置 看门 狗 及 A ／ D 转换 I 直 流稳 压电 源 L E D 显示I 图4 控制器结构图 电机 电流检测 电路选用北 京森社 C H B - 2 5 N P霍尔 型电流互感器对 电机 电流进行检测。选用霍尔型电流 互感器的优点是不与被测电路发生电接触 ，不影响被 测电路 ，不消耗被测电源的功率。电机 电流经过霍尔 型电流互感器及电流电压 ／ ／ V 转换电路转换成电 压信号 ，输入到单片机 A ／ D转换 器的输入 口。 8 6 机床与液压 第 3 8卷 阀门的位 置测 量可 以反 映 阀 门的实 际开度 。这 里，选用 A M E B O O 2型的角度传感器，它具有非接触 位置检测功 能。对 于模拟量 输 出类 型 ，0～3 6 0 。 对 应 的直流电压值为 0 ． 5～ 4 ． 5 V 。该电压值可直接接在 单片机 的 A ／ D输入端。 4 基于 S J A 1 0 0 0的 C A N总线节点实现 S J A I O 0 0作为 C A N控 制器 ，主 要 由 C A N核心模 块 、接 口管理 逻辑 、发送 缓 冲区 、接受 F I F O、验收 滤波器等几部分组成，其硬件结构框图如图5所示。 CAN总线 微 处 理 器 一篓 J管理J J核心J I J墨 潞二兰l1器 图5 S J AI O 0 0硬件结构框图 S J A I O 0 0的C A N核心模块负责 C A N信息帧的收 发和 C A N协议 的实现；接 口管理逻辑负责与微处理 器的接 口，其 寄存器可 由微处理器访 问；发送缓冲区 可存储一个长度为 1 3位的信息帧，微处理器可将待 发送的标识符和数据直接送人发送缓冲区，然后通过 对命令寄存器 C M R中发送请求 位 T R置位，启动 C A N核心模块 自行将 发送缓 冲 区 中的数据读 出，并 按 C A N协议装配成完整的 C A N信息帧，通过收发器 发往总线 。 同样 ，总线接收到上位机发来的信息，首先通过 验收滤波器过滤 ，无差错的信息帧被送人接收 F I F O 缓冲区，同时将状态标志 S R ． 0置位，表明接收 F I F O 缓冲区中已有成功接收的信息帧 。 为 了提高抗干扰 的能力 ，C A N控 制器和 C A N收 发器之 问加入 了使 用高速 光 电隔离 器件 6 N 1 3 7构成 的隔离 电路 。总线两端两个 1 2 0 n 的电阻 ，对于匹配 总线阻扰，起着相当重要的作用。忽略掉它们，会使 数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低 ，甚至无法通 信 。 要注意 的是 ，对 S J A I O 0 0的初 始 化很 重 要 。对 S J A 1 0 0 0的初始化 实际上就是 对 A C R 、A M R、B T R O 、 B T R 1 和 O C R这些寄存器进行访问，只有当控制寄存 器 C R中的复位请求位为高时访问才被允许，否则既 写不进 去 ，也读不出正确 的 内容。对 C R进行 第一次 写操作是要设定将要开放的中断类型，并置位复位请 求，允许初始化开始。这里假设 S J A 1 0 0 0的首地址为 8 0 0 0H。 I NCL UDE “ S J AI O 0 0 ． AS M’ ’ C R e q u 8 0 0 0 H；控制寄存器 C M R e q u 8 0 0 1 H；命令寄存器 S R e q u 8 0 0 2H； I R e q u 8 0 0 3H； ACR e q u 8 0 0 4H； AMR e q u 8 0 0 5H BTR O e q u 8 0 0 6H； BT R1 e q u 8 0 0 7 H ； OC R e q u 8 0 0 8 H ； I NI T DI 状态寄存器 中断寄存器 验收码寄存器 验收屏蔽寄存器 总线定时寄存器 0 总线定时寄存器 1 输 出控制寄存器 L DB CL． l BH S T B C L ，C R；开放 接 收 、出错 、超 载 中断 ，并 置复位方式 L D B C L ， O 2 H；复位请求，以开始初始化 S TB CL，ACR L DB CL， OF DH S T B C L ，A M R；验收滤 波 L DB CL．加 0H S TB CL．BT R0 L DB C L，1 4 H S T B C L ，B T R 1 ；确定波特率 L D B C L ， O A A H；采样点位置及采样次数 S T B C L ，O C R；选择输 出方式 ，建立输 出驱动器 的配置 S T B C L ，C R；初始化结束，返回其正常运行状 态 LDB CL． 1 AH EI 5 结束语 C A N总线以其高性能、高可靠性及其独特的设 计越来越受到人们的重视。基于 C A N总线技术构成 电液式阀门控制系统，通过总线技术把船上的有关阀 门控制器联在一起 ，实现对这些 阀门的有效摔制 ，避 免传统船用阀门所存在的消耗大量铜油管的问题；同 时，阀门控制器所实时采集的信息 ，也可以通过总线 送 至上位机 。显然 ，这类控制系统的性能价格比比较 高。 参考文献 【 1 】 杜洪亮． 基于 C A N总线的大型远程监控网络设计[ D ] ． 合肥 中国科技大学， 2 0 0 9 ． 5 ． 【 2 】阳宪惠． 现场总线技术及其应用[ M] ． 北京 清华大学出 版社 ， 2 0 0 8 ． 【 3 】 李占平． 智能电液阀门执行机构控制器的研究[ D ] ． 淮 南 安徽理工大学， 2 0 0 5 ． 5 ． 【 4 】张绍忠， 王辉． 基于 S J A 1 0 0 0的 C A N总线智能节点实现 [ J ] ． 电子技术应用， 2 0 0 6 8 2 2 2 5 ． 【 5 】周正干， 严斌， 安振刚． 基于 C A N总线的阀门智能控制 网络[ J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 0 4， 2 5 5 7 9 ．