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工程機械智能化技術及應用

畢業(yè)設計的課題，需求相關資料: 問提問者：網友 | 2017-06-23

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摘要：對工程機械智能化的問題進行了分析。關鍵詞：工程機械；智能化；探討前言隨著計算機技術、通訊技術、集成電路技術的飛速發(fā)展，以全數字式現場總線技術為代表現場控制儀表、設備大量應用，使得傳統(tǒng)的現場控制技術及現場控制設備發(fā)生了巨大的變化。繁瑣的現場連線被單一、簡潔的現場總線網絡所替代，系統(tǒng)設計靈活、設備維護簡單，信號傳輸質量也大幅提高。電子技術的飛速發(fā)展及在工程機械上的廣泛應用，使得工程機械的智能化程度越來越高，特別是在控制器技術被引入工程機械控制領域后，給工程機械的發(fā)展帶來了劃時代的變化，工程機械的操作便利性、安全性、燃油經濟性都得到了大幅提高。然而，電子設備的大量使用，必然導致車身布線越來越長愈來愈復雜，運行可靠性降低、故障維修難度增大，特別是電子控制單元的大量引入，為了提高信號的利用率，要求人批的數據信息能在不同的控制單元中共享，大量的控制信號也需要實時交換，傳統(tǒng)線束已遠遠不能滿足這種需求。在這種情況下，將串行通訊總線系統(tǒng)引入可以有效解決上述問題。基于上述原因，博世公司開發(fā)了控制器局域網（CAN），并獲得了國際標準化組織的認可及許多半導體器件制造商、網絡系統(tǒng)開發(fā)商的支持。現在它已經被廣泛地應用于汽車、工程機械和工業(yè)現場控制，實踐證明CAN網絡是一種性能優(yōu)異的現場網絡。 CAN總線技術的引入徹底改變了工程機械控制領域的面貌，分布式控制系統(tǒng)完全取代了集中式控制系統(tǒng)，在眾多具有CAN功能的控制器、傳感器和執(zhí)行器的支持下，繁瑣的現場連線被單一、簡潔的現場總線網絡所替代，系統(tǒng)設計更加靈活、信號傳輸質量也大幅提高。眾多的國際知名公司早在20世紀80年代初就積極致力于工程機械及汽車局域網的應用及研究。進入90年代，這些曰趨成熟的技術在國外已廣泛地應用于工程機械領域。為縮短與國際先進水平的差距，研究和開發(fā)自己的工程機械局域網系統(tǒng)勢在必行。 1 CAN的技術特征 1.1 CAN的物理特性（1）拓撲結構　CAN在物理結構上屬于總線式通信網絡。（2）機械參數及傳輸介質　模塊通過一個9針的D型插頭連接到CAN總線上?？偩€采用屏蔽的或非屏蔽的雙絞線，用光纖更佳。（3）電氣參數及信號表示　總線上的數據采用不歸零編碼方式（NRZ），可具有兩種互補的邏輯值之一：顯性及隱性。CAN總線中各節(jié)點使用相同的位速率。它的每位時間由同步段、傳播段、相位緩沖段1及相位緩沖段2組成。發(fā)送器在同步段前改變輸出的位數值，接受器在兩個相位緩沖段間采樣輸入位值，而兩個相位緩沖段長度可自由調節(jié)，以保證采樣的可靠性。另外，CAN總線采用時鐘同步技術來保證通訊的同步。 1.2 CAN協議 CAN總線以報文為單位進行信息交換，報文中含有標示符（ID），它既描述了數據的含義又表明了報文的優(yōu)先權。CAN總線上的各個協點都可主動發(fā)送數據。當同時有兩個或兩個以上的節(jié)點發(fā)送報文時，CAN控制器采用ID進行仲裁。ID控制節(jié)點對總線的訪問。發(fā)送具有最高優(yōu)先權報文的節(jié)點獲得總線的使用權，其他節(jié)點自動停止發(fā)送，總線空閑后，這些節(jié)點將自動重發(fā)報文。（1）CAN協議　分層結構CAN總線規(guī)范規(guī)定了任意兩個節(jié)點之間的兼容性。包括電氣特件利數據解釋協議。 CAN協議可分為：目標層、傳送層、物理層。其中目標層和傳送層包括了ISO/OSI定義的數據鏈路的所有功能。目標層的功能包括：確認要發(fā)送的信息；位應用層提供接口。傳送層功能包括：數據幀組織：總線仲裁：檢錯、錯誤報告、錯誤處理。（2） CAN通信協議　CAN支持四類信息幀類型。 a.數據幀。CAN協議有兩種數據幀類型標準2.0A和標準2.0B。兩者本質的不同在于ID的長度不同。在2.0A類型中，ID的長度為11位；在2.0B類型中ID為29位。一個信息震中包括7個主要的域：幀起始域——標志數據幀的開始，由一個顯性位組成。仲裁域——內容由標示符和遠程傳輸請求位（RTR）組成，RTR用以表明此信息幀是數據幀還是不包含任何數據的遠地請求幀。當2.0A的數據幀和2.0B的數據幀必須在同一條總線上傳輸時，首先判斷其優(yōu)先權，如果ID相同，則非擴展數據幀的優(yōu)先權高于擴展數據幀。控制域——r0、r1是保留位，作為擴展位，DLC表示一幀中數據字節(jié)的數目。數據域——包含0～8字節(jié)的數據。校驗域——檢驗位錯用的循環(huán)冗余校驗域，共15位。應答域——包括應答位和應答分隔符。正確接收到有效報文的接收站在應答期間將總線值為顯性電平。幀結束——由七位隱性電平組成。 b.遠程幀。接受數據的節(jié)點可通過發(fā)遠程幀請求源節(jié)點發(fā)送數據。它由6個域組成：幀起始、仲裁域、控制域、校驗域、應答域、幀結束。 c.錯誤指示幀。由錯誤標志和錯誤分界兩個域組成。接收節(jié)點發(fā)現總線上的報文有誤時，將自動發(fā)出“活動錯誤標志”其他節(jié)點檢測到活動錯誤標志后發(fā)送“錯誤認可標志”。 d.超載幀。由超載標志和超載分隔符組成。超載幀只能在一個幀結束后開始。當接收方接收下一幀之前，需要過多的時間處理當前的數據，或在幀問空隙域檢測到顯性電平時，則導致發(fā)送超載幀。 e.幀間空隙。位于數據幀和遠地幀與前面的信息幀之間，由幀間空隙和總線空閑狀態(tài)組成。幀間空隙是必要的，在此期間，CAN不進行新的幀發(fā)送，為的是CAN控制器在下次信息傳遞前有時間進行內部處理操作。當總線空閑時CAN控制器方可發(fā)送數據。（3）錯誤檢驗。為了提高抗干擾能力和數據的可靠性，采取了多種錯誤檢測手段：發(fā)送監(jiān)視、填充監(jiān)視、CRC錯、格式錯、應答錯誤等。（4）總線訪問控制要做到數據的實時處理，數據的高速傳輸是關鍵。對于工程機械中的具體節(jié)點而言，不僅需要高達 1Mbit/s的通信速率，更需要在幾個節(jié)點要競爭訪問總線時正確定位哪個節(jié)點獲得使用權?？偩€上的各種數據的延遲要求是不一樣的，快速變化的物理量（如發(fā)送機的轉速、路面的隨機波動信號等）比慢時變的物理量（如溫度、壓力等信號）要求訪問總線的頻率大的多。當多個節(jié)點同時需要訪問總線時，CAN控制器通過各種報文被賦予的優(yōu)先權標示符及ID數的大小來仲裁誰先發(fā)送。 1.3 CAN總線技術的應用特點（1）CAN網絡上任何一節(jié)點均可作為主結點主動地與其他節(jié)點交換數據，大大提高系統(tǒng)的性能。（2）CAN網絡節(jié)點的信息幀可分出優(yōu)先級，且單幀字節(jié)長度短，有很好的實時性。（3）CAN的物理層及數據鏈路層采用獨特的設計技術，使其在抗干擾，錯誤監(jiān)測能力等方面的性能均超過其他總線。（4）CAN的通信速率相當高。當網絡線的長度不超過40米時，其通信速率可達1Mbit/s。（5）CAN總線每幀數據都含有CRC校驗及其他校驗措施，數據出錯率低。（6）CAN總線節(jié)點在嚴重錯誤的情況下，可自動切斷與總線的通信聯系，以使總線上的其他操作不受影響。 2 CAN在工程機械中的應用 CAN由于具有良好的運行特性、極高的可靠性和獨特的設計，不但特別適合現代工程機械及汽車各電子單元之間的互連通訊，而且日益受到其他業(yè)界的歡迎，并被公認為最有發(fā)展前途的現場總線之一。在眾多半導體廠商的支持下，國際上一些著名的工程機械大公司如CAT、VOLVO、利勃海爾等都在自己的產品上廣泛采用CAN總線技術來提高產品的技術檔次及可靠性。下面就CAN總線在半主動油氣懸架加以說明。在工程機械半主動變阻尼油氣懸架控制中，利用CAN網絡作為懸架之間交換信息的通道，變集中控制為分布式控制，大大地簡化了線束及器件的布置，提高了可靠性。4個節(jié)點的優(yōu)先權按降序排列依次為：右前輪——左前輪——右后輪——左后輪。數據幀包含三字節(jié)數據，其中兩個字節(jié)為非懸架質量加速度，一個字節(jié)為可調阻尼器的相對開度值。通訊速率為300kbit/s。實際應用結果表明網絡運行良好，懸架的減震達到預期要求，而且在諸如啟動、急剎車、急轉彎等特殊工況下，通過網絡的合理調度，提高了車輛的抗俯仰、側傾的能力，改善了操縱的穩(wěn)定性。結束語隨著電子技術和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，網絡控制芯片性能逐步提高，體積逐步減小，價格進一步降低，為工程機械局域網技術的普及推廣創(chuàng)造了良好的條件。智能芯片價格的下降使得工程機械局域網的成本相差無幾，性能成為影響網絡選擇的主要因素。CAN以其優(yōu)異的品質具有明顯的優(yōu)勢，越發(fā)受到業(yè)界的歡迎。CAN總線在工程機械上的廣泛應用將使工程機械的控制性能、動力性、操縱穩(wěn)定性、安全性、燃油經濟性都上升到一個新的高度，給工程機械技術的發(fā)展注入新的活力。: 回答者：網友

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