现场总线技术与军用工程机械装备智能化

作者：解放军理工大学 方虎生 邢建春

欢迎访问e展厅 展厅 5 现场总线/工业以太网展厅 主站板卡, 现场总线适配器, ... 1 军用工程机械装备智能化、信息化体系 军用工程机械装备智能化是指：装备系统可以自动地完成对自身状态的调节、控制、监控与诊断，还可以及时地对外部指令作出响应，并完成一系列的指令动作；军用工程机械装备信息化是指：通过特定的方式将装备系统的静态参数、动态参数变成数字信号传递出去，使得其它系统可以共享该系统的数据以完成对装备系统的检测与控制。图1为典型的军用工程机械装备智能信息化体系的示意图。 我们可以看到，智能信息化军用工程机械装备由两大部分构成：军用工程机械装备本身和外部资源。军用工程机械装备内部通过电子监控、自动控制和故障诊断系统完成对自身的控制、监视和检测。利用GPS设备实现定位，使用通讯接口可以方便地与外部资源连接。外部资源可以是笔记本电脑和手持电脑等便携式设备，以在装备现场完成对装备系统的控制、监视、性能测试与故障诊断。使用军用电话线、民用电话线接入Internet、无线网络等远程通讯设备与装备的通讯接口连接，实现装备系统与远程计算机系统的联网，达到信息共享和远程支持。 2 现场总线技术在智能信息化军用工程机械装备中的应用 2．1 现场总线类型的选取 现场总线技术是指把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通讯息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。 现场总线技术通过将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使测控仪表各自具有了数字计算和数字通讯的能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通讯协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际要求的自动控制系统。 20世纪80年代中期现场总线技术开始在国际上发展起来。从80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势，分别是基金会现场总线、LonWorks现场总线、PROFIBUS总线、CAN总线以及HART通讯协议。近年来，WorldFIP、DeviceNet、ControlNet、M-bus、Mod-bus、LIN等现场总线发展也很迅速。现在，现场总线的应用已经从传统的工业现场覆盖到汽车控制、楼宇自动化、远程抄表、智能交通系统（ITS）等的方方面面。 智能信息化的军用工程机械装备系统中现场总线类型的选取首先要考虑选用的现场总线能否在装备系统中长时间、可靠地稳定工作。军用工程机械装备在运行过程中，发动机点火系统产生的高频电磁干扰非常强烈，因此选用的现场总线应该能抗强电磁干扰，总线通讯采用短帧结构使得每帧数据传输的时间短，受干扰的概率大大降低；总线系统还应有完善的校验措施，保证数据出错率低。军用工程机械装备在工作过程中尤其是控制过程中如发动机的定时注油控制、加速、制动控制（ASC）以及复杂的抗锁定制动系统（ABS）等这些控制都需要检测及交换大量的数据，即多个接点同时向总线发送信息，要求总线冲突的仲裁时间短，且在网络负载很重时，要求不会出现网络瘫痪（Ethernet有可能）的情况。综合以上因素，智能信息化的军用工程机械装备系统中我们选用CAN总线（Controller Area Network）即控制器局域网络，作为系统的现场总线。 2．2 由CAN总线组网的智能信息化军用工程机械装备系统 图2给出了一个由CAN总线组网的功能较为完备的智能信息化军用工程机械装备系统图。该系统由5台嵌入式计算机系统、1台电源管理系统、8个嵌入式控制器、1个行驶信息管理器、1个故障诊断扫描仪、1个电子监控器和多个嵌入式智能传感器组成。嵌入式系统间通过两级CAN总线连接，实现数据与控制指令的交换。系统的电源使用专用汽车电源系统，可以稳定地输出12 V、5 V电压，电源系统实现与外界5 000 V的DC-DC隔离，避免了装备系统受其他电气系统的干扰。装备系统中电源线与CAN双绞线一同布线，实现了军用工程机械装备系统嵌入式设备的通讯与供电。 在实际应用中，我们曾选用PC-104主板作为嵌入式计算机系统的硬件，软件采用实时度很高的WindRiver公司的VxWorks操作系统，利用VxWorks BSP包完成移植。控制器系统的微控制器采用了TI的TMS320LF2407定点DSP芯片，使用源码公开的uc/OS-Ⅱ实时嵌入式操作系统作为嵌入式控制器软件内核。智能传感器的微控制器使用了由TI公司近年推出的专门用于智能传感器领域MSP430系列混合信号MCU，直接用MSP430的专业编程工具IAR C430编写应用程序，用JTAG完成程序下载与调试。 CAN总线组网的智能信息化装备系统有两层网络：传感器层和计算机层。传感器层CAN网络主要是给控制器提供装备系统的压力、温度、进气量、位移等参数，控制器接收到相应的传感器数据后进行运算处理或送交上一级计算机系统处理，控制运算完成后嵌入式控制器根据控制要求发出控制信号控制相应的执行元件实现机械、液压系统的控制。控制层CAN网络一部分用途是给计算机层提供控制模型所需的参数或直接将底层传感器数据传送，以便计算机及时地完成控制模型的运算和控制参数的输出。控制层CAN网络还用于计算机系统实现对装备系统的过程监控、故障诊断。控制层CAN网络实现了装备系统内部的计算机间的通讯，与嵌入式通讯计算机一起实现了军用工程机械装备系统与外部计算机系统的数据通讯，外部计算机系统可以取得传感器层、控制器层、计算机层三层的数据，极大地方便了外部系统不同层次的开发与应用。 CAN总线组网的智能信息化装备系统分为5个部分：传动控制系统、动力控制系统、车身控制系统、电子监控与故障诊断系统、通讯系统。各部分完成的功能和工作原理如下： （1）传动控制系统负责完成发动机输出动力传送过程中动力的分配、调节与控制。传动控制系统根据系统负载的变化精确地控制动力的传动比，以改善发动机的动力性能。同时通过对悬架系统、刹车系统的控制，进一步改善装备系统的行驶特性。传动控制系统由三个子控制系统组成：变速差速控制系统、悬架控制系统、ABS防抱死系统。 （2）动力控制系统主要作用于发动机系统，通过对发动机点火正时、燃油喷射及空燃比等参数的精确控制与调节使发动机工作在最佳的状态，以使发动机获得良好的动力性和燃油利用率。同时动力控制系统根据外界负载的变化自动调节发动机的输出动力，使装备系统的动力得到最佳利用，显著提高系统动力利用率。动力控制系统由电子点火控制系统、电子燃油喷射控制系统和电子功率优化控制系统组成。 （3）由于工程装备系统的电子控制设备的增加，需要一台独立的嵌入式计算机系统来操纵这些设备，车身控制系统完成了装备系统所有电气系统的管理与控制。车身控制系统由电气控制系统、行驶管理信息系统、综合电子仪表系统组成。 （4）电子监控与故障诊断系统由嵌入式电子监控器、嵌入故障诊断扫描仪。系统通过对装备使用过程中重要参数的动态监视、故障码的实时接收、全电子设备的扫描、故障设备的数字波形分析实现装备系统的动态监控与故障诊断。嵌入式电子监控与故障诊断计算机利用嵌入式控制器取得的数据和计算机自带的监控与分析软件实现对复杂故障的识别和定位，并通过CAN将维修方法在综合电子仪表盘上的LCD上显示。 （5）装备系统与外部的通讯必须通过通讯接口实现，以满足不同外设对通讯协议要求。嵌入式通讯计算机已经在内部集成了Modem、以太网网卡，同时还提供了直接挂接数传电台、无线Modem等设备的通讯接口，系统提供了两种外部总线接口RS-485、CAN总线接口。 3 结束语 智能化、信息化是军用工程机械装备的发展方向，将先进的现场总线技术应用到军用工程机械装备中必将使得装备的智能化、信息化更容易实现。本文提出的系统方案集中了我军近年来军用工程机械装备的最新研究成果，系统的总线架构和部分嵌入式计算机、相关控制器以及传感器在我部研制的某型火箭布雷车远程支援系统、某型野战多用途工程车电控系统等项目中已得到运用。 参考文献 1 阳宪惠. 现场总线技术及其应用. 北京：清华大学出版社，1999 2 徐晓光等. 工程机械的智能化趋势与发展对策. 工程机械，2002（6） 3 MSP430x1xx Family User''s Guide, 2003, Texas Instruments 4 Road vehicles-Interchange of digital information Controller area network(CAN) for high-speed communication，ISO 11898, International Standardization Organization， 1993 通信地址：南京市光华门外海福巷一号 解放军理工大学工程兵工程学院全军工程兵模拟训练研究中心（21０００７）(end)

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