工程机械嵌入式智能管控平台构设与实现

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1、 工程机械嵌入式智能管控平台构设与实现 第 1 章绪论1.1 研究背景与意义近些年，随着我国对基础建设（高速公路、高铁、隧道）投入的 不断增大，工程机械作为基础建设的主力军，其行业得到了飞速发 展，并且国外一些发展中国家也在不断加大对基础建设的投入，这 为我国工程机械走向海外市场提供了良好的机遇。据了解，国内几 家工程机械巨头在近几年得到了飞速发展，例如，徐工集团在 2010 年实现了销售收入 660.0 亿元，相比 09 年增长 154.9 亿元。三一重 工和中联重科在 2010 年分别实现销售收入 502 亿元、508.58 亿元， 相比 09 年分别增长了 196 亿元、171.52 亿

2、元。虽然这些企业发 展较快，但自身还存在一些不足，例如在工程机械控制领域相对国 外还比较落后，大多依赖于进口；对研发的重视度不够高，很多部 件外包给其他公司开发2，3;技术研发相对国外起步较晚，因此技 术积累较少。随着工程机械工况越加复杂，市场竞争越趋激烈，工 程机械对控制系统的控制精度和智能化要求在不断提高。国外在工 程机械控制领域做了很多研究，例如在状态监测、故障诊断、发动 机控制、人机交互智能化等方面的研究4；并研发出了各种智能化 工程机械控制器，例如德国力士乐的 MC 系列控制器，德国西门子 的 S7-200 系列控制器，芬兰 EPEC 的 ENEC2000 系列控制器等5。目前国内工

3、程机械控制器市场几乎被国外一些厂商垄断，而国外 的控制器大部分是釆用传统的 PLC 技术，其数据处理能力差、性价 比低、硬件体系结构不开放、响应速度慢、网络通信能力有限，因 此市场的占有率呈现下降趋势。而以 ARM、DSP 等为内核的微处理 器（MPU)或微控制器（MCU)凭借越来越强的数据处理能力、强大 的网络通信能力、高度集成的外围电路、强抗千扰能力及高性价比， 它们在工程机械控制领域得到越来越多的应用。但从目前国内外使 用的 MPU/MCU 开发的嵌入式控制器来看，大多停留在 8、16 位机 水平6,其数据处理能力有限、响应速度慢，因此难以满足对智能化 及精度越来越高的工程机械控制系统要

4、求。为了扭转工程机械控制 器被国外垄断的局面以及满足当前工程机械控制系统对智能化、控 制精度越来越高的要求，本课题设计了一种工程机械专用控制平台， 控制平台包括人机交互和监控模块两部分。控制平台采用两级处理 器结构，即人机交互的 C8051F040,监控模块的 STM32F103ZE,两者 通过 CAN 总线形成一个局域网，这样不仅可以提高控制平台的处理 能力，还使控制平台具有很好的可扩展性。人机交互平台实现操作人员与监控模块的信息交互，监控模块实现机器的运动控制及运行 状态监测，通过在操作系统上修改应用程序即可实现在不同类型工 程机械上的应用。本课题研究将对我国工程机械智能化提高产生一 定的

5、影响，也将为企业带来很大的经济效益。1.2 国内外研究现状工程机械控制器属于运动控制器的一种，运动控制器经历了分立 电子器件、集成电路和现在的微控制器时代。微控制器的出现使运 动控制器得到了飞速的发展，也使运动控制系统进入了数字化控制 时代8。基于模拟电路的控制器。早期以运算放大器等为核心，通 过模拟电路硬接线方式组成9，1G。这种控制方式的优点是：对于 实时输入信号，只有硬件的微小延时，因此响应速度快。但缺点较 多，如：环境对控制系统影响较大，器件老化后性能会明显下降;系 统器件多、接线复杂、可靠性低，很难实现高精度、运算量大的复 杂控制算法；系统通用性差，因此模拟电路控制方式只能在一些简

6、单运动控制使用11。早期的工程机械控制器釆用了这种方式进行 开发，由于接线复杂、可靠性低、无法实现复杂运算，目前已经被 淘汰。基于微 MPU/MCU 的控制器，其特点是：高度集成、强抗干 扰、高速、功耗低、价格低廉等等因此目前微控制器被广泛应用在 运动控制中，它的优点是：控制逻辑由软硬件结合实现，因此既可 以兼顾价格优势和性能要求；大容量的存储器和较强的逻辑运算能 力，使其可以进行较复杂的控制算法；通用性较好，因为其控制逻 辑通过软件硬件结合实现，修改相应软件即可实现在不同场合的应 用；大部分运动控制系统外围电路已经被集成到微控制器上，如 PWM 控制器、ADC、DAC、脉冲输入、捕捉等等，使

7、得外围电路 设计变得简单化，可靠性也得到了提高。但是目前很大一部分微控 制器还采用冯-诺依曼总线结构，因此其处理能力对复杂计算还有一 定的限制所以选用不同的微控制器既可用在简单的运动控制系统中 也有用在复杂运动控制系统中。目前有部分工程机械专用控制器采 用了高性能 MPU/MCU 进行开发，但还没有形成一种通用的工程机 械控制平台。基于可编程控制器（PLC)，它是以微处理器为核心， 专门为工业环境下应用而设计的一种控制器相比早期的控制器，它 的优点是：高可靠性、强抗干扰能力、体积小、成本低、较强的通 用性及较短的开发周期但是 PLC 是?以循环扫描方式进行工作的， 一个状态量的变化至少需要一个

8、扫描周期时间，其扫描周期由程序 大小决定，因此其响应速度慢，所以难以实现复杂控制的实时性， 只能应用在较简单的运动控制中。目前工程机械主要是以 PLC 控制为主，因此难以满足目前工程机械对智能化及控制精度要求。第 2 章嵌入式智能控制平台总体设计工程机械包括摊铺机、挖掘机、起重机、塔机等等，其功能各异， 因此对控制系统硬件功能需求不一样。本课题目的是研究一种能适 用于多种工程机械的控制平台，因此必须对其功能需求进行详细分 析，从而设计一种在功能上、性能上都能覆盖绝大部分工程机械要 求的控制系统的方案。本章首先对目前工程机械控制系统存在的问 题、功能需求及性能要求做较详细的分析，然后对控制平台做

9、一个 总体方案设计。2. 1 控制平台功能需求分析人机交互平台的任务是实现人与监控模块的信息交换。从目前的 工程机械分析，人机交互必须具备以下功能：1、系统自动报警功能。工程机械工作环境恶劣，长时间作业难 以保证正常运行。传统的控制系统是凭借经验或机器出现误动作后 作判断，这样可能造成严重的后果。因此智能型的控制系统必须由 监控模块实时监测机器运行状态，实时地将异常情况，通过 CAN 总 线上报人机交互平台向操作者报警。2、友好的可视化人机交互界面。人机交互界面主要是对工程机 械工作状态(运行时间、油量、故障等）、重要数据（模拟量输入输 出、数字量输入输出）进行实时显示41。由于工程机械一般工

10、作 在户外，其光照强度大、工作温度范围广，而人机交互界面可视化 程度受光强和温度影响较大，因此人机交互界面必须具备对比度可 调功能，并且尽量选择受光强及温度影响较小的 LCD 屏。3、可靠的 CAN 通信电路。目前工程机械控制系统各个模块都是 通过 CAN 总线连为一个整体 CAN 通信是通过差分信号传输，其抗 干扰能力强，通信速率高，因此工业现场运动控制系统一般都采用 CAN 通信方式。第 3 章 基于 CAN 总线人机交互平台设计.22-323.1 CAN 通信协议设计. 22-233.2 LCD 驱动设计. 23-273.3 应用软件设计. 27-293.4 可靠性设计. 29-313.

11、4.1 防水及高低温设计. 293.4.2 系统 EMI 分析. 293.4.3 系统 EMC 设计. 29-303.4.4 快速脉冲群实验 .30-313.5 本章小结. 31-32第 4 章 基于 ARM 的监控模块设计.32-474.1 系统关键技术点与难点 .32-334.2 系统电源设计 .33-344.3 模拟量输入模块 .34-364.3.1 采样前端电路设计. 34-354.3.2 放大及 AD 转换电路设计 .35-364.4 数字量输入输出模块 .36-404.5 CAN 通信电路设计 .40-414.6 实时操作系统(RTOS)平台的建立. 41-454.7 可靠性设计.

12、 454.8 本章小结. 45-47第 5 章 控制平台电路仿真与性能测试. 47-585.1 电路仿真分析. 47-505.2 系统测试 .50-535.2.1 人机交互各功能模块测试. 50-515.2.2 监控模块各功能模块测试 .51-535.3 控制平台在摊铺机行驶控制中的应用. 53-575.4 本章小结. 57-58结论本课题设计了一种工程机械控制平台，包括人机交互平台和监控 模块两部分。两者采用了独立的处理器进行设计，并通过 CAN 总线 形成一个局域网，因此可以在 CAN 总线上扩展其他功能模块。本课 题所做的主要工作如下：1、人机交互平台设计。本课题采用 C8051F040

13、 作为处理器，带 控制的单色 LCD 屏（LM2088ECW)进行图形显示，并设计了报警、 CAN 通信、对比度控制等电路，实现了人机交互平台的硬件设计。 考虑到目前人机交互部分存在一些不足，如 LCD 显示屏的对比度受 环境温度影响严重，系统电磁兼容性能差等等。本课题对 LCD 屏的亮度及灰度控制设计了程控电路，经过实验得出了同一 LCD 驱动 电压和背光驱动电流下对比度随温度变化曲线，为了降低对比度受 温度的影响，测试出了 LCD 驱动电压和背光驱动电流随温度变化 的调节曲线，并实现了软件自动调节，通过此方法，可以保持人机 界面处于较好的可视化状态。对于系统电磁兼容性设计，主要集中 在电源

14、模块和 CAN 通信模块；因为通过分析得知，干扰主要来自外 界并且是通过电源线和 CAN 通信线进入到系统内部。人机交互平台 软件釆用前后台系统，模块化设计方式，便于在不同工程机械上修 改应用程序。最后，通过实验表明：该人机交互平台具有操作方便、 可视化界面好、可靠性高、稳定性好等特点。2、监控模块设计。监控模块实现机器的运动控制及运行状态监 测，本课题釆用了以 ARM Cortex-M3 为内核的 STM32F103ZE 作为 处理器,STM32F103ZE 具有丰富的外设，具有单周期的乘法及硬件 除法，速度高达 1.25DMPIS/MHZ,并且成本跟 16 单片机相当。处理 器外围功能电路完全采用模块化设计，其功能可以满足大多数机械 工程监控需求，主要包括 12 路 PWM 驱动、12 路 DO、12 路 DI、16 路 AI、4 路 PI、1 个 CAN 总线接口等等，除此之外还预留 了多达 36 个扩展 10 口，各个功能模块与处理器之间都进行了隔离 设计，使得各功能模块产生的强干扰信号不会影响处理器正常工作。 为了防止长时间工作 PWM 驱动的外部可执行部件（比例电磁阀、 变量泵等）因发热内阻发生变化而导致驱动电流改变，从而使控制 精度明显下降，在 PWM 驱动模块增加了闭环控制电路和保护电路， 对系统进行了