魏 彬，劉會(huì)娟，張 濤

（徐工集團(tuán)江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004）

工程機(jī)械車(chē)載控制器可分為實(shí)現(xiàn)某種特定功能的單一功能型控制器和完成整車(chē)邏輯的控制器。前者目前已從傳統(tǒng)意義上單一獨(dú)立執(zhí)行某項(xiàng)功能的控制器，發(fā)展成為集成故障信息上傳、數(shù)據(jù)信息傳輸、可聯(lián)合整機(jī)參數(shù)綜合控制、可支持物聯(lián)網(wǎng)調(diào)控等多種功能的智能化車(chē)載設(shè)備。隨著數(shù)字電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)工程機(jī)械控制器的實(shí)時(shí)性、控制精度和控制效果要求越來(lái)越高，但現(xiàn)在的多數(shù)車(chē)載功能型控制器由于特定了功能，仍采用簡(jiǎn)單的單片機(jī)構(gòu)架，由單一主循環(huán)加若干中斷組成，編譯過(guò)程生成一個(gè)單一的可執(zhí)行文件，不具備功能模塊的管理，已經(jīng)明顯無(wú)法滿足現(xiàn)有的高智能化和高實(shí)時(shí)性的要求。而且現(xiàn)有參數(shù)設(shè)置模塊多數(shù)仍采用有線通訊，攜帶笨重，給工作帶來(lái)一定不便。

為此，設(shè)計(jì)既能夠快速響應(yīng)參數(shù)變化，又能實(shí)時(shí)完成控制輸出動(dòng)作，具備一定的自適應(yīng)匹配相關(guān)參數(shù)功能的，且內(nèi)置操作系統(tǒng)支持軟件功能模塊管理和支持系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制的無(wú)線車(chē)載控制器已成為必然之選。將WiFi數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[1]與CAN數(shù)據(jù)采集[2]結(jié)合起來(lái)應(yīng)用的智能車(chē)載控制器，不僅可以解決單點(diǎn)找平的實(shí)時(shí)控制，還可以聯(lián)合貫穿整車(chē)的各個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)，結(jié)合整車(chē)信息實(shí)現(xiàn)各種控制功能；更可以主動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)、無(wú)線參數(shù)配置和遠(yuǎn)程故障診斷等功能。

1 車(chē)載功能型控制器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

帶參數(shù)設(shè)置的車(chē)載功能型控制器系統(tǒng)包含上位機(jī)部分與功能執(zhí)行部分。其中上位機(jī)控制部分可選為功能設(shè)置模塊、手機(jī)、車(chē)載主控制器、接入局域網(wǎng)的服務(wù)器；功能設(shè)置部分則包括功能設(shè)置控制模塊、CAN模塊與WiFi-CAN通信模塊。功能執(zhí)行部分則是包括功能控制模塊、CAN模塊與WiFi-CAN通信模塊。功能設(shè)置部分與功能控制部分構(gòu)成了完整的功能型控制器主體。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。功能型控制器的功能控制模塊用來(lái)執(zhí)行采集相關(guān)參數(shù)，同時(shí)將這些參數(shù)通過(guò)WiFi-CAN無(wú)線模塊通過(guò)WiFi完成數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置匹配，也可通過(guò)CAN總線傳輸給車(chē)載主控制器，可以通過(guò)車(chē)載主控制器實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置以及遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，以及與物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷與遠(yuǎn)程調(diào)控。其中，功能設(shè)置模塊可以是同樣配置WiFi-CAN無(wú)線模塊的控制單元，也可以是開(kāi)發(fā)了相應(yīng)APP功能的手機(jī)。下面以攤鋪機(jī)找平控制器開(kāi)發(fā)為例，闡述功能型控制器的軟硬件選型及實(shí)現(xiàn)。

圖1 車(chē)載功能型控制器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 攤鋪機(jī)找平控制器硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)攤鋪機(jī)找平工作的特殊環(huán)境功能要求，在綜合考慮了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難易程度、硬件的工作溫度和找平控制器的研制成本后，最終選取了ATMEL的ATSAM4E16CB-ANR單片機(jī)作為找平控制器的主控制器。這款微控制芯片工作溫度范圍-40℃～105℃，集成CortexTM-M4內(nèi)核，超低功耗，工作頻率為120MHz，具備兩路獨(dú)立16位ADC和浮點(diǎn)計(jì)算能力，完全可以進(jìn)行曲線找平動(dòng)作的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集和控制。另外，該單片機(jī)含有硬件實(shí)現(xiàn)的雙UART串行接口、完全支持USB控制功能以及符合IEEE 1588 v2標(biāo)準(zhǔn)要求的以太網(wǎng)MAC10/100的網(wǎng)絡(luò)接口，為找平控制器后期功能擴(kuò)展升級(jí)提供硬件基礎(chǔ)。找平控制器總體硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，該系統(tǒng)的找平控制模塊硬件電路主要包括以ATSAM4E16CB-ANR為核心的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源電路、JTAG調(diào)試電路構(gòu)成的MCU最小系統(tǒng)，以及AD采集電路、SPI存儲(chǔ)電路、CAN總線收發(fā)模塊電路和WiFi-CAN模塊電路。該系統(tǒng)的找平設(shè)置模塊硬件電路則是由上述MCU最小系統(tǒng)加載WiFi-CAN模塊電路組成。其中，為了WiFi-CAN模塊選擇滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的LCWLAN-622模塊，支持完善的無(wú)線安全設(shè)置和TCP/ UDP通訊。

圖2 攤鋪機(jī)找平控制器硬件框圖

3 攤鋪機(jī)找平控制器軟件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)一般采用的超循環(huán)方式，由單一主循環(huán)加若干中斷組成，編譯過(guò)程生成一個(gè)單一的可執(zhí)行文件，而攤鋪機(jī)智能找平控制器針對(duì)不同種類通信要求不同的任務(wù)優(yōu)先級(jí)，比如故障種類中危險(xiǎn)性較大的故障，要求控制器實(shí)時(shí)切斷輸出調(diào)整，而找平動(dòng)作的執(zhí)行要求實(shí)時(shí)性要好，因此系統(tǒng)本身要求有較高的實(shí)時(shí)性，單純地通過(guò)傳統(tǒng)系統(tǒng)無(wú)法保證系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性，更加難以滿足多任務(wù)并行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的需要。因此采用基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS的多任務(wù)軟件結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方案，選擇了rt-thread作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)。

3.1 系統(tǒng)任務(wù)的劃分

rt-thread操作系統(tǒng)雖然代碼稍多，但是具備商業(yè)免費(fèi)、可閉源、可移植性強(qiáng)、可裁剪、多任務(wù)及可剝奪性等優(yōu)點(diǎn)，且支持ARM，Cortex-M，MIPS，ARV32，PPC等多種架構(gòu)處理器，可以輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)移植。基于模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想，具體的將系統(tǒng)任務(wù)劃分為參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)處理與顯示模塊和中斷處理模塊，各任務(wù)之間通過(guò)時(shí)間序列、定時(shí)和中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和共享。其中參數(shù)設(shè)置模塊（包括系統(tǒng)初始化任務(wù)和靈敏度參數(shù)設(shè)置任務(wù)）、數(shù)據(jù)采集模塊（即找平數(shù)據(jù)采集任務(wù)）、數(shù)據(jù)通信模塊（包括CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)以及WiFi數(shù)據(jù)采集任務(wù)）、數(shù)據(jù)處理模塊（包括數(shù)據(jù)信號(hào)濾波處理及核算任務(wù)、PWM輸出驅(qū)動(dòng)任務(wù)）、數(shù)據(jù)顯示模塊（LED顯示任務(wù)與CANOPEN協(xié)議任務(wù)）與中斷處理模塊。其中參數(shù)設(shè)置模塊主要功能是系統(tǒng)初始化堆棧任務(wù)及選擇指定找平控制器的靈敏度，通過(guò)掃描EEPROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或CAN與WiFi通信得到相應(yīng)的信息，完成參數(shù)設(shè)置。

3.2 系統(tǒng)任務(wù)結(jié)構(gòu)與分析

結(jié)合找平控制系統(tǒng)的需求，將以上四大模塊的優(yōu)先級(jí)分別設(shè)定為：數(shù)據(jù)采集任務(wù)是實(shí)現(xiàn)找平關(guān)鍵因素的信息采集，實(shí)時(shí)性要求較高，故而將數(shù)據(jù)采集模塊定義為3ms定時(shí)中斷，快速響應(yīng)；參數(shù)設(shè)置模塊包含任務(wù)的初始化，設(shè)定為最高優(yōu)先級(jí)組；數(shù)據(jù)通信模塊包含CAN通信與WiFi通信收發(fā)與轉(zhuǎn)存，設(shè)為次低優(yōu)先級(jí)組；將包含PWM輸出驅(qū)動(dòng)任務(wù)以及數(shù)據(jù)濾波及核算任務(wù)的數(shù)據(jù)處理模塊定義為次高優(yōu)先級(jí)組；將數(shù)據(jù)顯示模塊定義為最低優(yōu)先級(jí)組。

參數(shù)設(shè)置模塊為最高優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)首先初始化定義了堆棧和任務(wù)，使得除中斷外的余下各個(gè)模塊的任務(wù)都在等待參數(shù)設(shè)置任務(wù)完成之后，按照優(yōu)先級(jí)依次運(yùn)行，通過(guò)找平控制器調(diào)試，獲得了良好的效果。簡(jiǎn)要通信機(jī)制如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的通信機(jī)制結(jié)構(gòu)

參數(shù)設(shè)置模塊完成初始化操作系統(tǒng)及系統(tǒng)控制器的各個(gè)硬件端口初始化，根據(jù)具體的需要建立起多任務(wù)，采用時(shí)間片輪詢、中斷及多任務(wù)優(yōu)先級(jí)同時(shí)使用，保證數(shù)據(jù)采集任務(wù)與輸出控制的有效性與實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

本文介紹了將WiFi數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[1]與CAN數(shù)據(jù)采集[2]結(jié)合起來(lái)應(yīng)用的智能車(chē)載控制器的實(shí)現(xiàn)方式，以一種基于ATSAM4E16CB-ANR單片機(jī)的找平控制器的設(shè)計(jì)方案為例，闡述了利用rtthread操作系統(tǒng)移植實(shí)現(xiàn)多任務(wù)多優(yōu)先級(jí)結(jié)合時(shí)間片輪詢與中斷聯(lián)合來(lái)執(zhí)行的找平信號(hào)處理與找平動(dòng)作控制的軟件過(guò)程，選擇支持TCP/UDP通訊協(xié)議的CAN-WiFi模塊與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完成遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，簡(jiǎn)化了遠(yuǎn)程的開(kāi)發(fā)難度。尤其用戶可以選擇通過(guò)手機(jī)車(chē)載主控制器或者接入局域網(wǎng)的服務(wù)器遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)找平控制器的設(shè)置及監(jiān)控信號(hào)傳輸以及遠(yuǎn)程故障診斷，只需后續(xù)開(kāi)發(fā)手機(jī)APP軟件，就可以升級(jí)到直接與手機(jī)APP連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

通過(guò)在攤鋪機(jī)找平控制器上的試驗(yàn)表明：本文開(kāi)發(fā)的工程機(jī)械控制器不僅可以可靠實(shí)現(xiàn)找平控制功能，更可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線參數(shù)設(shè)置，提出了解決了工程機(jī)械控制線束多雜的方法，而且可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳遞攤鋪機(jī)找平過(guò)程中的各種故障及相關(guān)信息，監(jiān)控方式靈活，方便實(shí)用。

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