基于CAN总线的摩托车底盘测功机控制系统研制

摘要:设计了用于测量摩托车整车动力性和工况法排放的底盘测功机控制系统.采用带有在片控制器局部网络(controllerareanetwork,CAN)控制器的PIC18F458单片机作为CAN节点,系统主要由控制节点、数据采集节点和PC节点三部分组成.数据采集节点采集系统的控制参数,并将采集到的参数分别传送到PC节点用于显示测试进程,传送到控制节点用于控制.实际运行显示,本系统工作稳定,数据传输可靠,控制实时性好.

关键词:控制器局部网络总线;摩托车;底盘测功机

摩托车底盘测功机是一种室内试验设备,用以模拟摩托车在实际行驶时的阻力,测定摩托车的使用性能以及检测摩托车的技术状况,诊断摩托车的故障.摩托车底盘测功机既可用于摩托车实验,也可用于维修生产.摩托车底盘测功机的主要功能有:(1)测量摩托车驱动轮输出功率;(2)检验摩托车滑行性能;(3)检验摩托车加速性能;(4)检验车速表;(5)检验里程表;(6)配备油耗仪和废气分析仪的底盘测功机可以在室内模拟道路行驶、测量等速油耗以及工况法测量排放污染物.

摩托车底盘测功机需要测量的参数非常多,也非常分散,其中一些参数是底盘测功机控制系统所必需的控制变量,因此将这些参数迅速测量出来并且送到PC机中进行处理就显得非常重要.本文叙述的基于CAN总线的摩托车底盘测功机控制系统,将CAN总线应用到底盘测功机中,CAN节点只需要用两根信号线就可以实现对摩托车底盘测功机所有数据的采集传输,使得传输线路大大简化,可靠性得到极大提高,有效地节约了线束安装空间和系统成本,而且有利于摩托车底盘测功机朝着规范化、智能化、网络化方向发展.

CAN总线的特点

CAN总线即控制器局部网络,是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,属于现场总线的范畴.德国Bosch公司在20世纪80年代初将其研制成功,最初主要用于汽车内部检测以及控制系统间的数据通信.CAN总线具有较高的可靠性、实时性和灵活性.

CAN总线具有以下优点:
(1) CAN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向网络上其他节点发送信息,而不分主从,通信方式灵活.
(2)CAN可以实行点对点、一点对多点及全局广播等方式传送和接受数据,通信介质采用双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活,通信距离最远可达10km,通信速率最高达1Mb.CAN总线上的节点数取决于总线驱动电路,实际可达110个.
(3)CAN总线采用非破坏性仲裁技术,当两个节点同时向网络上传信息时,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,有效地避免了总线冲突.CAN总线采用了短帧结构,每一帧为8个字节,传输时间短,受干扰概率低,每帧信息都有循环冗余检验(circleredandancycheckont,CRC)校验和其他检错措施,保证了数据的出错率极低.
(4)CAN节点在错误严重的情况下,具有自动关闭输出的功能,切断它与总线的联系,以使总线上其他的操作不受影响.

CAN总线的这些优点完全可以满足摩托车底盘测功机数据采集系统的要求,因此将CAN总线应用到摩托车底盘测功机上可以使测功机的控制系统更加先进可靠,同时具有良好的扩展性.

CAN智能节点的设计

CAN智能节点的设计是CAN总线系统的核心,图1给出了CAN节点详细的硬件电路设计.CAN总线控制器分为独立的CAN控制器(PHILIPS公司的SJA1000,Microchip公司的MCP2510等)和带有在片CAN控制器(Microchip公司的PIC18FXX8?PIC18CXX8).在本系统中,选用带有在片CAN控制器的PIC18F458芯片;同时还使用了CAN控制器与物理总线间的接口芯片82C250.82C250的功用是提供向总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力,它具有降低射频干扰、热防护、抗汽车环境下的瞬间干扰等特性.

由图1所示,总线CANH、CANL端的1248电阻是用于匹配总线阻抗的,在差动总线CANH、CANL之间需并联两个1248电阻,否则通讯不能进行.而82C250通过引脚8允许选择三种不同的工作方式:①高速方式,指通过8脚与地直接相连而选择;②待机方式,发送器被关掉,通过将8脚接高电平而选择;③斜率控制方式,通过将8脚与地之间相连斜率电阻而选择,该方式一般用于总线波特率要求较低时,斜率电阻阻值约为15～200k8,在该数据采集系统中选择斜率控制方式.


由于PIC18F458芯片内部集成有CAN控制器,简化了硬件电路,因而整个CAN通讯的过程可以在一块芯片中进行,软件上易于控制,也缩短了开发周期.

基于CAN总线的摩托车底盘测功机控制系统设计

该控制系统原理框图见图2.摩托车底盘测功机通过CAN数据采集节点对系统采集的数据进行处理,然后通过CAN控制节点对摩托车底盘测功机进行控制.

数据采集发送节点通过各个传感器对摩托车底盘测功机上转鼓的转速、扭矩、电流等参数进行采集,磁电式转速传感器输出交变的电压信号,经放大、整形和经F/V转换后,变为0～5V的信号.测力传感器装在电涡流测功机上,当测力传感器受力以后,发生应变,通过转换将力的信号转变为电信号,然后经过放大整形变为0～5V信号.电流传感器测出加载在电涡流测功机上的电流大小,这个电流作为底盘测功机控制系统的一个控制参数.这三路信号分别经过光电隔离之后送入PIC18F458的A/D转换器中,由PIC18F458进行处理,PIC18F458总共有8路A/D转换器.单片机处理后将数据通过CAN通讯模块分别发送出去.

控制节点通过控制中断服务程序对摩托车底盘测功机进行控制.控制节点按照PC机的要求选择闭环控制模式,若选择电流闭环控制,控制节点发送远程请求读取数据采集节点中的电流大小,然后再读取PC机设定的电流大小,将两个电流进行比较之后送入PD调节器,通过PD调节器调节励磁输出电流.其余的两路闭环控制过程与电流闭环控制过程类似.插在PC机上的通信适配卡的CAN功能由集成CAN控制器的PIC18F458芯片完成,适配卡中的微控制器主要承担节点与PC机数字通信的协调工作.

图2是一个简化的系统,在实际应用的时候还可以进行扩展.如燃油消耗量、排放污染物、摩托车滑行以及加速性能等参数的测量都可以扩展到基于CAN总线的数据采集系统里面.控制节点软件框图如图3所示.

下面以底盘测功机的恒转速闭环控制为例分析系统运行结果.其中PID控制器采用Kp、Ki、Kd三个参数同时进行控制,反馈量是转鼓的转速,同时对转速闭环的PID控制器的积分项采取遇限制削弱积分法和积分分离法进行限制,以防止积分项引起过大的超调,从而防止转速的波动.图4是速度从60km?h下降到40km?h的闭环响应曲线.从图中可见,系统具有较高的控制精度,可以满足底盘测功机的要求.



　　


结语

本系统工作稳定,数据采集与传输可靠,控制系统实时性好.它采用多路总线传输技术来实现摩托车底盘测功机的数据采集功能,简单实用,扩展性好,为摩托车底盘测功机的后续开发提供了有力的保证,同时提供了一种PIC芯片的CAN通讯方法.