CAN-bus总线技术在工程机车控制网络中的应用研究

前言

本文主要介绍CAN-bus 总线技术在工程机械中的应用。重点以工程起重机为例，介绍如何将 iCAN系列功能模块 、ZLG系列、CAN-bus接口卡、组建成一个可靠控制、易于开发的CAN-bus应用网络，以及在工程机车控制网络中快速应用的方法。

CAN-bus总线简介

CAN-bus 总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，最初被设计用作汽车电子控制单元（ECU：Electric Control Unit）的串行数据传输网络，现已被广泛应用于欧洲的中高档汽车中。近几年来，由于CAN-bus 总线极高的可靠性、实时性，CAN-bus 总线开始进入中国各个行业的数据通讯应用，并于2002 年被确定为电力通讯产品领域的国家标准。

CAN-bus 网络使用普通双绞线作为传输介质，采用直线拓朴结构，单条网络线路至少可连接110 个节点，当通讯距离不超过40米时，数据传输速率可达1Mbps，最远通讯距离可达10公里（使用标准CAN 收发器PCA82C250/251 芯片）。

CAN-bus 网络为多主结构网络，根据信息帧优先级进行总线访问，大大提高了系统的性能；CAN总线采用短帧报文结构，实时性好，并具有完善的数据校验、错误处理以及检错机制，此外CAN总线节点在严重错误下会自动脱离总线，对总线通讯没有影响。CAN-bus 网络中，数据收发、硬件检错均由CAN 控制器硬件完成，大大增强了CAN-bus 网络的抗电磁干扰能力。

CAN-bus 总线的适用范围：可适用于节点数目很多，传输距离在10 公里以内，安全性要求高的场合；也可适用于对实时性、安全性要求十分严格的机械控制网络。

目前，国内的汽车、电梯行业已是CAN-bus 应用的典型领域，工业控制、智能楼宇、煤矿设备等行业也得到了广泛的应用。

工程机械行业的发展

由于嵌入式电脑、网络通讯、微处理器、自动控制等先进技术的日渐广泛应用，工程机械控制系统的性能和集成度已经有了很大的提高，工程机械的操作便利性、安全性都得到了大幅度提高。

在基于集中控制方式的工程机械中，一方面由于多个ECU单元的使用，各ECU之间的通讯越来越复杂，必然导致了更多的信号连接线，使控制系统安装、维护手续繁琐，运行的可靠性、应用的灵活性有所降低，维修难度增大；另一方面，为提高系统中信号的利用率，要求有大量的数据信息可以在不同的控制单元中共享，大量的控制信号也需要实时交换。传统的集中式控制系统已落后于工程机械中现代通讯功能的需求。

传统的控制系统结构示意图如下：

因此，如何提高系统的性能，开发通讯应用的灵活性和方便性，降低使用和维护的成本是必须解决的问题，而CAN-bus总线在工程机械控制系统中的应用也能够有效解决这些问题。

CAN-bus总线在工程机械中的应用

无论是在欧洲、美洲，还是在亚洲，CAN-bus总线技术在工程机械领域都已经存在着广泛的产品实例，也有着良好的发展前景

CAN-bus总线在工程机械中应用现状

CAN-bus由于良好性能，特别适合于工程机械中各电子单元之间的互连通讯。随着CAN-bus总线技术的引入，工程机械中基于CAN-bus总线的分布式控制系统取代原有的集中式控制系统，传统的复杂的线束被CAN-bus总线所代替：系统中各种控制器、执行器以及传感器之间通过CAN-bus总线连接，线缆少、易敷设，实现成本低，而且系统设计更加灵活，信号传输可靠性高，抗干扰能力强。

目前CAN-bus总线技术在工程机械上的应用越来越普遍。国际上一些著名的工程机械大公司如CAT、VOLVO、利勃海尔等都在自己的产品上广泛采用CAN-bus总线技术，大大提高了整机的可靠性、可检测和可维修性，同时提高了智能化水平。而在国内，CAN-bus总线控制系统也开始在工程汽车的控制系统中广泛应用，在工程机械行业中也正在逐步推广应用。

工程机械控制系统中CAN-bus网络

工程机械的控制系统需要完成对系统中各种传感器、执行器、发动机、变速器等的控制及监测。不同的工程机械产品，其控制系统的组成并不完全一致，但其控制系统的构成方式基本上类似。

以汽车起重机为例，其基于CAN-bus总线的典型控制系统基本结构如下图所示， 系统组成为：

图 1.2 基于CAN-bus总线的汽车起重机控制系统结构示意图

结论

CAN-bus总线的应用使工程机械控制系统功能具有良好的可扩展性，易于实现对各分系统得集中监测和管理。此外CAN-bus总线的应用使用户的使用、维护、故障诊断更加灵活和方便，例如起重机在出厂调试时，工厂计算机系统可以通过CAN-bus总线访问其控制系统，记录保存调试数据，以作为在故障时维修的原始参考数据。

随着CAN-bus总线在工程机械中的不断应用，必将大大提高工程机械的可靠性、可检测、可维修性以及智能化水平。

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