专利名称：基于can总线的多传感器数字式自动找平控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种工程施工中自动找平系统，特别涉及基于CAN总线的数字式自动找平控制系统。
背景技术：
在建筑施工中，为了获得平整度和符合要求的施工质量，建筑机器都安装了自动找平控制系统，可以使施工作业精度得到明显提高，作业循环次数减少，降低机械使用费用，提高施工质量和经济效益，同时大大减轻驾驶员的劳动强度。从工作方式上来讲，自动找平系统主要有接触式自动找平系统和非接触式自动找平系统两类。接触式自动找平系统原理一般都较简单，成本低，但均存在较多缺点，例如机械件磨损、易受地面影响出现误差、使用不方便等，适用于平整度要求不高的路面摊铺场合；非接触式自动找平系统根据其检测原理和方法的不同，有激光自动找平系统、红外线自动找平系统和超声波自动找平系统。激光自动找平系统和红外线自动找平系统因其在公路施工现场易受各种外界因素干扰而在公路施工中极少应用，主要适用于高度检测场合，例如体育场等建设，公路施工中使用的非接触式自动找平系统多为超声波自动找平系统，而拉绳传感器广泛应用于铣刨机的高度检测上。灵活、高效的找平控制系统能够识别多种类型的带有标准CAN总线接口的数字传感器，广泛应用于高度、坡度的检测，其操作简单、使用可靠，广泛应用于混凝土摊铺机、浙青摊铺机、铣刨机、推土机、挖掘机、平地机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于CAN总线的多传感器数字式自动找平控制系统， 功能完善，接口功能强，能兼容标准CAN总线接口，综合识别接触式自动找平和非接触式自动找平两类系统的数字传感器，包括超声波传感器、数字坡度传感器、数字转动传感器、拉绳传感器、红外接收传感器、激光接收传感器和待扩展数字传感器，灵活应用在各种需要高度、坡度的检测自动找平控制的场合。一种基于CAN总线的多传感器数字式自动找平控制系统，包括车载动力源、人机界面、数字控制器、伺服阀和数字传感器，上述数字传感器包括超声波传感器、数字坡度传感器、数字转动传感器、拉绳传感器、红外接收传感器、激光接收传感器，上述车载动力源与数字控制器和伺服阀电连接，数字控制器与上述数字传感器经过集线器(转接器)采用CAN 总线通信连接，上述人机界面和伺服阀分别与数字控制器连接。上述人机界面包括按键、显示器和指示灯。上述数字控制器包括芯片组件、参数掉电保存器件、晶振、复位等电路、高速光隔、CAN总线接口驱动和驱动保护模块，芯片组件包括一个TMS320LFM07A芯片、一个 74ALVC164245、两个 74HC377 芯片和一个 74HC244 芯片；上述 TMS320LF2407A 芯片分别与74ALVC164245芯片、高速光隔、参数掉电保存器件和晶振、复位等电路电连接， 74ALVC164245芯片分别与一个74HC244芯片、两个74HC377芯片连接，其中一个74HC377芯片与驱动、保护模块连接，驱动、保护模块与伺服阀连接；另外一个74HC377芯片与人机界面的显示器、指示灯连接；74HC244芯片与人机界面的按键连接，上述CAN总线接口驱动与两个高速光隔连接，集线器通过CAN总线与CAN总线接口驱动连接。上述数字控制器采用带CAN总线接口的DSP微处理器进行系统硬件设计，以模糊 PID控制算法为找平控制策略进行软件设计。上述数字控制器和超声波传感器、数字坡度传感器、数字转动传感器、拉绳传感器、红外接收传感器和激光接收传感器均设置有掉电存储装置。上述集线器设有用来连接增加传感器的CAN总线扩展接口。本发明具有以下有益效果(1)兼容标准CAN总线接口，综合识别接触式自动找平和非接触式自动找平两类系统的数字传感器，功能完善，接口功能强；( 传感器类型丰富，包括超声波传感器、数字坡度传感器、数字转动传感器、拉绳传感器、红外接收传感器、 激光接收传感器和待扩展数字传感器，传感器接入系统后，数字控制器自动识别，并自由选择是否使用已接入的传感器，灵活应用在各种需要高度、坡度的检测自动找平控制的场合， 应用范围广泛；C3)本发明的数字控制器和数字传感器均设有参数掉电保存器件，这种结构能有效避免对系统的控制参数重复设置；(4)本发明可以根据不同工况及现场要求扩展新型传感器，通过软件升级后接入数字式自动找平控制系统，这种结构使得系统具有高度的灵活性和适应性；( 数字控制器采用带CAN总线接口的DSP进行系统硬件设计，以模糊 PID控制算法为找平控制策略进行软件设计，能全面采集工况信息，经计算处理后做出精确控制，稳定可靠，施工作业精度高；(6)本发明是建立在反馈控制系统的理论基础上的实时控制系统，综合采用CAN总线、DSP微处理器、单片机和传感器技术，具有实时数据采集、实时决策运算、实时控制和实时报警的能力。
图1为本发明的系统结构框图。图2为本发明的数字控制器硬件电路框图。图3为本发明数字控制器操作菜单框图。图4为本发明数字控制器基本软件流程图。
具体实施例方式下面结合
本发明的具体实施方式
。见图1，本发明自动找平控制系统包括车载动力源、人机界面、数字控制器、伺服阀和集线器(转接器)，集线器上连接有超声波传感器、数字坡度传感器、数字转动传感器、拉绳传感器、红外接收传感器和激光接收传感器，还设有扩展接口，可以用来连接可能需要的其他类型传感器。上述数字控制器分别与车载动力源、人机界面、伺服阀和集线器电连接， 车载动力源用来给数字控制器、集线器和伺服阀提供电力。上述人机界面包括按键、显示器和指示灯。本控制系统设有手动和自动两种工作模式，采用车载动力源供电，并设有反极性、 过流、过压保护电路。系统基于CAN总线设计，主要核心为数字控制器和多种类型数字传感器，集线器(转接器)起通信连接和动力源传递的作用。数字控制器与集线器(转接器)通过CAN总线技术实现通信连接；集线器(转接器)用来转接各类数字传感器(包括超声波传感器、数字坡度传感器、数字转动传感器、拉绳传感器、红外接收传感器、激光接收传感器以及待扩展传感器)，并实时检测传感器传回的工况信息，传感器需要及时采集被控对象当前的信息，以防丢失，并将其转换为数字信号，并通过CAN总线经过集线器传输给数字控制器，实现实时数据采集。数字控制器根据接收到的数据类型来判断数字传感器的类型，并且根据标定的参数做出计算处理，经过比较、分析、判断是否偏离预定值、是否达到或超过安全极限值等，及时按预定的控制规律进行运算做出控制决策，做到实时决策运算。数字控制器及时将决策结果形成控制量输出，作用于伺服阀(执行机构)，校正被控对象参数，实现实时控制。上述数字控制器输出负载控制信号控制伺服阀动作，同时集线器(转接器)通过电缆为超声波传感器、数字坡度传感器、数字转动传感器、拉绳传感器、红外接收传感器、激光接收传感器和待扩展传感器转接电源供电，起到动力传递功能。见图2，数字控制器采用DSP微处理器技术，包括芯片组件、参数掉电保存器件、晶振、复位等电路、高速光隔、CAN总线接口驱动和驱动保护模块。芯片组件包括5个芯片，型号有 TMS320LF2407A、74ALVC164245、74HC377 和 74HC244，其中一个型号 TMS320LF2407A 的芯片为核心控制芯片，数字控制器通过TMS320LFM07A芯片内置的CAN控制模块进行CAN 总线数据接收和发送。74ALVC164245芯片和2个74HC377芯片用于对系统电路的外部I/O 口进行扩展，74HC244芯片用于读取人机界面中按键的键值。核心控制芯片TMS320LFM07A芯片分别与74ALVC164245芯片、2个高速光隔、参数掉电保存器件和晶振、复位等电路电连接。74ALVC164245芯片分别与2个74HC377芯片、 74HC244芯片连接，其中一个74HC377芯片与驱动、保护模块连接，驱动、保护模块与伺服阀连接；另外一个74HC377芯片与人机界面的显示器、指示灯连接。74HC244芯片与人机界面的按键连接。上述CAN总线接口驱动与2个高速光隔连接，集线器通过CAN总线与CAN总线接口驱动连接。上述按键分四个功能键，用于调出菜单项和参数设置，参数包括灵敏度、控制范围、位置系数、死区、比例区、基准值、输出模式、输出脉冲宽度和液压记录，参数均可现场设定，并采用掉电保存，同时实测数据可校正显示。指示灯采用四组高亮度LED指示灯，显示器采用段式LCD液晶显示屏。参数掉电保存器件采用ATM系列存储器。CAN总线接口驱动由PCA82C50/251实现。本控制系统可以根据不同工况及现场要求扩展新型传感器，并设有 PNP与NPN两种负载输出模式，输出脉冲宽度独立可调，最大输出电流为3A，设有负载短路保护装置。见图3，上述人机界面包括按键、显示器和指示灯。通过按键可循环查看菜单选项， 并设置系统工作参数，包括灵敏度、控制范围、位置系数、死区、比例区、基准值、输出脉冲宽度及液压记录等，还可以通过按键使系统在手动和自动两种工作模式间切换，采用中文操作界面。进入菜单选项后，可以选择是否采用多个传感器，以及选择哪些传感器；接着进行灵敏度模式取消判断，如不取消则进行灵敏度设置，取消则进行死区、比例区设置；接着进行纵向传感器控制选择，需要则进行控制范围设置，并进行位置系数设置；接下来依次为液压模式记录、电磁阀输出模式和电磁阀输出占空比设置。见图4，数字控制器的运行过程如下
①、数字控制器自检，系统初始化及CAN总线进行初始化，原有存储参数读取；②、循环判断有无CAN总线数据，若无则显示器、指示灯报警无传感器，若有CAN数据，则根据CAN数据中的数字传感器(包括超声波传感器、数字坡度传感器、数字转动传感器、拉绳传感器、红外接收传感器、激光接收传感器和待扩展传感器)发来的ID数据判断是哪种类型的数字传感器，实现数字传感器的识别；③、识别数字传感器的类型，并配置参数；④、数字传感器的数据接收并处理；数据接收处理模块是数字控制器的核心部分，控制策略的设计是关键，选择合适的控制算法，对接收到的数据信息进行处理计算得出控制输出。控制系统的稳定性和精度一方面受数字传感器的数据精度和稳定性影响，另外一方面由控制器的控制输出决定。根据死区、灵敏度、比例区等参数设置，以模糊PID控制算法为找平控制策略进行软件设计， 具有强适应性和鲁棒性。⑤、判断处于手动或者自动工作模式；手动模式下，显示器显示实测传感器值，指示灯无指示，可循环查看菜单选项，选择传感器类型并设置系统工作参数，包括灵敏度、控制范围、位置系数、死区、比例区、基准值、输出脉冲宽度及液压记录，还可以切换手动模式到自动模式。自动模式下，显示器显示基准值，指示灯指示输出方向，计算并输出伺服阀的PWM 信号，PWM信号输出频率2Hz，占空比由数据处理模块根据控制算法计算得出。⑥、判断数字传感器是否正常，正常则循环⑤ ⑥，不正常，则报警输出，并回到②；如果被控对象参数超限或系统设备出现异常状况，控制器能及时发出声光报警信号，并自动地或由人工进行必要的处理，实现实时报警功能。⑦、施工过程中可改变基准及其他部分参数的设定。在进行各种类型数字传感器设计时，以单片机和CAN总线通信模块为基础，合理设计信号调理模块和滤波电路，对传感器部件采集到的信号进行软、硬件双重滤波，能够有效抗干扰，防止因为抖动等因素引起的传感器信号波动。数字传感器内置控制器采用可在线编程的AVR系列ATmegaUS单片机，其内置的 EEPROM存储器用于参数掉电保存；CAN总线通信模块由SJA1000和PCA82C50/251组成CAN 节点。SJA1000芯片使用16M外部晶振，通信速率设置为125kBps，SJA1000使用单片机处外部存储器接口，通过外部存储器接口的读写对SJA1000芯片进行参数配置以及数据发送和接收，PCA82C50/251作为CAN总线的驱动收发器。本发明采用先进的传感器技术，根据数字传感器类型差异对检测信号输入传感器进行选用，例如坡度检测则选择采用高精度的电解质、无接触型器件，没有机械件磨损，使用寿命高。系统电源可以10 30V的宽范围供电电压，并设有反极性、过电流、过电压保护电路，保证供电电路稳定可靠。显然，本发明的上述具体实施方式
仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以容易的做出其它形式上的变化或者替代，而这些改变或者替代也将包含在本发明确定的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于CAN总线的多传感器数字式自动找平控制系统，包括车载动力源、人机界面、数字控制器、伺服阀和数字传感器，其特征在于上述数字传感器包括超声波传感器、 数字坡度传感器、数字转动传感器、拉绳传感器、红外接收传感器、激光接收传感器，上述车载动力源与数字控制器和伺服阀电连接，数字控制器与上述数字传感器经过集线器(转接器)采用CAN总线通信连接，上述人机界面和伺服阀分别与数字控制器连接。
2.根据权利要求1所述的基于CAN总线的多传感器数字式自动找平控制系统，其特征在于上述人机界面包括按键、显示器和指示灯。
3.根据权利要求2所述的基于CAN总线的多传感器数字式自动找平控制系统，其特征在于上述数字控制器包括芯片组件、参数掉电保存器件、晶振、复位等电路、高速光隔、CAN总线接口驱动和驱动保护模块，芯片组件包括一个TMS320LFM07A芯片、一个 74ALVC164245、两个 74HC377 芯片和一个 74HC244 芯片；上述 TMS320LF2407A 芯片分别与74ALVC164245芯片、高速光隔、参数掉电保存器件和晶振、复位等电路电连接， 74ALVC164245芯片分别与一个74HC244芯片、两个74HC377芯片连接，其中一个74HC377芯片与驱动、保护模块连接，驱动、保护模块与伺服阀连接；另外一个74HC377芯片与人机界面的显示器、指示灯连接；74HC244芯片与人机界面的按键连接，上述CAN总线接口驱动与两个高速光隔连接，集线器通过CAN总线与CAN总线接口驱动连接。
4.根据权利要求3所述的基于CAN总线的多传感器数字式自动找平控制系统，其特征在于上述数字控制器采用带CAN总线接口的DSP微处理器进行系统硬件设计，以模糊PID 控制算法为找平控制策略进行软件设计。
5.根据权利要求4所述的基于CAN总线的多传感器数字式自动找平控制系统，其特征在于上述数字控制器和超声波传感器、数字坡度传感器、数字转动传感器、拉绳传感器、红外接收传感器和激光接收传感器均设置有掉电存储装置。
6.根据权利要求1所述的基于CAN总线的多传感器数字式自动找平控制系统，其特征在于上述集线器设有用来连接增加传感器的CAN总线扩展接口。
全文摘要
本发明涉及一种工程施工中自动找平系统，特别涉及基于CAN总线的数字式自动找平控制系统。目的在于提供一种基于CAN总线的多传感器数字式自动找平控制系统，功能完善，接口功能强，能兼容标准CAN总线接口。一种基于CAN总线的多传感器数字式自动找平控制系统，包括车载动力源、人机界面、数字控制器、伺服阀和数字传感器，上述数字传感器包括超声波传感器、数字坡度传感器、数字转动传感器、拉绳传感器、红外接收传感器、激光接收传感器，上述车载动力源与数字控制器和伺服阀电连接，数字控制器与上述数字传感器经过集线器(转接器)采用CAN总线通信连接，上述人机界面和伺服阀分别与数字控制器连接。
文档编号G05B19/04GK102411319SQ20111036992
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月20日 优先权日2011年11月20日
发明者凌松, 叶晓东, 孔令成, 李开霞, 李志强, 林昕 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院