何  平，尚  偉，孫慧琪

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程系，哈爾濱1 50001）

    摘要：目前大部分電動(dòng)搬運(yùn)車的各個(gè)控制信號(hào)傳輸都使用獨(dú)自的信號(hào)線，線束復(fù)雜且可靠性低。針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)，該文采用內(nèi)置CAN控制器的AT90CAN128單片機(jī)作為處理器，設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的控制手柄。該手柄具有運(yùn)送速度快、升降貨物減速緩沖的特性，并且增加了蝸行、緊急反向等保障搬運(yùn)車安全行駛的功能。文中根據(jù)這些功能以及CAN總線的構(gòu)成特點(diǎn)，制定了相應(yīng)的通信協(xié)議，并對(duì)整個(gè)控制手柄的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)描述j實(shí)驗(yàn)表明，該CAN總線控制手柄具有線束簡(jiǎn)單、安全性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

    關(guān)鍵詞：電動(dòng)搬運(yùn)車；控制手柄；CAN總線：AT90CAN128

    中圖分類號(hào)：TP336    文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

    CAN-控制器局域網(wǎng)是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線最早是為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜、光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)lMb/s。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層功能，可憲成對(duì)通信數(shù)據(jù)的幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。

    搬運(yùn)車在集裝箱等貨物的裝卸過程中起到了非常重要的作用，先前的搬運(yùn)車沒有發(fā)動(dòng)機(jī)引擎，完全靠人力推動(dòng)，耗費(fèi)勞動(dòng)力且效率低，現(xiàn)如今出現(xiàn)了大量的電動(dòng)搬運(yùn)車，節(jié)約了大量的人力成本，但是目前市場(chǎng)上的控制手柄功能信號(hào)都是通過各自的信號(hào)線傳輸，可靠性差。CAN總線技術(shù)已在汽車電子中有了廣泛的應(yīng)用，可靠性高。本文將CAN總線技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)搬運(yùn)車上，提出了高安全性、高可靠性的設(shè)計(jì)方法。本文的設(shè)計(jì)將所有控制信號(hào)通過CAN總線傳輸，并通過CAN測(cè)試卡測(cè)試了控制信號(hào)數(shù)據(jù)，連接電機(jī)控制器進(jìn)行調(diào)式，并取得了非常好的效果，為工業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了實(shí)踐基礎(chǔ)。

1  硬件設(shè)計(jì)

1.1  AT90CAN128特ilt概述

    AT90CAN128是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位高性能、低功耗CMOS微處理器。它采用了先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，其數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，其內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有寄存器都直接與ALU相連接。通過將8位RISC CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個(gè)芯片內(nèi)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的方案。

    AT90CAN128內(nèi)置10位精度的逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換模塊。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端口F的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以OV(GND)為基準(zhǔn)。ADC包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。具有0.5LSB的非線性度，+2LSB的絕對(duì)精度，13～260ys的轉(zhuǎn)換時(shí)間，最高分辨率時(shí)采樣率高達(dá)15kb/s。

    AT90CAN128內(nèi)量完全符合CAN2.OA和2.OB標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的CAN控制器。采用MOb（消息對(duì)象）方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，共有15個(gè)MOb，數(shù)目從0到14。每個(gè)MOb擁有各自獨(dú)立的標(biāo)識(shí)符和屏蔽碼，8位數(shù)據(jù)緩沖，11位標(biāo)識(shí)符（2.OA協(xié)議），也可擴(kuò)展至29位（2.OB協(xié)議），有發(fā)送、接收、自動(dòng)回復(fù)以及幀緩沖接收模式，在8MHz時(shí)最大傳輸速率可達(dá)lMb/s。一個(gè)MOb處理一個(gè)CAN消息幀的所有信息。每個(gè)MOb都被安置在一個(gè)頁(CANPAGE)中來保存，頁的序號(hào)就是MOb的序號(hào)。

1.2控制手柄功能設(shè)計(jì)

    本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)搬運(yùn)車控制手柄能夠?qū)崿F(xiàn)搬運(yùn)車的前進(jìn)后退，貨物舉升降落，貨叉前移后移等基本搬運(yùn)貨物的功能，另外還具有蝸行、喇叭、緊急反向等保障搬運(yùn)車安全行駛的功能。

    前進(jìn)后退是搬運(yùn)車在地面上的正常行駛功能：貨物舉升降落是指將貨物抬升的功能：貨叉的前移后移是指在貨物舉升到合適的位置時(shí)將貨物向前送出的功能：喇叭是在行駛過程中用來提醒前方人員注意：蝸行是指搬運(yùn)車在快速行駛過程中遇到障礙物等情況需要緊急減速時(shí)以一個(gè)固定的慢速行駛：緊急反向是指搬運(yùn)車在行駛過程中碰到障礙物需要緊急停車時(shí)的反向緩沖功能。緊急反向是由一個(gè)按鍵開關(guān)實(shí)觀的，當(dāng)碰到障礙物時(shí)，由于慣性這個(gè)開關(guān)就會(huì)頂在操作員的腹部，保障了行駛安全，因此又稱肚皮開關(guān)。

1.3控制手柄硬件電路組成

    前進(jìn)后退，舉升降落、前移后移的模擬輸入量由線性霍爾元件SS495A產(chǎn)生，蝸行、喇叭、緊急反向的數(shù)字量信號(hào)由按鍵開關(guān)產(chǎn)生，將這些信號(hào)輸入到AT90CAN128處理器進(jìn)行處理，并按照所設(shè)計(jì)的通信協(xié)議通過CAN總線與電機(jī)控制器通信來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)。

    搬運(yùn)車的前進(jìn)后退和貨叉的前移后移為模擬量輸入，而舉升降落可選擇為模擬量輸入或者數(shù)字量輸入。此設(shè)計(jì)可使得同一款控制手柄能夠適用于不同類型的搬運(yùn)車而節(jié)省模擬器件的成本，例如托盤車大約只有120mm的舉升高度，一般用數(shù)字量輸入，堆高車大約3～5m的舉升高度，為減輕其承載重物降落時(shí)的緩沖，需采用模擬量輸入。霍爾元件的差分電壓基本上和霍爾元件與磁鋼之間的距離成線性關(guān)系，并將此信號(hào)輸入到AT90CAN128的AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行差分和線性化處理。

1.4通信協(xié)議制定

根據(jù)上一小節(jié)所設(shè)計(jì)的搬運(yùn)車的功能信號(hào)未定義通信協(xié)議中各個(gè)字節(jié)的作用，如表1所示。   

表中，對(duì)于數(shù)字量輸入信號(hào)：1表示按鍵已按下；0表示按鍵沒有按下。對(duì)于模擬量輸入信號(hào)：正值表示前進(jìn)、舉升、前移；負(fù)值表示反向；0表示停止。Bit6、Bit7也可以接入霍爾線性開關(guān)，所給出的數(shù)字信號(hào)會(huì)根據(jù)內(nèi)部定義的門限在ON/OFF間變化。

2  軟件設(shè)計(jì)

2.1  輸入信號(hào)檢測(cè)處理流程

    考慮到機(jī)械安裝的誤差，為了使線性霍爾元件的機(jī)械零點(diǎn)與電氣零點(diǎn)相吻合，在程序設(shè)計(jì)中，每一次上電都自動(dòng)進(jìn)行零點(diǎn)搜索，并且根據(jù)這一零點(diǎn)來設(shè)置一個(gè)死區(qū)，以取消零點(diǎn)附近的波動(dòng)。

    在模擬輸入的信號(hào)處理后一般采用線性輸出，根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)效果，如果舉升的重物質(zhì)量較大，在降落時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，因此需要在降落的初始時(shí)刻有一個(gè)慢速的緩沖，相應(yīng)的，需要將降落的模擬輸入信號(hào)在輸出時(shí)更改為前段變化較緩慢的指數(shù)曲線輸出。

    舉升降落的輸入信號(hào)可通過跳線進(jìn)行模擬量或者數(shù)字量的選擇，數(shù)字量輸入可采用按鍵形式，也可采用霍爾線性開芙加一個(gè)門限來設(shè)置，比較簡(jiǎn)單。下面以選擇模擬量輸入為例，介紹系統(tǒng)上電后信號(hào)循環(huán)檢測(cè)處理的程序流程，流程圖如圖3所示。

2.2 CAN控制器初始化

    初始化前將CAN通用控制寄存器最高位置1即置為復(fù)位模式。主要的初始化工作包括裝載標(biāo)識(shí)符和屏蔽碼，設(shè)置波特率。完成后，清零回到操作模式。消息標(biāo)識(shí)符定義為OxlEO，采用CAN2.OA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)幀發(fā)送，波特率為125kb/s，發(fā)送間隔周期為15ms。下面給出了CAN控制器的初始化程序：2.3 CAN消息發(fā)送

    消息的發(fā)送采用直接發(fā)送方式實(shí)現(xiàn)。首先通過設(shè)置CANPAGE寄存器來指定被發(fā)送的MOb，將數(shù)據(jù)裝載到CANMSG寄存器中，然后由CANCDMOB寄存器來控制發(fā)送動(dòng)作，將消息發(fā)送出去，等待發(fā)送成功后，清發(fā)送成功標(biāo)志位。將發(fā)送模塊添加到15ms的定時(shí)中斷中就可以周期發(fā)送，以實(shí)現(xiàn)手柄的控制功能，進(jìn)而由電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)。下面給出了發(fā)送程序：

3結(jié)語

    與其他同類型的單片機(jī)相比較，AT90CAN128在數(shù)據(jù)采集等設(shè)計(jì)中都有其明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是內(nèi)置了CAN控制器，降低了設(shè)備成本、簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)、提高了通信效率、安全性以及可靠性。軟件設(shè)計(jì)上可通過對(duì)MOb的配置，實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列的設(shè)定，這種方法更加的靈活、方便。

    該控制手柄增加了蝸行、緊急反向的功能后，使得搬運(yùn)車運(yùn)行更加安全高效。貨物舉升降落的指數(shù)曲線緩沖設(shè)計(jì)減小了對(duì)貨物的破損，同時(shí)也將貨物對(duì)貨叉等各個(gè)部件的損傷降到了最低，延長(zhǎng)了搬運(yùn)車的使用壽命。該手柄通過CAN總線與Zapi Spa生產(chǎn)的COMBI AC1電機(jī)控制器相連接，實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的CAN總線控制手柄運(yùn)行良好，完全可以達(dá)到預(yù)期的功能。