CAN总线技术在轮式装载机上的应用

王刚 王朝 苏金坡

摘 要：本文首先论述CAN总线技术在轮式装载机上应用的优点，然后探讨CAN总线技术在轮式装载机上的应用。结果表明，CAN总线在轮式装载机上的应用，对装载机动力性、操纵性和经济性都有较大的提升作用，为轮式装载机的数字化、智能化发展奠定了重要基础。

关键词：CAN总线;轮式装载机;操纵控制模块;总线仪表模块

中图分类号：TB533文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）22-0035-03

Abstract： This paper first discussed the advantages of CAN Bus Technology in wheel loader， and then discussed the application of CAN Bus Technology in wheel loader. The results show that the application of CAN bus in wheel loader can greatly improve the power， maneuverability and economy of wheel loader， and lay an important foundation for the development of digital and intelligent wheel loader.

Keywords： CAN bus;wheel loader;control module;bus instrument module

为了方便汽车测控中的数据交换，德国Bosch公司开发了CAN总线技术。目前，CAN总线是在大型汽车及工程设备中应用最广泛的通信方式。通过CAN总线，汽车和大型工程设备上各种电子器件、测控设备可进行统一的数据交换，奠定了汽车和大型工程设备进一步智能化的基础。

轮式装载机是一种集铲、运、装、卸作业于一体的自行式施工机械，可与挖掘机、汽车、矿车等联合作业，被广泛应用于建筑、公路、煤炭、矿山、国防等的松散物料铲装运输作业。轮式装载机包括机械机构、动力系统、液压系统、控制系统等4大系统，整机目前正朝着智能化、大型化、新能源、节能化等方向发展，发展前景十分广阔。

1 CAN总线技术在轮式装载机上应用的特点和优点

轮式装载机一般采用总线通信。与一般通信总线应用相比，CAN总线具有数据通信可靠性、实时性和灵活性高等优点，同时具有以下特点：①是唯一有国际标准的现场总线;②网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息而不分主从，通信方式灵活，且无须站地址等节点信息;③网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求;④采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间;⑤只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无须专门“调度”;⑥对每帧信息进行CRC校验，从而保证了数据的高准确性;⑦通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活;⑧在出现严重错误的情况下，节点可自动关闭输出，不影响总线上其他节点的信息传输[1]。

2 CAN总线在轮式装载机整机上的应用

根据装载机的工作特性，结合某款装载机开发，为装载机设置CAN总线通信技术路线。装载机机车内网络系统采用CAN总线网络结构的主要原因如下。

①通信总线长度最短，有较高的性价比。

②可实现电子单元分散设置。装载机电子单元有的分布在操作区，有的分布在底盘，数据传输距离较远。CAN的直接通信距离最远可达10 km，通信速率最高可达1 Mbps，满足装载机数据大距离、稳定传输的要求。

③装载机各测控单元均可集成CAN控制与驱动，为产品智能化发展奠定基础。

④采用CAN总线，有利于装载机控制系统大量的传感器数据共享[2]。

2.1 轮式装载机车内网络构建

根据装载机的工作特性，结合某款装载机开发，为装载机CAN总线技术开发设置网络拓扑结构，如图1所示。

轮式装载机整车控制系统CAN网络由10个节点构成。其中，底盘3个节点，包括底盘前部模块、底盘中部模块、底盘后部模块;控制室内7个节点，包括总线仪表模块、控制室模块、应急模块、发动机ECU等。主总线符合CAN规范的基础上发展起来的应用层CANOpen协议，其中总线仪表模块及操纵控制模块具备双CAN网络（CAN2.0B和 CANOpen协议），既是网络节点又充当网桥的作用。

2.2 操纵控制模块+总线仪表模块

总线仪表模块会对从发动机ECU和操纵控制模块接收到的数据进行全面转发，即实现这2路CAN信息的交换。动力CAN的通信速率为250 kb/s，车身CAN的通信速率为250 kb/s。

操纵控制模块接收总线仪表模块上发出的开关量信息，并参与本地的功率驱动控制，包括灯光控制开关、左右组合开关、方向机按钮开关，将这些开关量信息处理成CAN数据发送或者参与控制，采集信号包括点火开关位置信号、行车开关、驻车开关、发电机充电信号（通过总线发送到仪表显示）、蓄电池端电压信号（通过总线发送到仪表显示）等[3]。操纵控制模块输入元件如表1所示。

操纵控制模块功率驱动执行器件如表2所示。

2.3 底盘控制模块（底盘前、中、后部模块）

底盘控制模块分为底盘前控制模块、底盘中控制模块和底盘后控制模块。这些模块通过控制室CAN进行连接，主要功能是采集信息和驱动底盘行驶，功能相对单一。

这些功率驱动执行器件单元拥有完善的电源保护功能。

底盘控制模块信号如表3所示。采集信号后发送到总线仪表模块CAN上。

灯光负载故障信号：前大灯远近光、小灯、左右转向灯、制动灯、倒车灯，短路和断路均会产生故障报警信号，信号发送到仪表CAN总线上。

底盘功率驱动执行器件如表4所示。

以上驱动线路及执行器件均提供晚上的电源保护功能。

2.4 数字式总线仪表总成

数字式总线仪表总成仪表由8个全数字化指针式仪表（步进马达数字化驱动指针显示）、1个240×120點阵数字显示屏、30个LED信号指示灯组组成。转速及水温信号从发动机ECU直接读出进入总线仪表模块，而运行时间信号、燃油信号、气压信号则采集后发送到总线仪表模块上进行处理和数字化显示。

开发过程中，采用240×120点阵数字显示屏，重点显示企业LOGO、总运行时间、总油耗、故障报警信息等，可以提供设备维修保养提示信号，例如，发动机走保提示报警信号，为售后服务提供便捷的服务信息。

各仪表位置见图2。

3 结语

随着电子技术和大规模集成电路的迅速发展，网络控制芯片性能逐步提高、体积逐步减小、价格进一步降低，为工程设备局域网的普及推广创造了良好的条件。CAN总线在轮式装载机上的应用，对装载机动力性、操纵性和经济性都有较大的提升作用，为轮式装载机的数字化、智能化发展奠定了重要基础。

参考文献：

[1]杨华伟，万正权.CAN总线在船舶结构安全监测系统中的应用[J].电子测量与仪器学报，2014（5）：553-559.

[2]王新忠，王熙，王少农，等.拖拉机CAN总线车载智能终端技术研究[J].农机化研究，2017（2）：10-214.

[3]唐修俊，李胜华，王巍.基于CAN总线的汽车起重机智能控制系统[J].起重运输机械，2008（8）：33-35.