基於can總線的多傳感器數字式自動找平控制系統的製作方法

2023-04-30 19:42:26 2

專利名稱：基於can總線的多傳感器數字式自動找平控制系統的製作方法
技術領域：
[0001]本實用新型涉及一種工程施工中自動找平系統，特別涉及基於CAN總線的數字式自動找平控制系統。
背景技術：
在建築施工中，為了獲得平整度和符合要求的施工質量，建築機器都安裝了自動找平控制系統，可以使施工作業精度得到明顯提高，作業循環次數減少，降低機械使用費用，提高施工質量和經濟效益，同時大大減輕駕駛員的勞動強度。從工作方式上來講，自動找平系統主要有接觸式自動找平系統和非接觸式自動找平系統兩類。接觸式自動找平系統原理一般都較簡單，成本低，但均存在較多缺點，例如機械件磨損、易受地面影響出現誤差、使用不方便等，適用於平整度要求不高的路面攤鋪場合；非接觸式自動找平系統根據其檢測原理和方法的不同，有雷射自動找平系統、紅外線自動找平系統和超聲波自動找平系統。雷射自動找平系統和紅外線自動找平系統因其在公路施工現場易受各種外界因素幹擾而在公路施工中極少應用，主要適用於高度檢測場合，例如體育場等建設，公路施工中使用的非接觸式自動找平系統多為超聲波自動找平系統，而拉繩傳感器廣泛應用於銑刨機的高度檢測上。靈活、高效的找平控制系統能夠識別多種類型的帶有標準CAN總線接口的數字傳感器，廣泛應用於高度、坡度的檢測，其操作簡單、使用可靠，廣泛應用於混凝土攤鋪機、浙青攤鋪機、銑刨機、推土機、挖掘機、平地機。

實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種基於CAN總線的多傳感器數字式自動找平控制系統，功能完善，接口功能強，能兼容標準CAN總線接口，綜合識別接觸式自動找平和非接觸式自動找平兩類系統的數字傳感器，包括超聲波傳感器、數字坡度傳感器、數字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、雷射接收傳感器和待擴展數字傳感器，靈活應用在各種需要高度、坡度的檢測自動找平控制的場合。—種基於CAN總線的多傳感器數字式自動找平控制系統,包括車載動力源、人機界面、數字控制器、伺服閥和數字傳感器，上述數字傳感器包括超聲波傳感器、數字坡度傳感器、數字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、雷射接收傳感器，上述車載動力源與數字控制器和伺服閥電連接，數字控制器與上述數字傳感器經過集線器(轉接器)採用CAN總線通信連接，上述人機界面和伺服閥分別與數字控制器連接。上述人機界面包括按鍵、顯示器和指示燈。上述數字控制器包括晶片組件、參數掉電保存器件、晶振、復位電路、高速光隔、CAN總線接口驅動和驅動保護模塊，晶片組件包括一個TMS320LF2407A晶片、一個74ALVC164245、兩個74HC377晶片和一個74HC244晶片；上述TMS320LF2407A晶片分別與74ALVC164245晶片、高速光隔、參數掉電保存器件和晶振、復位電路電連接，74ALVC164245晶片分別與一個74HC244晶片、兩個74HC377晶片連接，其中一個74HC377晶片與驅動、保護模塊連接，驅動、保護模塊與伺服閥連接；另外一個74HC377晶片與人機界面的顯示器、指示燈連接；74HC244晶片與人機界面的按鍵連接，上述CAN總線接口驅動與兩個高速光隔連接，集線器通過CAN總線與CAN總線接口驅動連接。上述數字控制器和超聲波傳感器、數字坡度傳感器、數字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器和雷射接收傳感器均設置有掉電存儲裝置。上述集線器設有用來連接增加傳感器的CAN總線擴展接口。本實用新型具有以下有益效果(I)兼容標準CAN總線接口，綜合識別接觸式自動找平和非接觸式自動找平兩類系統的數字傳感器，功能完善，接口功能強；(2)傳感器類型豐富，包括超聲波傳感器、數字坡度傳感器、數字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感 器、雷射接收傳感器和待擴展數字傳感器，傳感器接入系統後，數字控制器自動識別，並自由選擇是否使用已接入的傳感器，靈活應用在各種需要高度、坡度的檢測自動找平控制的場合，應用範圍廣泛；(3)本實用新型的數字控制器和數字傳感器均設有參數掉電保存器件，這種結構能有效避免對系統的控制參數重複設置；(4)本實用新型可以根據不同工況及現場要求擴展新型傳感器，通過軟體升級後接入數字式自動找平控制系統，這種結構使得系統具有高度的靈活性和適應性；(5)數字控制器採用帶CAN總線接口的DSP進行系統硬體設計，以模糊PID控制算法為找平控制策略進行軟體設計，能全面採集工況信息，經計算處理後做出精確控制，穩定可靠，施工作業精度高；(6)本實用新型是建立在反饋控制系統的理論基礎上的實時控制系統，綜合採用CAN總線、DSP微處理器、單片機和傳感器技術，具有實時數據採集、實時決策運算、實時控制和實時報警的能力。

圖I為本實用新型的系統結構框圖。圖2為本實用新型的數字控制器硬體電路框圖。圖3為本實用新型數字控制器操作菜單框圖。圖4為本實用新型數字控制器基本軟體流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖說明本實用新型的具體實施方式
。見圖1，本實用新型自動找平控制系統包括車載動力源、人機界面、數字控制器、伺服閥和集線器(轉接器)，集線器上連接有超聲波傳感器、數字坡度傳感器、數字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器和雷射接收傳感器，還設有擴展接口，可以用來連接可能需要的其他類型傳感器。上述數字控制器分別與車載動力源、人機界面、伺服閥和集線器電連接，車載動力源用來給數字控制器、集線器和伺服閥提供電力。上述人機界面包括按鍵、顯示器和指示燈。本控制系統設有手動和自動兩種工作模式，採用車載動力源供電，並設有反極性、過流、過壓保護電路。系統基於CAN總線設計，主要核心為數字控制器和多種類型數字傳感器，集線器(轉接器)起通信連接和動力源傳遞的作用。數字控制器與集線器(轉接器)通過CAN總線技術實現通信連接；集線器(轉接器)用來轉接各類數字傳感器(包括超聲波傳感器、數字坡度傳感器、數字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、雷射接收傳感器以及待擴展傳感器)，並實時檢測傳感器傳回的工況信息，傳感器需要及時採集被控對象當前的信息，以防丟失，並將其轉換為數位訊號，並通過CAN總線經過集線器傳輸給數字控制器，實現實時數據採集。數字控制器根據接收到的數據類型來判斷數字傳感器的類型，並且根據標定的參數做出計算處理，經過比較、分析、判斷是否偏離預定值、是否達到或超過安全極限值等，及時按預定的控制規律進行運算做出控制決策，做到實時決策運算。數字控制器及時將決策結果形成控制量輸出，作用於伺服閥(執行機構)，校正被控對象參數，實現實時控制。上述數字控制器輸出負載控制信號控制伺服閥動作，同時集線器(轉接器)通過電纜為超聲波傳感器、數字坡度傳感器、數字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、雷射接收傳感器和待擴展傳感器轉接電源供電，起到動力傳遞功能。見圖2，數字控制器採用DSP微處理器技術，包括晶片組件、參數掉電保存器件、晶振、復位等電路、高速光隔、CAN總線接口驅動和驅動保護模塊。晶片組件包括5個晶片，型 號有 TMS320LF2407A、74ALVC164245、74HC377 和 74HC244，其中一個型號 TMS320LF2407A 的晶片為核心控制晶片，數字控制器通過TMS320LF2407A晶片內置的CAN控制模塊進行CAN總線數據接收和發送。74ALVC164245晶片和2個74HC377晶片用於對系統電路的外部I/O口進行擴展，74HC244晶片用於讀取人機界面中按鍵的鍵值。核心控制晶片TMS320LF2407A晶片分別與74ALVC164245晶片、2個高速光隔、參數掉電保存器件和晶振、復位等電路電連接。74ALVC164245晶片分別與2個74HC377晶片、74HC244晶片連接，其中一個74HC377晶片與驅動、保護模塊連接，驅動、保護模塊與伺服閥連接；另外一個74HC377晶片與人機界面的顯示器、指示燈連接。74HC244晶片與人機界面的按鍵連接。上述CAN總線接口驅動與2個高速光隔連接，集線器通過CAN總線與CAN總線接口驅動連接。上述按鍵分四個功能鍵，用於調出菜單項和參數設置，參數包括靈敏度、控制範圍、位置係數、死區、比例區、基準值、輸出模式、輸出脈衝寬度和液壓記錄，參數均可現場設定，並採用掉電保存，同時實測數據可校正顯示。指示燈採用四組高亮度LED指示燈，顯示器採用段式LCD液晶顯示屏。參數掉電保存器件採用AT24系列存儲器。CAN總線接口驅動由PCA82C50/251實現。本控制系統可以根據不同工況及現場要求擴展新型傳感器，並設有PNP與NPN兩種負載輸出模式,輸出脈衝寬度獨立可調,最大輸出電流為3A，設有負載短路保護裝置。見圖3，上述人機界面包括按鍵、顯示器和指示燈。通過按鍵可循環查看菜單選項，並設置系統工作參數，包括靈敏度、控制範圍、位置係數、死區、比例區、基準值、輸出脈衝寬度及液壓記錄等，還可以通過按鍵使系統在手動和自動兩種工作模式間切換，採用中文操作界面。進入菜單選項後，可以選擇是否採用多個傳感器，以及選擇哪些傳感器；接著進行靈敏度模式取消判斷，如不取消則進行靈敏度設置，取消則進行死區、比例區設置；接著進行縱向傳感器控制選擇，需要則進行控制範圍設置，並進行位置係數設置；接下來依次為液壓模式記錄、電磁閥輸出模式和電磁閥輸出佔空比設置。見圖4，數字控制器的運行過程如下①、數字控制器自檢，系統初始化及CAN總線進行初始化，原有存儲參數讀取；②、循環判斷有無CAN總線數據，若無則顯示器、指示燈報警無傳感器，若有CAN數據，則根據CAN數據中的數字傳感器(包括超聲波傳感器、數字坡度傳感器、數字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、雷射接收傳感器和待擴展傳感器)發來的ID數據判斷是哪種類型的數字傳感器，實現數字傳感器的識別；③、識別數字傳感器的類型，並配置參數；④、數字傳感器的數據接收並處理；數據接收處理模塊是數字控制器的核心部分，控制策略的設計是關鍵，選擇合適的控制算法，對接收到的數據信息進行處理計算得出控制輸出。控制系統的穩定性和精度一方面受數字傳感器的數據精度和穩定性影響，另外一方面由控制器的控制輸出決定。根據死區、靈敏度、比例區等參數設置，以模糊PID控制算法為找平控制策略進行軟體設計，具有強適應性和魯棒性。⑤、判斷處於手動或者自動工作模式；手動模式下，顯示器顯示實測傳感器值，指示燈無指示，可循環查看菜單選項，選擇傳感器類型並設置系統工作參數，包括靈敏度、控制範圍、位置係數、死區、比例區、基準值、輸出脈衝寬度及液壓記錄，還可以切換手動模式到自動模式。自動模式下，顯示器顯示基準值，指示燈指示輸出方向，計算並輸出伺服閥的PWM信號，PWM信號輸出頻率2Hz，佔空比由數據處理模塊根據控制算法計算得出。⑥、判斷數字傳感器是否正常，正常則循環⑤ ⑥，不正常，則報警輸出，並回到②；如果被控對象參數超限或系統設備出現異常狀況，控制器能及時發出聲光報警信號，並自動地或由人工進行必要的處理，實現實時報警功能。⑦、施工過程中可改變基準及其他部分參數的設定。在進行各種類型數字傳感器設計時，以單片機和CAN總線通信模塊為基礎，合理設計信號調理模塊和濾波電路，對傳感器部件採集到的信號進行軟、硬體雙重濾波，能夠有效抗幹擾，防止因為抖動等因素引起的傳感器信號波動。數字傳感器內置控制器採用可在線編程的AVR系列ATmegal28單片機，其內置的EEPROM存儲器用於參數掉電保存；CAN總線通信模塊由SJA1000和PCA82C50/251組成CAN節點。SJA1000晶片使用16M外部晶振，通信速率設置為125kBps，SJA1000使用單片機處外部存儲器接口，通過外部存儲器接口的讀寫對SJA1000晶片進行參數配置以及數據發送和接收，PCA82C50/251作為CAN總線的驅動收發器。本實用新型採用先進的傳感器技術，根據數字傳感器類型差異對檢測信號輸入傳感器進行選用，例如坡度檢測則選擇採用高精度的電解質、無接觸型器件，沒有機械件磨損，使用壽命高。系統電源可以1(T30V的寬範圍供電電壓，並設有反極性、過電流、過電壓保護電路，保證供電電路穩定可靠。顯然，本實用新型的上述具體實施方式
僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而並非是對本實用新型實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以容易的做出其它形式上的變化或者替代，而這些改變或者替代也將包含在本實用新型確定的保護範圍之內。
權利要求1.一種基於CAN總線的多傳感器數字式自動找平控制系統，包括車載動力源、人機界面、數字控制器、伺服閥和數字傳感器，其特徵在於上述數字傳感器包括超聲波傳感器、數字坡度傳感器、數字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、雷射接收傳感器，上述車載動カ源與數字控制器和伺服閥電連接，數字控制器與上述數字傳感器經過集線器採用CAN總線通信連接，上述人機界面和伺服閥分別與數字控制器連接。
2.根據權利要求I所述的基於CAN總線的多傳感器數字式自動找平控制系統，其特徵在於上述人機界面包括按鍵、顯示器和指示燈。
3.根據權利要求2所述的基於CAN總線的多傳感器數字式自動找平控制系統，其特徵在於上述數字控制器包括晶片組件、參數掉電保存器件、晶振、復位電路、高速光隔、CAN總線接ロ驅動和驅動保護模塊，晶片組件包括ー個TMS320LF2407A晶片、ー個74ALVC164245、兩個74HC377晶片和ー個74HC244晶片；上述TMS320LF2407A晶片分別與 74ALVC164245晶片、高速光隔、參數掉電保存器件和晶振、復位電路電連接，74ALVC164245晶片分別與ー個74HC244晶片、兩個74HC377晶片連接，其中ー個74HC377晶片與驅動、保護模塊連接，驅動、保護模塊與伺服閥連接；另外ー個74HC377晶片與人機界面的顯示器、指示燈連接；74HC244晶片與人機界面的按鍵連接，上述CAN總線接ロ驅動與兩個高速光隔連接，集線器通過CAN總線與CAN總線接ロ驅動連接。
4.根據權利要求3所述的基於CAN總線的多傳感器數字式自動找平控制系統，其特徵在幹上述數字控制器和超聲波傳感器、數字坡度傳感器、數字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器和雷射接收傳感器均設置有掉電存儲裝置。
5.根據權利要求I所述的基於CAN總線的多傳感器數字式自動找平控制系統，其特徵在於上述集線器設有用來連接增加傳感器的CAN總線擴展接ロ。
專利摘要本實用新型涉及一種工程施工中自動找平系統，特別涉及基於CAN總線的數字式自動找平控制系統。目的在於提供一種基於CAN總線的多傳感器數字式自動找平控制系統，功能完善，接口功能強，能兼容標準CAN總線接口。一種基於CAN總線的多傳感器數字式自動找平控制系統，包括車載動力源、人機界面、數字控制器、伺服閥和數字傳感器，上述數字傳感器包括超聲波傳感器、數字坡度傳感器、數字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、雷射接收傳感器，上述車載動力源與數字控制器和伺服閥電連接，數字控制器與上述數字傳感器經過集線器(轉接器)採用CAN總線通信連接，上述人機界面和伺服閥分別與數字控制器連接。
文檔編號G05B19/04GK202404388SQ201120461709
公開日2012年8月29日 申請日期2011年11月20日 優先權日2011年11月20日
發明者凌松, 葉曉東, 孔令成, 李開霞, 李志強, 林昕 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院