專利名稱：基于can總線的多傳感器數(shù)字式自動找平控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種工程施工中自動找平系統(tǒng)，特別涉及基于CAN總線的數(shù)字式自動找平控制系統(tǒng)。
背景技術：
在建筑施工中，為了獲得平整度和符合要求的施工質(zhì)量，建筑機器都安裝了自動找平控制系統(tǒng)，可以使施工作業(yè)精度得到明顯提高，作業(yè)循環(huán)次數(shù)減少，降低機械使用費用，提高施工質(zhì)量和經(jīng)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(tǒng)主要有接觸式自動找平系統(tǒng)和非接觸式自動找平系統(tǒng)兩類。接觸式自動找平系統(tǒng)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(xiàn)誤差、使用不方便等，適用于平整度要求不高的路面攤鋪場合；非接觸式自動找平系統(tǒng)根據(jù)其檢測原理和方法的不同，有激光自動找平系統(tǒng)、紅外線自動找平系統(tǒng)和超聲波自動找平系統(tǒng)。激光自動找平系統(tǒng)和紅外線自動找平系統(tǒng)因其在公路施工現(xiàn)場易受各種外界因素干擾而在公路施工中極少應用，主要適用于高度檢測場合，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(tǒng)多為超聲波自動找平系統(tǒng)，而拉繩傳感器廣泛應用于銑刨機的高度檢測上。靈活、高效的找平控制系統(tǒng)能夠識別多種類型的帶有標準CAN總線接口的數(shù)字傳感器，廣泛應用于高度、坡度的檢測，其操作簡單、使用可靠，廣泛應用于混凝土攤鋪機、浙青攤鋪機、銑刨機、推土機、挖掘機、平地機。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于CAN總線的多傳感器數(shù)字式自動找平控制系統(tǒng)， 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(tǒng)的數(shù)字傳感器，包括超聲波傳感器、數(shù)字坡度傳感器、數(shù)字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、激光接收傳感器和待擴展數(shù)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。一種基于CAN總線的多傳感器數(shù)字式自動找平控制系統(tǒng)，包括車載動力源、人機界面、數(shù)字控制器、伺服閥和數(shù)字傳感器，上述數(shù)字傳感器包括超聲波傳感器、數(shù)字坡度傳感器、數(shù)字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、激光接收傳感器，上述車載動力源與數(shù)字控制器和伺服閥電連接，數(shù)字控制器與上述數(shù)字傳感器經(jīng)過集線器(轉接器)采用CAN 總線通信連接，上述人機界面和伺服閥分別與數(shù)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(shù)字控制器包括芯片組件、參數(shù)掉電保存器件、晶振、復位等電路、高速光隔、CAN總線接口驅(qū)動和驅(qū)動保護模塊，芯片組件包括一個TMS320LFM07A芯片、一個 74ALVC164245、兩個 74HC377 芯片和一個 74HC244 芯片；上述 TMS320LF2407A 芯片分別與74ALVC164245芯片、高速光隔、參數(shù)掉電保存器件和晶振、復位等電路電連接， 74ALVC164245芯片分別與一個74HC244芯片、兩個74HC377芯片連接，其中一個74HC377芯片與驅(qū)動、保護模塊連接，驅(qū)動、保護模塊與伺服閥連接；另外一個74HC377芯片與人機界面的顯示器、指示燈連接；74HC244芯片與人機界面的按鍵連接，上述CAN總線接口驅(qū)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(qū)動連接。上述數(shù)字控制器采用帶CAN總線接口的DSP微處理器進行系統(tǒng)硬件設計，以模糊 PID控制算法為找平控制策略進行軟件設計。上述數(shù)字控制器和超聲波傳感器、數(shù)字坡度傳感器、數(shù)字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器和激光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。本發(fā)明具有以下有益效果(1)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(tǒng)的數(shù)字傳感器，功能完善，接口功能強；( 傳感器類型豐富，包括超聲波傳感器、數(shù)字坡度傳感器、數(shù)字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、 激光接收傳感器和待擴展數(shù)字傳感器，傳感器接入系統(tǒng)后，數(shù)字控制器自動識別，并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， 應用范圍廣泛；C3)本發(fā)明的數(shù)字控制器和數(shù)字傳感器均設有參數(shù)掉電保存器件，這種結構能有效避免對系統(tǒng)的控制參數(shù)重復設置；(4)本發(fā)明可以根據(jù)不同工況及現(xiàn)場要求擴展新型傳感器，通過軟件升級后接入數(shù)字式自動找平控制系統(tǒng)，這種結構使得系統(tǒng)具有高度的靈活性和適應性；( 數(shù)字控制器采用帶CAN總線接口的DSP進行系統(tǒng)硬件設計，以模糊 PID控制算法為找平控制策略進行軟件設計，能全面采集工況信息，經(jīng)計算處理后做出精確控制，穩(wěn)定可靠，施工作業(yè)精度高；(6)本發(fā)明是建立在反饋控制系統(tǒng)的理論基礎上的實時控制系統(tǒng)，綜合采用CAN總線、DSP微處理器、單片機和傳感器技術，具有實時數(shù)據(jù)采集、實時決策運算、實時控制和實時報警的能力。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結構框圖。圖2為本發(fā)明的數(shù)字控制器硬件電路框圖。圖3為本發(fā)明數(shù)字控制器操作菜單框圖。圖4為本發(fā)明數(shù)字控制器基本軟件流程圖。
具體實施例方式下面結合

本發(fā)明的具體實施方式
。見圖1，本發(fā)明自動找平控制系統(tǒng)包括車載動力源、人機界面、數(shù)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(shù)字坡度傳感器、數(shù)字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器和激光接收傳感器，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(shù)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(shù)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(tǒng)設有手動和自動兩種工作模式，采用車載動力源供電，并設有反極性、 過流、過壓保護電路。系統(tǒng)基于CAN總線設計，主要核心為數(shù)字控制器和多種類型數(shù)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(shù)字控制器與集線器(轉接器)通過CAN總線技術實現(xiàn)通信連接；集線器(轉接器)用來轉接各類數(shù)字傳感器(包括超聲波傳感器、數(shù)字坡度傳感器、數(shù)字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、激光接收傳感器以及待擴展傳感器)，并實時檢測傳感器傳回的工況信息，傳感器需要及時采集被控對象當前的信息，以防丟失，并將其轉換為數(shù)字信號，并通過CAN總線經(jīng)過集線器傳輸給數(shù)字控制器，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集。數(shù)字控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)類型來判斷數(shù)字傳感器的類型，并且根據(jù)標定的參數(shù)做出計算處理，經(jīng)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(guī)律進行運算做出控制決策，做到實時決策運算。數(shù)字控制器及時將決策結果形成控制量輸出，作用于伺服閥(執(zhí)行機構)，校正被控對象參數(shù)，實現(xiàn)實時控制。上述數(shù)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(shù)字坡度傳感器、數(shù)字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、激光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(shù)字控制器采用DSP微處理器技術，包括芯片組件、參數(shù)掉電保存器件、晶振、復位等電路、高速光隔、CAN總線接口驅(qū)動和驅(qū)動保護模塊。芯片組件包括5個芯片，型號有 TMS320LF2407A、74ALVC164245、74HC377 和 74HC244，其中一個型號 TMS320LF2407A 的芯片為核心控制芯片，數(shù)字控制器通過TMS320LFM07A芯片內(nèi)置的CAN控制模塊進行CAN 總線數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。74ALVC164245芯片和2個74HC377芯片用于對系統(tǒng)電路的外部I/O 口進行擴展，74HC244芯片用于讀取人機界面中按鍵的鍵值。核心控制芯片TMS320LFM07A芯片分別與74ALVC164245芯片、2個高速光隔、參數(shù)掉電保存器件和晶振、復位等電路電連接。74ALVC164245芯片分別與2個74HC377芯片、 74HC244芯片連接，其中一個74HC377芯片與驅(qū)動、保護模塊連接，驅(qū)動、保護模塊與伺服閥連接；另外一個74HC377芯片與人機界面的顯示器、指示燈連接。74HC244芯片與人機界面的按鍵連接。上述CAN總線接口驅(qū)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(qū)動連接。上述按鍵分四個功能鍵，用于調(diào)出菜單項和參數(shù)設置，參數(shù)包括靈敏度、控制范圍、位置系數(shù)、死區(qū)、比例區(qū)、基準值、輸出模式、輸出脈沖寬度和液壓記錄，參數(shù)均可現(xiàn)場設定，并采用掉電保存，同時實測數(shù)據(jù)可校正顯示。指示燈采用四組高亮度LED指示燈，顯示器采用段式LCD液晶顯示屏。參數(shù)掉電保存器件采用ATM系列存儲器。CAN總線接口驅(qū)動由PCA82C50/251實現(xiàn)。本控制系統(tǒng)可以根據(jù)不同工況及現(xiàn)場要求擴展新型傳感器，并設有 PNP與NPN兩種負載輸出模式，輸出脈沖寬度獨立可調(diào)，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(huán)查看菜單選項， 并設置系統(tǒng)工作參數(shù)，包括靈敏度、控制范圍、位置系數(shù)、死區(qū)、比例區(qū)、基準值、輸出脈沖寬度及液壓記錄等，還可以通過按鍵使系統(tǒng)在手動和自動兩種工作模式間切換，采用中文操作界面。進入菜單選項后，可以選擇是否采用多個傳感器，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(qū)、比例區(qū)設置；接著進行縱向傳感器控制選擇，需要則進行控制范圍設置，并進行位置系數(shù)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占空比設置。見圖4，數(shù)字控制器的運行過程如下
①、數(shù)字控制器自檢，系統(tǒng)初始化及CAN總線進行初始化，原有存儲參數(shù)讀??；②、循環(huán)判斷有無CAN總線數(shù)據(jù)，若無則顯示器、指示燈報警無傳感器，若有CAN數(shù)據(jù)，則根據(jù)CAN數(shù)據(jù)中的數(shù)字傳感器(包括超聲波傳感器、數(shù)字坡度傳感器、數(shù)字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、激光接收傳感器和待擴展傳感器)發(fā)來的ID數(shù)據(jù)判斷是哪種類型的數(shù)字傳感器，實現(xiàn)數(shù)字傳感器的識別；③、識別數(shù)字傳感器的類型，并配置參數(shù)；④、數(shù)字傳感器的數(shù)據(jù)接收并處理；數(shù)據(jù)接收處理模塊是數(shù)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(shù)據(jù)信息進行處理計算得出控制輸出。控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度一方面受數(shù)字傳感器的數(shù)據(jù)精度和穩(wěn)定性影響，另外一方面由控制器的控制輸出決定。根據(jù)死區(qū)、靈敏度、比例區(qū)等參數(shù)設置，以模糊PID控制算法為找平控制策略進行軟件設計， 具有強適應性和魯棒性。⑤、判斷處于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(huán)查看菜單選項，選擇傳感器類型并設置系統(tǒng)工作參數(shù)，包括靈敏度、控制范圍、位置系數(shù)、死區(qū)、比例區(qū)、基準值、輸出脈沖寬度及液壓記錄，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，計算并輸出伺服閥的PWM 信號，PWM信號輸出頻率2Hz，占空比由數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)控制算法計算得出。⑥、判斷數(shù)字傳感器是否正常，正常則循環(huán)⑤ ⑥，不正常，則報警輸出，并回到②；如果被控對象參數(shù)超限或系統(tǒng)設備出現(xiàn)異常狀況，控制器能及時發(fā)出聲光報警信號，并自動地或由人工進行必要的處理，實現(xiàn)實時報警功能。⑦、施工過程中可改變基準及其他部分參數(shù)的設定。在進行各種類型數(shù)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(diào)理模塊和濾波電路，對傳感器部件采集到的信號進行軟、硬件雙重濾波，能夠有效抗干擾，防止因為抖動等因素引起的傳感器信號波動。數(shù)字傳感器內(nèi)置控制器采用可在線編程的AVR系列ATmegaUS單片機，其內(nèi)置的 EEPROM存儲器用于參數(shù)掉電保存；CAN總線通信模塊由SJA1000和PCA82C50/251組成CAN 節(jié)點。SJA1000芯片使用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芯片進行參數(shù)配置以及數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，PCA82C50/251作為CAN總線的驅(qū)動收發(fā)器。本發(fā)明采用先進的傳感器技術，根據(jù)數(shù)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采用高精度的電解質(zhì)、無接觸型器件，沒有機械件磨損，使用壽命高。系統(tǒng)電源可以10 30V的寬范圍供電電壓，并設有反極性、過電流、過電壓保護電路，保證供電電路穩(wěn)定可靠。顯然，本發(fā)明的上述具體實施方式
僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明實施方式的限定。對于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發(fā)明確定的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種基于CAN總線的多傳感器數(shù)字式自動找平控制系統(tǒng)，包括車載動力源、人機界面、數(shù)字控制器、伺服閥和數(shù)字傳感器，其特征在于上述數(shù)字傳感器包括超聲波傳感器、 數(shù)字坡度傳感器、數(shù)字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、激光接收傳感器，上述車載動力源與數(shù)字控制器和伺服閥電連接，數(shù)字控制器與上述數(shù)字傳感器經(jīng)過集線器(轉接器)采用CAN總線通信連接，上述人機界面和伺服閥分別與數(shù)字控制器連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于CAN總線的多傳感器數(shù)字式自動找平控制系統(tǒng)，其特征在于上述人機界面包括按鍵、顯示器和指示燈。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于CAN總線的多傳感器數(shù)字式自動找平控制系統(tǒng)，其特征在于上述數(shù)字控制器包括芯片組件、參數(shù)掉電保存器件、晶振、復位等電路、高速光隔、CAN總線接口驅(qū)動和驅(qū)動保護模塊，芯片組件包括一個TMS320LFM07A芯片、一個 74ALVC164245、兩個 74HC377 芯片和一個 74HC244 芯片；上述 TMS320LF2407A 芯片分別與74ALVC164245芯片、高速光隔、參數(shù)掉電保存器件和晶振、復位等電路電連接， 74ALVC164245芯片分別與一個74HC244芯片、兩個74HC377芯片連接，其中一個74HC377芯片與驅(qū)動、保護模塊連接，驅(qū)動、保護模塊與伺服閥連接；另外一個74HC377芯片與人機界面的顯示器、指示燈連接；74HC244芯片與人機界面的按鍵連接，上述CAN總線接口驅(qū)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(qū)動連接。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于CAN總線的多傳感器數(shù)字式自動找平控制系統(tǒng)，其特征在于上述數(shù)字控制器采用帶CAN總線接口的DSP微處理器進行系統(tǒng)硬件設計，以模糊PID 控制算法為找平控制策略進行軟件設計。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于CAN總線的多傳感器數(shù)字式自動找平控制系統(tǒng)，其特征在于上述數(shù)字控制器和超聲波傳感器、數(shù)字坡度傳感器、數(shù)字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器和激光接收傳感器均設置有掉電存儲裝置。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于CAN總線的多傳感器數(shù)字式自動找平控制系統(tǒng)，其特征在于上述集線器設有用來連接增加傳感器的CAN總線擴展接口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種工程施工中自動找平系統(tǒng)，特別涉及基于CAN總線的數(shù)字式自動找平控制系統(tǒng)。目的在于提供一種基于CAN總線的多傳感器數(shù)字式自動找平控制系統(tǒng)，功能完善，接口功能強，能兼容標準CAN總線接口。一種基于CAN總線的多傳感器數(shù)字式自動找平控制系統(tǒng)，包括車載動力源、人機界面、數(shù)字控制器、伺服閥和數(shù)字傳感器，上述數(shù)字傳感器包括超聲波傳感器、數(shù)字坡度傳感器、數(shù)字轉動傳感器、拉繩傳感器、紅外接收傳感器、激光接收傳感器，上述車載動力源與數(shù)字控制器和伺服閥電連接，數(shù)字控制器與上述數(shù)字傳感器經(jīng)過集線器(轉接器)采用CAN總線通信連接，上述人機界面和伺服閥分別與數(shù)字控制器連接。
文檔編號G05B19/04GK102411319SQ20111036992
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月20日 優(yōu)先權日2011年11月20日
發(fā)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(zhì)科學研究院