專利名稱：一種工程機械車輛總線擴展模塊及處理總線數據的方法
技術領域：
本發明涉及工程機械領域，特別是涉及一種工程機械車輛CAN總線擴展模塊及處理總線數據的方法。
背景技術：
在當前的工程機械車輛產業中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種電子控制系統被開發。由于這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數量也隨之增加。為適應減少線束的數量，通過多個LAN進行大量數據的高速通信的需要，1986年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN通信協議。現在CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工程機械等各個方面。工程機械車輛，例如運梁車是專為鐵路客運專線建設研制的，用來將箱梁從預制場運輸至架梁工位，并與架橋機配合完成相應的架梁作業，屬于載重量大的行走工程機械。運梁車的駕駛室是駕駛人員指揮和操縱整個設備作業的艙室，其功能主要由其內部用于控制各種功能的開關和操縱桿，顯示各種狀態的指示燈和蜂鳴器構成。運梁車駕駛室內的信號是由開關量輸入DI、電壓型模擬量輸入Al和開關量輸出DO組成。開關量輸入DI用于指示車輛應工作于何種狀態，模擬量輸入Al用于采集方向盤及腳踏板的位置，開關量輸出DO用于控制狀態指示燈或報警蜂命器的輸出。這些信號都要通過CAN總線傳入車載主控制器中，由車載主控制器完成對整車的邏輯與算法控制。目前駕駛室信號的采集與傳輸都是通過將各個信號接入一控制器上，再由該控制器匯總并通過CAN總線和車載控制器通訊的方法。而前述用于采集和傳輸信號的控制器一般為德國IFM公司型號為CR0020的控制器，存在以下缺點I.現有技術使用的控制器價格昂貴。2.現有技術使用的控制器體積大，接線、走線工作量大。3.現有技術使用的控制器的點數不能滿足使用要求。

發明內容
本發明提供了一種工程機械車輛CAN總線擴展模塊及處理總線數據的方法，用以解決現有技術使用的控制器價格昂貴，體積大，接線、走線工作量大，以及點數不能滿足使用要求的問題。本發明的工程機械車輛CAN總線擴展模塊，包括單片機，以及與所述單片機分別相連的穩壓電源模塊，ID、撥特率設定電路，DI輸入電路，Al輸入電路，DO輸出電路和CAN總線通訊電路；其中，單片機控制穩壓電源模塊，ID、撥特率設定電路，DI輸入電路，Al輸入電路，DO輸出電路和CAN總線通訊電路的工作；穩壓電源模塊，用于提供穩定的電壓；ID、撥特率設定電路，用于設定所述擴展模塊進行CAN總線通訊時的ID和撥特率；DI輸入電路，用于將開關量輸入信號向單片機輸入；AI輸入電路，用于將模擬量輸入信號向單片機輸入；DO輸出電路，用于將單片機的開關量輸出信號輸出；CAN總線通訊電路，用于將經單片機處理后的開關量輸入信號和模擬量輸入信號上傳到外部的車載主控制器；以及接收外部車載主控制器的控制信號，并轉發給單片機處理為開關量輸出信號。進一步，還包括與所述單片機相連的串口通訊模塊；串口通訊模塊，用于完成單片機與外部計算機之間的通訊，以及下載和調試單片機程序。進一步，單片機的外部復位引腳用于監測電源電壓，當電源電壓低于上電復位電路的檢測門檻電壓時，復位邏輯電路；當電源電壓重新大于等于電復位電路的檢測門檻電壓時，延遲預設數值的時鐘后，上電復位結束。進一步，串口通訊模塊包括第五發光二極管，第五限流電阻通過第五發光二極管與單片機的狀態引腳相連；外部設備通過狀態引腳控制所述單片機周期性輸出低電平，以控制第五發光二極管得亮滅。·
進一步，外部設備控制單片機周期性輸出低電平的邏輯包括在單片機主程序循環之外開啟第一定時器中斷功能，當第一定時器中斷時，對單片機狀態引腳的狀態輸出取反。進一步，穩壓電源模塊包括電源管理單片集成電路，該電路至少包括第一引腳，第二引腳和第四引腳；電壓經由電源管理單片集成電路的第一引腳輸入；降壓后由第二引腳輸出；第四引腳采集第二引腳的輸出電壓值并反饋回電源管理單片集成電路；管理單片集成電路根據反饋的所述電壓值調整第二引腳的輸出電壓，使其穩定輸出。穩壓電源模塊還包括第一電容和第十電容作為儲能兀件，用于穩定輸入、輸出的電壓波形；其中，第一電容的正極連接所述電源管理單片集成電路的第一引腳；第十電容的正極通過第一濾波電感連接所述電源管理單片集成電路的第二引腳，以及所述電源管理單片集成電路的第四引腳；第十電容串聯第一濾波電感和第一肖特基二極管；第一肖特基二極管用于電流續流，并且與第一濾波電感相互配合，以穩定電壓輸出。穩壓電源模塊還包括與第十電容串聯的第一限流電阻和第六發光二極管，用于指示電源是否工作正常。進一步，ID、撥特率設定電路包括至少3位總線ID撥碼開關，經組合至少可設置8種總線ID ；以及至少2位總線撥特率撥碼開關，經組合至少可設置4種總線撥特率。通過所述ID、撥特率設定電路，設定CAN總線通訊時所用ID和撥特率的邏輯包括如下步驟讀取總線ID撥碼開關狀態，根據總線ID撥碼開關的組合，確定總線ID ;讀取撥特率撥碼開關狀態，根據總線撥特率撥碼開關的組合，確定撥特率；根據上述確定的總線ID和撥特率初始化CAN總線的總線ID和撥特率。進一步，DI輸入電路包括至少2路DI輸入，其中任一路DI輸入包括一 2位接插件和光電耦合信號隔離器件；所述2位接插件，用于引入車載信號輸入；光電耦合信號隔離器件，用于將車載系統信號與單片機系統信號隔離。任一路DI輸入的工作過程包括所述2位接插件有車載信號輸入時，光電耦合信號隔離器件的正極和負極間的發光二極管發光，發射極和集電極導通，使單片機為低電平輸入；當所述2位接插件沒有車載信號輸入時，光電耦合信號隔離器件的發射極和集電極不導通，使單片機為高電平輸入。進一步，單片機內置有至少8路10位高速ADC轉換器，將其中任一路設置為ADC轉換，以完成所述Al輸入電路將模擬量輸入信號向單片機輸入。
進一步，DO輸出電路采用控制輸出負極的方式。DO輸出電路包括單片機DO引腳串聯第三電阻后與第一三極管的基極連接，以及串聯第二十二上拉電阻后與系統電源連接；第一三極管的發射極與地相連，集電極串聯第四限流電阻后與DO輸出接插件的第一引腳連接；D0輸出接插件的第一腳的常態為懸空狀態，當單片機DO引腳輸出高電平時，通過上拉第二十二電阻開啟第一三極管的基極，其集電極和發射極導通，以控制DO輸出接插件的第一腳輸出低電平。進一步，CAN總線通訊電路與車載主控制器之間采用高速光耦完全電氣隔離；光耦兩端電路的電源一并隔離。CAN總線通訊電路包括電源隔離模塊、總線控制器、總線收發器和高速光耦隔離；其中，高速光耦隔離 將單片機與總線收發器的收與發信號電氣隔離，以及將光耦兩端電路的電源一并隔離；單片機的電源通過穩壓電源模塊提供，CAN總線通訊電路的電源通過所述電源隔離模塊提供。進一步，總線擴展模塊對總線數據的監測和處理過程包括開啟定時器O中斷；主程序中監測總線上的數據，當出現控制所述總線擴展模塊輸出的信息時，經由CAN總線通訊電路傳輸至單片機，并由單片機驅動DO輸出電路輸出；定時器O中斷程序中，單片機采集DI輸入電路的DI信號和Al輸入電路的Al信號，并將采集的信號處理成可發送到CAN總線上的數據格式，在間隔預設的時長通過CAN總線通訊電路發送一次。在開啟定時器O中斷之前，還包括系統初始化；初始化模/數轉換功能；初始化CAN總線。本發明的CAN總線擴展模塊處理總線數據的方法，包括下列步驟開啟定時器O中斷；主程序中監測總線上的數據，當出現控制總線擴展模塊輸出的信息時，由總線擴展模塊輸出相應的控制信號；定時器O中斷程序中，采集DI信號和Al信號，并將采集的信號處理成可發送到CAN總線上的數據格式，在間隔預設的時長發送一次。進一步,在開啟定時器O中斷之前,還包括下述步驟系統初始化；初始化模/數轉換功能；初始化CAN總線。專門針對工程機械車輛，尤其是運梁車駕駛室的功能和特點而開發出的運梁車駕駛室CAN總線擴展模塊，同樣可以完成信號采集輸出和通過CAN總線與車載主控制器通訊的功能，并且與使用現有控制器相比，簡化了車輛電氣系統、降低了接線和走線工作量、節省了空間、大大降低了設備成本。


圖I為本發明實施例中的CAN總線擴展模塊結構示意圖；圖2-1為本發明實施例中的串口通訊模塊電路圖；圖2-2為本發明實施例中的單片機外部復位引腳RST部分的電路圖；圖3為本發明實施例中的狀態指示燈工作流程圖；圖4為本發明實施例中的穩壓電源模塊電路圖；圖5為本發明實施例中設定ID和撥特率的邏輯圖；圖6為本發明實施例中設定ID和撥特率的流程圖；圖7為本發明實施例中DI輸入電路的電路圖；圖8為本發明實施例中TLP521-4的內部電路圖；圖9為本發明實施例中DO輸出電路的電路圖10-1為本發明實施例中總線控制器MCP2515的電路圖；圖10-2為本發明實施例中總線收發器TJA1050的電路圖；圖10-3為本發明實施例中一個6N137的電路圖；圖10-4為本發明實施例中另一個6N137的電路圖；圖10-5為本發明實施例中CAN總線通訊電路自帶的電源隔離模塊B0505S的電路圖；圖11為本發明實施例中的總體軟件流程圖；圖12為本發明實施例中的總體軟件流程細化圖；
圖13為本發明實施例中CAN總線擴展模塊處理總線數據的方法流程圖。
具體實施例方式基于現有技術，發明人經研究發現工程機械車輛，尤其是運梁車駕駛室中的元件多以分立元件為主，接線走線工作量大。若要將這些元件的信息引入CAN(控制器局域網絡Controller Area NetWork)總線上,還需要專門訂購價格昂貴的控制器用于采集和通訊，增加了設備成本。如果設計一種運梁車駕駛室CAN總線擴展模塊來采集控制信號，并通過CAN總線和車載主控制器通訊，將達到簡化車輛電氣系統、降低接線和走線量、節省空間、降低成本的目的。發明人經研究還發現工程機械車輛，尤其是運梁車駕駛室內的信號是由大量的開關量輸入DI (Digital Input)、少量的電壓型模擬量輸入Al (Analog Input)和少量的開關量輸出D0(Digital Output)組成。開關量輸入DI用于指示車輛應工作于何種狀態，模擬量輸入Al用于采集方向盤及腳踏板的位置，開關量輸出DO用于控制狀態指示燈或報警蜂命器的輸出。這些信號都要通過CAN總線傳入車載主控制器中，由車載主控制器完成對整車的邏輯與算法控制。目前駕駛室信號的采集與傳輸都是通過將各個信號接入一控制器(一般為德國IFM公司型號為CR0020的控制器)上，由該控制器匯總并通過CAN總線和車載控制器通訊的方法。而該控制器的價格昂貴，并且只用控制器做諸如開關量采集、模擬量采集、開關量輸出等工作，未免顯得大材小用。因此，發明人針對運梁車駕駛室的功能和特點而開發出的運梁車駕駛室CAN總線擴展模塊，同樣可以完成信號采集輸出和通過CAN總線與車載主控制器通訊的功能，并且和上述現有控制器相比，運梁車駕駛室CAN總線擴展模塊的價格大大降低，節約了設備成本。本發明實施例提供的運梁車駕駛室CAN總線擴展模塊針對運梁車駕駛室信號特點，即大量開關量輸入、少量模擬量輸入和少量開關量輸出，單塊模塊可在車載CAN總線網絡上擴展16路開關量輸入，2路模擬量輸入，I路開關量輸出，0. 02秒狀態更新一次，可用撥碼開關設置8種CAN總線ID和4種CAN總線波特率。參見圖I所示，運梁車駕駛室CAN總線擴展模塊的控制部分為單片機11，具體可采用高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機STC12C5A60S2，它是整個擴展模塊的核心，負責控制串口通訊模塊12，穩壓電源模塊13，ID、撥特率設定電路14，DI輸入電路15，Al輸入電路16，DO輸出電路17和CAN總線通訊電路18，以及完成信號采集、數據處理和與車載主控制器CAN總線通訊。進一步，穩壓電源模塊13，用于提供穩定的電壓。ID、撥特率設定電路14，用于設定所述擴展模塊進行CAN總線通訊時的ID和撥特率。DI輸入電路15，用于將開關量輸入信號向單片機輸入。Al輸入電路16,用于將模擬量輸入信號向單片機輸入。DO輸出電路17,用于將單片機的開關量輸出信號輸出。CAN總線通訊電路18，用于將經單片機處理后的開關量輸入信號和模擬量輸入信號上傳到外部的車載主控制器；以及接收外部車載主控制器的控制信號，并轉發給單片機處理為開關量輸出信號。串口通訊模塊12，用于完成單片機與外部計算機之間的通訊，以及下載和調試單片機程序。串口通訊模塊12是單片機11與計算機通訊的接口，用于下載和調試單片機11程序。單片機11可以是STC12C5A60S2，串口通訊模塊12可以是MAX3232芯片，具體的串口通訊模塊12及一些輔助部分的電路如圖2-1所示。單片機第一個串口 UartO (U3的引腳RXD、TXD)與串口電平轉換芯片MAX3232串口輸入(U2的引腳RlOUT、Tl IN)相連，MAX3232串口輸出(U2的引腳R1IN、TI OUT)在四個O. I μ F的外部小尺寸電荷泵電容(Ε6、Ε7、Ε8、Ε9)的配合下，可確保在120kbps數據速率下維持RS-232的電平通訊。單片機的外部復位引腳RST用于監測VCC電源電壓，參見圖2-2所示，當VCC低于上電復位電路的檢測門檻電壓(1.33V±5%)時，所有邏輯電路都會復位；當VCC重新恢復正常電壓時(即VCC重新大于等于電復位電路的檢測門檻電壓時)，延遲32768個時鐘后，上電復位結束。第五發光二·極管D5是單片機工作狀態指示燈，第五限流電阻R5通過D5與單片機狀態State引腳相連，由程序通過State引腳控制單片機周期性的輸出低電平，從而控制D5的亮滅，當D5不斷閃爍時說明單片機運行正常，沒有進入死循環。工作狀態指示燈的程序控制流程如圖3所示，包括如下步驟S101、初始化程序；S102、在主程序循環之外開啟第一定時器I計數；S103、當第一定時器I中斷中對單片機State引腳的輸出狀態取反；S104、主程序循環。穩壓電源模塊13的電路如圖4所示。穩壓電源模塊13包括電源管理單片集成電路，具體可以是LM2596開關電壓調節器，即降壓型電源管理單片集成電路，該電路能夠輸出3A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性，至少包括第一引腳1，第二引腳2和第四引腳4。用其將車載24V電源轉換為5V電源給單片機11系統供電。嵌入式控制系統需要一個穩定的工作電壓才能可靠工作，傳統電源習慣采用線形穩壓器件來做電壓轉換，但是這種線形調節方式在工作中會有很大的熱損失，工作效率僅為30% 50%，加之工作環境惡劣，更易使嵌入式控制系統的穩定性能變差。而開關電壓調節器件則以完全導通或關斷的方式工作，工作時要么是大電流流過，要么是完全截止，因此，開關穩壓電源的功耗極低，平均工作效率可達70 % 90 %。輸入電壓范圍寬至5V 45V，電壓經由LM2596的引腳I輸入，根據反饋引腳4的電壓調節引腳2的輸出電壓，使其穩定在5V±4%輸出。穩壓電源模塊還包括第一電容E1、第十電容ElO作為儲能兀件,用于穩定輸入、輸出的電壓波形，串聯第一濾波電感LI抑制電源高頻干擾，第一肖特基二極管Dl作為續流二極管，與LI相互配合，保證5V穩定直流電壓輸出。第一限流電阻Rl串聯第六發光二極管D6，用于指示電源是否工作正常。ID、撥特率設定電路14其功能是通過撥碼開關設定擴展模塊進行CAN總線通訊時的ID和撥特率。開關關閉時，單片機11引腳被串聯電阻拉為高電平，開關閉合后，引腳和地導通，變為低電平輸入。ID、撥特率設定電路14包括至少3位總線ID撥碼開關，經組合至少可設置8種總線ID ；以及至少2位總線撥特率撥碼開關，經組合至少可設置4種總線撥特率。通過ID、撥特率設定電路14設定CAN總線通訊時所用ID和撥特率的邏輯參見圖5所示，包括如下步驟S201、讀取總線ID撥碼開關狀態，根據總線ID撥碼開關的組合，確定總線ID ;S202、讀取撥特率撥碼開關狀態，根據總線撥特率撥碼開關的組合，確定撥特率；S203、根據上述確定的總線ID和撥特率初始化CAN總線的總線ID和撥特率。更為具體的可參見圖6所示，3位總線ID撥碼開關組合可為OOO至111，確定的總線ID可為0x51至0x58 ;2位總線撥特率撥碼開關組合可為00至11，確定的撥特率可為100、125、250和500。DI輸入電路15，即開關量輸入電路包括至少2路DI輸入，其中任一路DI輸入包括一 2位接插件和光電耦合信號隔離器件；2位接插件用于引入車載信號輸入；光電耦合信號隔離器件，用于將車載系統信號與單片機系統信號隔離。其中，任一路DI輸入的工作過程包括所述2位接插件有車載信號輸入時，光電耦合信 號隔離器件的正極和負極間的發光二極管發光，發射極和集電極導通，使單片機為低電平輸入；當2位接插件沒有車載信號輸入時，光電耦合信號隔離器件的發射極和集電極不導通，使單片機為高電平輸入。更為具體的可參見圖7所示，利用光電耦合器件TLP521-4將左側車載24V系統信號與右側單片機5V系統信號隔離，增加安全性，減小電路干擾，簡化電路設計。TLP521-4的內部電路如圖8所示，其中一路DI輸入的工作過程為假設J411 (即2位接插件)的I腳有24V車載信號輸入時，TLP521-4的I腳(正極)和2腳(負極)間的發光二極管發光，使3腳(發射極)和4腳(集電極)導通，此時輸入單片機DI4引腳為低電平輸入；當沒有車載信號輸入時，TLP521-4的3腳和4腳不導通，單片機DI4引腳為高電平輸入。Al輸入電路16即電壓型模擬量(0-5V)輸入電路與單片機11配合，完成將模擬量輸入信號向單片機11輸入。具體的，STC12C5A60S2單片機11內置有8路10位高速ADC轉換器，速度可達250KHz，可通過軟件將8路中的任何一路設置為ADC轉換。該ADC是逐次比較型ADC，由一個比較器和DAC轉換器構成，通過逐次比較邏輯，從最高位開始，順序地對每一輸入電壓與DAC轉換器輸出進行比較，經過多次比較，使轉換所得的數字量逐次逼近輸入模擬量對應值，具有速度高、功耗低等優點。電路中電容作用是濾除對地干擾。DO輸出電路17即開關量輸出電路如圖9所示。單片機11的輸出不能用于驅動車載24V控制信號，所以利用高頻小功率NPN三極管9011(即圖中第一三極管Tl)對開關量信號進行放大。電路采用更安全、耗電更少的控制輸出負極的方式，平時J2的I腳為懸空狀態，當單片機11的DO引腳輸出高電平時，借助第二十二上拉電阻R22的作用開啟三極管9011的基極，三極管9011的集電極I腳和發射極3腳導通，控制J2的I腳輸出低電平。更為具體的，單片機11的DO引腳串聯第三電阻R3后與三極管9011的基極2連接，以及串聯R22后與系統電源連接；三極管9011的發射極與地相連，集電極串聯第四限流電阻R4后與DO輸出接插件(即J2)的第一引腳連接；D0輸出接插件的第一腳的常態為懸空狀態，當單片機DO引腳輸出高電平時，通過R22開啟三極管9011的基極，其集電極和發射極導通，以控制DO輸出接插件的第一腳輸出低電平。通過CAN總線通訊電路18，本發明的CAN總線擴展模塊與車載主控制器間進行CAN總線通訊的電路，其功能是將匯總到的輸入信號通過CAN總線上傳到車載主控制器中，并接收車載主控制器的控制信號，轉化為輸出電路的輸出。CAN總線通訊電路通常包括總線控制器、總線收發器和高速光耦隔離三部分。更為具體的，總線控制器以MCP2515芯片為主，可參見圖10-1所示，配合外電路構成。單片機CAN_C引腳作為總線控制器MCP2515(U7)的片選信號。引腳CAN_INT作為單片機接收總線數據中斷的輸入口。引腳CAN_SI、CAN_S0與CAN_SCK通過軟件設置在SPI模式下工作，作為單片機與MCP2515通訊的地址/數據和SPI時鐘信號線。總線收發器以TJA1050芯片為主，可參見圖10_2所示，配合外電路構成。TJA1050 (U8)的CANH和CANL引腳與地之間連接的兩個30pF電容(C5、C6)，用于過濾CAN總線上的高頻干擾，CANH和CANL弓丨腳與地之間連接的兩個二極管(D9、DI O)，在總線電壓發生瞬變干擾時起保護作用。高速光耦隔離可以使用高速光耦芯片6N137配合外電路構成。兩個6N137(U9、U10)分別參見圖10-3、10-4所示，將單片機與總線收發器的收與發信號完全電氣隔離，光耦兩端電路的電源也隔離開，單片機的電源通過穩壓電源模塊提供，CAN總線通訊電路18的電源通過自身帶的電源隔離模塊B0505S(Ull)提供，可參見圖10-5所示，這可增強車載 CAN總線通訊電路的抗雷擊能力。運梁車駕駛室CAN總線擴展模塊的總體軟件流程如圖11所示，包括下列步驟S301、開啟定時器O中斷。S302、主程序中監測總線上的數據，當出現控制所述總線擴展模塊輸出的信息時，經由CAN總線通訊電路18傳輸至單片機，并由單片機11驅動DO輸出電路17輸出。S303、定時器O中斷程序中，單片機11采集DI輸入電路15的DI信號和Al輸入電路16的Al信號，并將采集的信號處理后，在間隔預設的時長通過CAN總線通訊電路18發送。需要說明的是，上述步驟S302和S303為并行步驟，步驟S301為步驟S303的前置步驟。更為具體的，參見圖12所示，上述軟件流程可進一步包括下列步驟S401、系統初始化。S402、初始化ADC (模/數轉換功能)。S403、根據撥碼開關設置初始化CAN總線ID和波特率。S404、初始化定時器O并開啟定時器O中斷，以及同時轉入步驟S405和S408。S405、監測總線上的數據，當出現控制所述總線擴展模塊輸出的信息時，轉入步驟S406.S406、判斷是否模塊輸出，如果是，則轉入步驟S407 ;否則，轉入返回步驟S405。S407、經由CAN總線通訊電路18傳輸至述單片機11，并由單片機11驅動DO輸出電路17輸出。S408、定時器O中斷時，轉入步驟S409.S409、單片機11采集DI輸入電路15的DI信號和Al輸入電路16的Al信號，將所述信號處理成可發送到CAN總線上的數據格式，或/和將所述信號打包處理。S410、判斷發送時間是否到來，所述的發送時間為固定間隔的時長。如果是，則轉入步驟S411 ;否則，返回步驟409。S411、通過CAN總線通訊電路18發送一次數據。上述主程序中不斷監測總線上的數據，當總線上出現控制運梁車駕駛室CAN總線擴展模塊輸出的信息時，驅動DO輸出電路16輸出。在主程序運行的同時，定時器O中斷程序也在不斷運行，將采集到的DI、Al信號處理，每O. 02秒向總線發送一次。通過該種方式有效的解決了監測總線信息和向總線發送信息雙任務并行的問題。
本發明還提供了與CAN總線擴展模塊相應的一種CAN總線擴展模塊處理總線數據的方法，參見圖13所示，在具體實施例中包括如下步驟S501開啟定時器O中斷。S502、主程序中監測總線上的數據，當出現控制總線擴展模塊輸出的信息時，由總線擴展模塊輸出相應的控制信號。S503、定時器O中斷程序中，采集DI信號和Al信號，并將采集的信號處理后，在間隔預設的時長發出。需要說明的是，上述步驟S502和S503為并行步驟，步驟S501為步驟S503的前置步驟。更為具體的另一方法實施例，包括下列步驟·系統初始化。初始化模/數轉換功能。初始化CAN總線。開啟定時器O中斷。主程序中監測總線上的數據，當出現控制總線擴展模塊輸出的信息時，由總線擴展模塊輸出相應的控制信號。定時器O中斷程序中，采集DI信號和Al信號，并將采集的信號處理后，在間隔預設的時長發出。具體可將所述信號處理成可發送到CAN總線上的數據格式，在間隔預設的時長發送一次；或/和，將所述信號打包處理，以及每間隔預設的時長發送一次。上述主程序中不斷監測總線上的數據，當總線上出現控制運梁車駕駛室CAN總線擴展模塊輸出的信息時，輸出相應的控制信號。在主程序運行的同時，定時器O中斷程序也在不斷運行，將采集到的DI、Al信號處理，每O. 02秒向總線發送一次。通過該種方式有效的解決了監測總線信息和向總線發送信息雙任務并行的問題。綜上，本發明相對于現有技術存在以下優點I.現有技術使用德國進口控制器采集信號，一臺CR0020控制器價格是8000元，駕駛室內需要用兩臺，光控制器成本就需要16000元。而本模塊單臺不到70元，按本例運梁車需要的52路DI，4路D0，4路Al信號來看，用4塊模塊即足夠，成本總共280元。可見兩者成本相差之懸殊。2.現有技術使用的控制器體積大，只能統一放在駕駛室的電控柜內，電控柜在司機座椅的后邊，要將位于前面板上的元件信號接入電控柜內，接線、走線工作量大，也導致了設備電氣系統復雜，并且還占用了很多空間。而本運梁車駕駛室CAN總線擴展模塊體積小，可將其就近隱藏在駕駛室內信號集中的任何地方，例如面板下方，采集了元件信號后，再通過兩根CAN總線將信號引到設備的任何地方。3.現有技術使用的控制器主要是為控制工程機械設備中使用的液壓PWM比例閥而設計的，它的PWM信號通過調節占空比最大可達到4A的輸出電流，這是其他控制器不能比擬的。而我們僅僅用它來采集DI、Al信號，未免大材小用。并且該控制器的點數并不能最好的滿足使用要求，以本運梁車為例，需要52路DI，4路D0，4路Al，而目前所用CR0020控制器正好處于用一臺點數不夠，而用兩臺又有很多剩余點的情況。雖然也可以用其他品牌的控制器代替，例如西門子的控制器，DI、DO可以擴展很多，但是這種控制器屬于工業用控制器，其上沒有CAN總線(CAN總線大多用于車載、工程機械設備上，IFM屬于工程機械設備專用控制器)，如果使用還要加裝總線轉換模塊，使電氣系統變復雜，增加了故障點，降低了產品的可靠性。而本發明的CAN總線擴展模塊可滿足實際需求。4.現有技術的控制器具有很高的計算速度和超強的處理能力，而目前該控制器內并不需要復雜的控制程序，只需用其將信號采集，再通過CAN總線傳輸到其他控制器中，在其他控制器內進行程序算法控制，例如轉向算法控制、驅動行走算法控制等，這對該控制器的資源是一種浪費。本發明的CAN總線擴展模塊節約了預算處理部分，并可達到同等或更優的效果。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的 精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種工程機械車輛CAN總線擴展模塊，其特征在于，包括單片機，以及與所述單片機分別相連的穩壓電源模塊，ID、撥特率設定電路，DI輸入電路，Al輸入電路，DO輸出電路和CAN總線通訊電路； 其中，單片機控制穩壓電源模塊，ID、撥特率設定電路，DI輸入電路，Al輸入電路，DO輸出電路和CAN總線通訊電路的工作； 穩壓電源模塊，用于提供穩定的電壓； ID、撥特率設定電路，用于設定所述擴展模塊進行CAN總線通訊時的ID和撥特率； DI輸入電路，用于將開關量輸入信號向單片機輸入； Al輸入電路，用于將模擬量輸入信號向單片機輸入； DO輸出電路,用于將單片機的開關量輸出信號輸出； CAN總線通訊電路，用于將經單片機處理后的開關量輸入信號和模擬量輸入信號上傳到外部的車載主控制器；以及接收外部車載主控制器的控制信號，并轉發給單片機處理為開關量輸出信號。
2.如權利要求I所述的總線擴展模塊，其特征在于，還包括與所述單片機相連的串口通訊模塊； 串口通訊模塊，用于完成單片機與外部計算機之間的通訊，以及下載和調試單片機程序。
3.如權利要求I所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述單片機的外部復位引腳用于監測電源電壓，當電源電壓低于上電復位電路的檢測門檻電壓時，復位邏輯電路；當電源電壓重新大于等于電復位電路的檢測門檻電壓時，延遲預設數值的時鐘后，上電復位結束。
4.如權利要求I所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述串口通訊模塊包括第五發光二極管，第五限流電阻通過第五發光二極管與單片機的狀態引腳相連； 外部設備通過狀態引腳控制所述單片機周期性輸出低電平，以控制第五發光二極管得亮滅。
5.如權利要求4所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述外部設備控制單片機周期性輸出低電平的邏輯包括在單片機主程序循環之外開啟第一定時器中斷功能，當第一定時器中斷時，對單片機狀態引腳的狀態輸出取反。
6.如權利要求I所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述穩壓電源模塊包括電源管理單片集成電路，該電路至少包括第一引腳，第二引腳和第四引腳； 電壓經由電源管理單片集成電路的第一引腳輸入；降壓后由第二引腳輸出；第四引腳采集第二引腳的輸出電壓值并反饋回電源管理單片集成電路；管理單片集成電路根據反饋的所述電壓值調整第二引腳的輸出電壓，使其穩定輸出。
7.如權利要求6所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述穩壓電源模塊還包括第一電容和第十電容作為儲能元件，用于穩定輸入、輸出的電壓波形； 其中，第一電容的正極連接所述電源管理單片集成電路的第一引腳； 第十電容的正極通過第一濾波電感連接所述電源管理單片集成電路的第二引腳，以及所述電源管理單片集成電路的第四引腳； 第十電容串聯第一濾波電感和第一肖特基二極管；第一肖特基二極管用于電流續流，并且與第一濾波電感相互配合，以穩定電壓輸出。
8.如權利要求7所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述穩壓電源模塊還包括與第十電容串聯的第一限流電阻和第六發光二極管，用于指示電源是否工作正常。
9.如權利要求I所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述ID、撥特率設定電路包括至少3位總線ID撥碼開關，經組合至少可設置8種總線ID ；以及至少2位總線撥特率撥碼開關，經組合至少可設置4種總線撥特率。
10.如權利要求9所述的總線擴展模塊，其特征在于，通過所述ID、撥特率設定電路，設定CAN總線通訊時所用ID和撥特率的邏輯包括如下步驟 讀取總線ID撥碼開關狀態，根據總線ID撥碼開關的組合，確定總線ID ； 讀取撥特率撥碼開關狀態，根據總線撥特率撥碼開關的組合，確定撥特率； 根據上述確定的總線ID和撥特率初始化CAN總線的總線ID和撥特率。
11.如權利要求I所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述DI輸入電路包括至少2路DI輸入，其中任一路DI輸入包括一 2位接插件和光電稱合信號隔離器件； 所述2位接插件，用于引入車載信號輸入； 光電耦合信號隔離器件，用于將車載系統信號與單片機系統信號隔離。
12.如權利要求11所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述任一路DI輸入的工作過程包括 所述2位接插件有車載信號輸入時，光電耦合信號隔離器件的正極和負極間的發光二極管發光，發射極和集電極導通，使單片機為低電平輸入；當所述2位接插件沒有車載信號輸入時，光電耦合信號隔離器件的發射極和集電極不導通，使單片機為高電平輸入。
13.如權利要求I所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述單片機內置有至少8路10位高速ADC轉換器，將其中任一路設置為ADC轉換，以完成所述Al輸入電路將模擬量輸入信號向單片機輸入。
14.如權利要求I所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述DO輸出電路采用控制輸出負極的方式。
15.如權利要求14所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述DO輸出電路包括 單片機DO引腳串聯第三電阻后與第一三極管的基極連接，以及串聯第二十二上拉電阻后與系統電源連接；第一三極管的發射極與地相連，集電極串聯第四限流電阻后與DO輸出接插件的第一引腳連接； DO輸出接插件的第一腳的常態為懸空狀態，當單片機DO引腳輸出高電平時，通過上拉第二十二電阻開啟第一三極管的基極，其集電極和發射極導通，以控制DO輸出接插件的第一腳輸出低電平。
16.如權利要求I所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述CAN總線通訊電路與車載主控制器之間采用高速光耦完全電氣隔離；光耦兩端電路的電源一并隔離。
17.如權利要求16所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述CAN總線通訊電路包括電源隔離模塊、總線控制器、總線收發器和高速光耦隔離； 其中，高速光耦隔離將單片機與總線收發器的收與發信號電氣隔離，以及將光耦兩端電路的電源一并隔離；單片機的電源通過穩壓電源模塊提供，CAN總線通訊電路的電源通過所述電源隔離模塊提供。
18.如權利要求I所述的總線擴展模塊，其特征在于，所述總線擴展模塊對總線數據的監測和處理過程包括 開啟定時器O中斷； 主程序中監測總線上的數據，當出現控制所述總線擴展模塊輸出的信息時，經由CAN總線通訊電路傳輸至單片機，并由單片機驅動DO輸出電路輸出； 定時器O中斷程序中，單片機采集DI輸入電路的DI信號和Al輸入電路的Al信號，并 將采集的所述信號處理成可發送到CAN總線上的數據格式，在間隔預設的時長通過CAN總線通訊電路發送一次。
19.如權利要求18所述的總線擴展模塊，其特征在于，在開啟定時器O中斷之前，還包括 系統初始化； 初始化模/數轉換功能； 初始化CAN總線。
20.一種CAN總線擴展模塊處理總線數據的方法，其特征在于，包括下列步驟 開啟定時器O中斷； 主程序中監測總線上的數據，當出現控制總線擴展模塊輸出的信息時，由總線擴展模塊輸出相應的控制信號； 定時器O中斷程序中，采集DI信號和Al信號，并將采集的所述信號處理成可發送到CAN總線上的數據格式，并在間隔預設的時長發出。
21.如權利要求20所述處理總線數據的方法，其特征在于，在開啟定時器O中斷之前，還包括下述步驟 系統初始化； 初始化模/數轉換功能； 初始化CAN總線。
全文摘要
本發明公開了一種工程機械車輛CAN總線擴展模塊及處理總線數據的方法，涉及工程機械領域，用以解決現有技術使用的控制器價格昂貴，體積大，接線走線工作量大，點數不能滿足要求的問題。擴展模塊包括單片機，以及與單片機分別相連的穩壓電源模塊，ID、撥特率設定電路，DI輸入電路，AI輸入電路，DO輸出電路和CAN總線通訊電路。方法包括開啟定時器0中斷；主程序中監測總線上的數據，當出現控制總線擴展模塊輸出的信息時，由總線擴展模塊輸出相應的控制信號；定時器0中斷程序中，采集DI信號和AI信號，并將信號處理后，在間隔預設的時長發出。本發明簡化了車輛電氣系統、降低了接線和走線工作量、節省了空間、降低了設備成本。
文檔編號H04L12/40GK102955437SQ201110235579
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月17日 優先權日2011年8月17日
發明者王大江, 張宇, 王金祥, 王智勇, 張力劍, 賈貴青, 郭海娟 申請人:秦皇島天業通聯重工股份有限公司