专利名称：一种工程机械车辆总线扩展模块的制作方法在当前的工程机械车辆产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种电子控制系统被开发。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应减少线束的数量，通过多个LAN进行大量数据的高速通信的需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。现在CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工程机械等各个方面。工程机械车辆，例如运梁车是专为铁路客运专线建设研制的，用来将箱梁从预制场运输至架梁工位，并与架桥机配合完成相应的架梁作业，属于载重量大的行走工程机械。 运梁车的驾驶室是驾驶人员指挥和操纵整个设备作业的舱室，其功能主要由其内部用于控制各种功能的开关和操纵杆，显示各种状态的指示灯和蜂鸣器构成。运梁车驾驶室内的信号是由开关量输入DI、电压型模拟量输入AI和开关量输出DO组成。开关量输入DI用于指示车辆应工作于何种状态，模拟量输入AI用于采集方向盘及脚踏板的位置，开关量输出DO 用于控制状态指示灯或报警蜂命器的输出。这些信号都要通过CAN总线传入车载主控制器中，由车载主控制器完成对整车的逻辑与算法控制。目前驾驶室信号的采集与传输都是通过将各个信号接入一控制器上，再由该控制器汇总并通过CAN总线和车载控制器通讯的方式。而前述用于采集和传输信号的控制器一般为德国IFM公司型号为CR0020的控制器，存在以下缺点1.现有技术使用的控制器价格昂贵。2.现有技术使用的控制器体积大，接线、走线工作量大。3.现有技术使用的控制器的点数不能满足使用要求。
图1为本实用新型实施例中的CAN总线扩展模块结构示意图；图2-1为本实用新型实施例中的串口通讯模块电路图；图2-2为本实用新型实施例中的单片机外部复位引脚RST部分的电路图；图3为本实用新型实施例中的状态指示灯工作流程图；图4为本实用新型实施例中的稳压电源模块电路图；图5为本实用新型实施例中设定ID和波特率的逻辑图；图6为本实用新型实施例中设定ID和波特率的流程图；图7为本实用新型实施例中DI输入电路的电路图；图8为本实用新型实施例中TLP521-4的内部电路图；图9为本实用新型实施例中DO输出电路的电路图；图10-1为本实用新型实施例中总线控制器MCP2515的电路图；图10-2为本实用新型实施例中总线收发器TJA1050的电路图；图10-3为本实用新型实施例中一个6N137的电路图；图10-4为本实用新型实施例中另一个6N137的电路图；图10-5为本实用新型实施例中CAN总线通讯电路自带的电源隔离模块B0505S的电路图；图11为本实用新型实施例中的总体软件流程图；图12为本实用新型实施例中的总体软件流程细化图。基于现有技术，发明人经研究发现工程机械车辆，尤其是运梁车驾驶室中的元件多以分立元件为主，接线走线工作量大。若要将这些元件的信息引入CAN(控制器局域网络 Controller Area NetWork)总线上，还需要专门订购价格昂贵的控制器用于采集和通讯， 增加了设备成本。如果设计一种运梁车驾驶室CAN总线扩展模块来采集控制信号，并通过 CAN总线和车载主控制器通讯，将达到简化车辆电气系统、降低接线和走线量、节省空间、降低成本的目的。发明人经研究还发现工程机械车辆，尤其是运梁车驾驶室内的信号是由大量的开关量输入DI (Digital Input)、少量的电压型模拟量输入AI (Analog Input)和少量的开关量输出D0(Digital Output)组成。开关量输入DI用于指示车辆应工作于何种状态，模拟量输入AI用于采集方向盘及脚踏板的位置，开关量输出DO用于控制状态指示灯或报警蜂命器的输出。这些信号都要通过CAN总线传入车载主控制器中，由车载主控制器完成对整车的逻辑与算法控制。目前驾驶室信号的采集与传输都是通过将各个信号接入一控制器 (一般为德国IFM公司型号为CR0020的控制器)上，由该控制器汇总并通过CAN总线和车载控制器通讯的方式。而该控制器的价格昂贵，并且只用控制器做诸如开关量采集、模拟量采集、开关量输出等工作，未免显得大材小用。因此，发明人针对运梁车驾驶室的功能和特点而开发出的运梁车驾驶室CAN总线扩展模块，同样可以完成信号采集输出和通过CAN总线与车载主控制器通讯的功能，并且和上述现有控制器相比，运梁车驾驶室CAN总线扩展模块的价格大大降低，节约了设备成本。本实用新型实施例提供的运梁车驾驶室CAN总线扩展模块针对运梁车驾驶室信号特点，即大量开关量输入、少量模拟量输入和少量开关量输出，单块模块可在车载CAN总线网络上扩展16路开关量输入，2路模拟量输入，1路开关量输出，0. 02秒状态更新一次， 可用拨码开关设置8种CAN总线ID和4种CAN总线波特率。参见图1所示，运梁车驾驶室 CAN总线扩展模块的控制部分为单片机11，具体可采用高速、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051单片机STC12C5A60S2，它是整个扩展模块的核心，负责控制串口通讯模块12，稳压电源模块13，ID、波特率设定电路14，DI输入电路15，AI输入电路16，DO输出电路17和CAN 总线通讯电路18，以及完成信号采集、数据处理和与车载主控制器CAN总线通讯。进一步， 稳压电源模块13，用于提供稳定的电压。ID、波特率设定电路14，用于设定所述扩展模块进行CAN总线通讯时的ID和波特率。DI输入电路15，用于将开关量输入信号向单片机输入。 AI输入电路16，用于将模拟量输入信号向单片机输入。DO输出电路17，用于将单片机的开关量输出信号输出。CAN总线通讯电路18，用于将经单片机处理后的开关量输入信号和模拟量输入信号上传到外部的车载主控制器；以及接收外部车载主控制器的控制信号，并转发给单片机处理为开关量输出信号。串口通讯模块12，用于完成单片机与外部计算机之间的通讯，以及下载和调试单片机程序。串口通讯模块12是单片机11与计算机通讯的接口，用于下载和调试单片机11程序。单片机11可以是STC12C5A60S2，串口通讯模块12可以是MAX3232芯片，具体的串口通讯模块12及一些辅助部分的电路如图2-1所示。单片机第一个串口 UartO (U3的引脚 RXD、TXD)与串口电平转换芯片MAX3232串口输入(U2的引脚R10UT、Tl IN)相连，MAX3232 串口输出(U2的引脚R1IN、T10UT)在四个0. 1 μ F的外部小尺寸电荷泵电容(Ε6、Ε7、Ε8、 Ε9)的配合下，可确保在1201ApS数据速率下维持RS-232的电平通讯。单片机的外部复位引脚RST用于监测VCC电源电压，参见图2-2所示，当VCC低于上电复位电路的检测门槛电压(1.33V 士 5%)时，所有逻辑电路都会复位；当VCC重新恢复正常电压时(即VCC重新大于等于电复位电路的检测门槛电压时)，延迟32768个时钟后，上电复位结束。第五发光二极管D5是单片机工作状态指示灯，第五限流电阻R5通过D5与单片机状态Mate引脚相连， 由程序通过^ate引脚控制单片机周期性的输出低电平，从而控制D5的亮灭，当D5不断闪烁时说明单片机运行正常，没有进入死循环。工作状态指示灯的程序控制流程如图3所示， 包括如下步骤S101、初始化程序；S102、在主程序循环之外开启第一定时器1计数；S103、 当第一定时器1中断中对单片机Mate引脚的输出状态取反；S104、主程序循环。稳压电源模块13的电路如图4所示。稳压电源模块13包括电源管理单片集成电路，具体可以是LM2596开关电压调节器，即降压型电源管理单片集成电路，该电路能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，至少包括第一引脚1，第二引脚 2和第四引脚4。用其将车载MV电源转换为5V电源给单片机11系统供电。嵌入式控制系统需要一个稳定的工作电压才能可靠工作，传统电源习惯采用线形稳压器件来做电压转换，但是这种线形调节方式在工作中会有很大的热损失，工作效率仅为30 % 50 %，加之工作环境恶劣，更易使嵌入式控制系统的稳定性能变差。而开关电压调节器件则以完全导通或关断的方式工作，工作时要么是大电流流过，要么是完全截止，因此，开关稳压电源的功耗极低，平均工作效率可达70% 90%。输入电压范围宽至5V 45V，电压经由LM2596 的引脚1输入，根据反馈引脚4的电压调节引脚2的输出电压，使其稳定在5V士4%输出。 稳压电源模块还包括第一电容E1、第十电容ElO作为储能元件，用于稳定输入、输出的电压波形，串联第一滤波电感Ll抑制电源高频干扰，第一肖特基二极管Dl作为续流二极管，与 Ll相互配合，保证5V稳定直流电压输出。第一限流电阻Rl串联第六发光二极管D6，用于指示电源是否工作正常。ID、波特率设定电路14其功能是通过拨码开关设定扩展模块进行CAN总线通讯时的ID和波特率。开关关闭时，单片机11引脚被串联电阻拉为高电平，开关闭合后，引脚和地导通，变为低电平输入。ID、波特率设定电路14包括至少3位总线ID拨码开关，经组合至少可设置8种总线ID ；以及至少2位总线波特率拨码开关，经组合至少可设置4种总线波特率。通过ID、波特率设定电路14设定CAN总线通讯时所用ID和波特率的逻辑参见图5所示，包括如下步骤S201、读取总线ID拨码开关状态，根据总线ID拨码开关的组合， 确定总线ID ；S202、读取波特率拨码开关状态，根据总线波特率拨码开关的组合，确定波特率；S203、根据上述确定的总线ID和波特率初始化CAN总线的总线ID和波特率。更为具体的可参见图6所示，3位总线ID拨码开关组合可为000至111，确定的总线ID可为0x51至 0x58 ；2位总线波特率拨码开关组合可为00至11，确定的波特率可为100、125、250和500。DI输入电路15，即开关量输入电路包括至少2路DI输入，其中任一路DI输入包括一 2位接插件和光电耦合信号隔离器件；2位接插件用于引入车载信号输入；光电耦合信号隔离器件，用于将车载系统信号与单片机系统信号隔离。其中，任一路DI输入的工作过程包括所述2位接插件有车载信号输入时，光电耦合信号隔离器件的正极和负极间的发光二极管发光，发射极和集电极导通，使单片机为低电平输入；当2位接插件没有车载信号输入时，光电耦合信号隔离器件的发射极和集电极不导通，使单片机为高电平输入。更为具体的可参见图7所示，利用光电耦合器件TLP521-4将左侧车载24V系统信号与右侧单片机 5V系统信号隔离，增加安全性，减小电路干扰，简化电路设计。TLP521-4的内部电路如图8 所示，其中一路DI输入的工作过程为假设J411 (即2位接插件)的1脚有24V车载信号输入时，TLP521-4的1脚(正极)和2脚(负极)间的发光二极管发光，使3脚(发射极) 和4脚(集电极)导通，此时输入单片机DI4引脚为低电平输入；当没有车载信号输入时， TLP521-4的3脚和4脚不导通，单片机DI4引脚为高电平输入。AI输入电路16即电压型模拟量(0-5V)输入电路与单片机11配合，完成将模拟量输入信号向单片机11输入。具体的，STC12C5A60S2单片机11内置有8路10位高速ADC 转换器，速度可达250KHz，可通过软件将8路中的任何一路设置为ADC转换。该ADC是逐次比较型ADC，由一个比较器和DAC转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位开始，顺序地对每一输入电压与DAC转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值，具有速度高、功耗低等优点。电路中电容作用是滤除对地干扰。DO输出电路17即开关量输出电路如图9所示。单片机11的输出不能用于驱动车载24V控制信号，所以利用高频小功率NPN三极管9011(即图中第一三极管Tl)对开关量信号进行放大。电路采用更安全、耗电更少的控制输出负极的方式，平时J2的1脚为悬空状态，当单片机11的DO引脚输出高电平时，借助第二十二上拉电阻R22的作用开启三极管 9011的基极，三极管9011的集电极1脚和发射极3脚导通，控制J2的1脚输出低电平。更为具体的，单片机11的DO引脚串联第三电阻R3后与三极管9011的基极2连接，以及串联 R22后与系统电源连接；三极管9011的发射极与地相连，集电极串联第四限流电阻R4后与 DO输出接插件(即J2)的第一引脚连接；DO输出接插件的第一脚的常态为悬空状态，当单片机DO引脚输出高电平时，通过R22开启三极管9011的基极，其集电极和发射极导通，以控制DO输出接插件的第一脚输出低电平。通过CAN总线通讯电路18，本实用新型的CAN总线扩展模块与车载主控制器间进行CAN总线通讯的电路，其功能是将汇总到的输入信号通过CAN总线上传到车载主控制器中，并接收车载主控制器的控制信号，转化为输出电路的输出。CAN总线通讯电路通常包括总线控制器、总线收发器和高速光耦隔离三部分。更为具体的，总线控制器以MCP2515芯片为主，可参见图10-1所示，配合外电路构成。单片机CAN_C引脚作为总线控制器MCP2515(U7)的片选信号。弓丨脚CAN_INT作为单片机接收总线数据中断的输入口。引脚CAN_SI、CAN_S0与CAN_SCK通过软件设置在SPI模式下工作，作为单片机与MCP2515通讯的地址/数据和SPI时钟信号线。总线收发器以TJA1050芯片为主，可参见图10_2所示，配合外电路构成。 TJA1050 (U8)的CANH和CANL引脚与地之间连接的两个30pF电容(C5、C6)，用于过滤CAN 总线上的高频干扰，CANH和CANL引脚与地之间连接的两个二极管(D9、D10)，在总线电压发生瞬变干扰时起保护作用。高速光耦隔离可以使用高速光耦芯片6附37配合外电路构成。两个6N137(U9、 U10)分别参见图10-3、10-4所示，将单片机与总线收发器的收与发信号完全电气隔离，光耦两端电路的电源也隔离开，单片机的电源通过稳压电源模块提供，CAN总线通讯电路18 的电源通过自身带的电源隔离模块B0505S(Ull)提供，可参见图10-5所示，这可增强车载 CAN总线通讯电路的抗雷击能力。运梁车驾驶室CAN总线扩展模块的总体软件流程如图11所示，包括下列步骤S301、开启定时器0中断。S302、主程序中监测总线上的数据，当出现控制所述总线扩展模块输出的信息时，经由CAN总线通讯电路18传输至单片机，并由单片机11驱动DO输出电路17输出。S303、定时器0中断程序中，单片机11采集DI输入电路15的DI信号和AI输入电路16的AI信号，并将采集的信号处理后，在间隔预设的时长通过CAN总线通讯电路18 发送。需要说明的是，上述步骤S302和S303为并行步骤，步骤S301为步骤S303的前置步骤。更为具体的，参见图12所示，上述软件流程可进一步包括下列步骤S401、系统初始化。[0057]S402、初始化ADC (模/数转换功能)。S403、根据拨码开关设置初始化CAN总线ID和波特率。S404、初始化定时器0并开启定时器0中断，以及同时转入步骤S405和S408。S405、监测总线上的数据，当出现控制所述总线扩展模块输出的信息时，转入步骤 S406.S406、判断是否模块输出，如果是，则转入步骤S407 ；否则，转入返回步骤S405。S407、经由CAN总线通讯电路18传输至述单片机11，并由单片机11驱动DO输出电路17输出。S408、定时器0中断时，转入步骤S409.S409、单片机11采集DI输入电路15的DI信号和AI输入电路16的AI信号，将所述信号处理成可发送到CAN总线上的数据格式，或/和将所述信号打包处理。S410、判断发送时间是否到来，所述的发送时间为固定间隔的时长。如果是，则转入步骤S411 ；否则，返回步骤409。S411、通过CAN总线通讯电路18发送一次数据。上述主程序中不断监测总线上的数据，当总线上出现控制运梁车驾驶室CAN总线扩展模块输出的信息时，驱动DO输出电路16输出。在主程序运行的同时，定时器0中断程序也在不断运行，将采集到的DI、AI信号处理，每0. 02秒向总线发送一次。通过该种方式有效的解决了监测总线信息和向总线发送信息双任务并行的问题。综上，本实用新型相对于现有技术存在以下优点1.现有技术使用德国进口控制器采集信号，一台CR0020控制器价格是8000元，驾驶室内需要用两台，光控制器成本就需要16000元。而本模块单台不到70元，按本例运梁车需要的52路DI，4路D0，4路AI信号来看，用4块模块即足够，成本总共280元。可见两者成本相差之悬殊。2.现有技术使用的控制器体积大，只能统一放在驾驶室的电控柜内，电控柜在司机座椅的后边，要将位于前面板上的元件信号接入电控柜内，接线、走线工作量大，也导致了设备电气系统复杂，并且还占用了很多空间。而本运梁车驾驶室CAN总线扩展模块体积小，可将其就近隐藏在驾驶室内信号集中的任何地方，例如面板下方，采集了元件信号后， 再通过两根CAN总线将信号引到设备的任何地方。3.现有技术使用的控制器主要是为控制工程机械设备中使用的液压PWM比例阀而设计的，它的PWM信号通过调节占空比最大可达到4A的输出电流，这是其他控制器不能比拟的。而我们仅仅用它来采集DI、AI信号，未免大材小用。并且该控制器的点数并不能最好的满足使用要求，以本运梁车为例，需要52路DI，4路D0，4路AI，而目前所用CR0020 控制器正好处于用一台点数不够，而用两台又有很多剩余点的情况。虽然也可以用其他品牌的控制器代替，例如西门子的控制器，DI、DO可以扩展很多，但是这种控制器属于工业用控制器，其上没有CAN总线(CAN总线大多用于车载、工程机械设备上，IFM属于工程机械设备专用控制器)，如果使用还要加装总线转换模块，使电气系统变复杂，增加了故障点，降低了产品的可靠性。而本实用新型的CAN总线扩展模块可满足实际需求。4.现有技术的控制器具有很高的计算速度和超强的处理能力，而目前该控制器内并不需要复杂的控制程序，只需用其将信号采集，再通过CAN总线传输到其他控制器中，在其他控制器内进行程序算法控制，例如转向算法控制、驱动行走算法控制等，这对该控制器的资源是一种浪费。本实用新型的CAN总线扩展模块节约了预算处理部分，并可达到同等或更优的效果。 显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。