1 引言

平地機是一種平整場地、路面的機械，作業時其鏟刀相對于地面的位置決定工作質量，即路面的平整度。鏟刀安裝在一個可水平回轉、垂直擺動和橫向伸縮的機架上，通過控制液壓油缸的動作，控制鏟刀升降、回轉、傾斜、引出，以及鏟土角度變換。由于操作復雜，要求操作員具有嫻熟的操作技術，根據平地機行駛狀況不斷調整鏟刀，使路面平整。因此該作業過程對操作員技術要求特別高，而且勞動強度較大。為了提高作業效率和和施工精度，這里提出一種基于CAN總線的平地機自動找平系統設計。

2 自動找平系統總體設計

2．1 CAN總線簡介

CAN（Controller Area Network）總線即控制器局域網，是應用最廣泛的現場總線之一，主要用于監控各種過程設備。CAN總線作為一種多主方式的串行通訊總線，其基本設計規范要求高位速率和高抗電磁干擾性，而且能夠監測產生的任何錯誤，具有成本低、總線利用率高、數據傳輸距離遠（長達10 km）、數據傳輸速率高（高達1 Mb／s）、可靠的錯誤處理和檢錯機制以及發送的信息遭到破壞后可自動重發等特性；CAN總線作為一種技術先進、可靠性高、功能完善與成本合理的遠程網絡通訊控制方式，已廣泛應用于各個自動化控制系統。因此，CAN總線具有不可比擬的優越性。

2．2 系統總體結構

自動找平系統可使平地機按照操作員預先設定的縱坡和橫坡值進行自動控制，從而使平地機自動操作，保證平地機按照設定值精確平整路面。該控制系統包括橫坡、縱坡傳感器、比例閥組、操作界面以及控制器，如圖1所示。

其中橫坡、縱坡傳感器測量鏟刀的位置參數信息、比例閥組控制鏟刀油缸、操作界面用于設定系統參數、施丁參數及顯示鏟刀實時位置參數信息，而控制器則用于接收傳感器采集的實時信息。

傳感器及操作界面通過CAN總線與控制器相連，控制器的信號輸出端與比例閥組的信號輸入端相連，比例閥組與平地機的液壓系統相連。

2．3 系統工作腺理

采用縱坡傳感器和橫坡傳感器分別測量鏟刀的縱坡、橫坡值，將測量到的實時信息通過CAN總線傳送至控制器。控制器將其與保存在系統中的設定值相比較，再將相應的PWM信號輸出到比例閥組。比例閥組控制鏟刀油缸進行相應升降，從而保證系統按照設定的橫坡值及縱坡值精確施工。

3 系統硬件設計

3．1 系統組成原理及接口電路

基于CAN總線的單片機平地機自動找平系統的組成原理如圖2所示，其中硬件設計的關鍵是單片機與總線之間的接口設計，具體接口電路設計如圖3所示。

數據采集點中的單片機通過輸入模塊采集模擬量和開關量，并對其處理，傳輸至CAN控制器的發送緩沖區，然后啟動CAN控制器發送命令，此時CAN控制器將自動向總線發送數據，無需單片機干預。若系統中有多個CAN控制器同時向總線發送數據，則CAN控制器通過信息幀中的標識符進行仲裁，標識符數值最小的CAN控制器優先使用總線。當控制器執行節點中的CAN控制器監測到總線上有數據時，其自動接收總線上的數據，并將該數據存入接收緩沖區，并向單片機發送接收中斷，啟動單片機中斷接收程序，從CAN控制器的接收緩沖區讀取數據，并對其處理后通過輸出模塊輸出，從而控制被控對象。

3．2 液晶顯示接口電路設計

液晶顯示接口模塊用于顯示平地機作業過程中工作狀態：設定系統控制參數；提交控制命令，其接口電路如圖4所示。該液晶顯示模塊有4個按鍵輸入信號，分別是A/M鍵、設定鍵、上升鍵和下降鍵。A/M鍵設置控制器工作狀態，手動、自動切換。設定鍵設定系統參數和施工參數，例如橫坡值、縱坡值、靈敏度及控制范圍等。上升、下降鍵在自動模式下配合設定值調節系統的各項參數，而在手動模式下這兩個按鍵直接控制鏟刀的升降。

4 系統軟件設計

4．1 CAN控制器軟件設計

圖5為CAN控制器的軟件流程，其中系統初始化包括程序緩沖初始化、CAN控制器初始化、中斷初始化、SOC外圍I／O配置及SOC晶振配置等；判斷冷熱啟動是防止在接收到有效發送請求幀后檢測發送方式或發送請求丟失；判斷是否接收是為配合主控制多傳感器分時接收控制。單片機接收來自總線的橫坡、縱坡監測值后，設置PWM脈寬，并輸出方波。

4．2 系統通信軟件設計

系統通信軟件設計主要包括CAN初始化、數據的發送及接收3部分。初始化主要包括設置工作方式、接收濾波方式、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器、波特率參數和中斷允許寄存器等。在初始化這些寄存器之前，必須確保系統進入復位狀態。圖6為系統通信軟件流程。

發送子程序負責節點報文的發送。發送時，只需將待發送的一幀報文送入SJA1000發送緩沖區，然后啟動SJA1000發送即可。在向SJA1000發送緩沖區發送報文之前，必須先判斷發送緩沖區是否為空。

接收子程序負責節點子程序的接收和其他情況處理。在處理報文時，同時要處理一些情況，如總線關閉、錯誤報警等。單片機響應接收中斷后讀取SJA1000接收緩沖區數據并保存，再清空SJA1000接收緩沖器。

4．3 系統控制策略

由于平地機的平地精度與其行駛速度、發動機轉速、負載力等諸多因素有關，因此難以建立精確的數學模型。為了對平地機實施實時控制，最好采用一種簡便、快速且無需被控系統并具有精確的數學模型的控制方法。例如：模糊控制不要求被控對象有精確的數學模型，但單獨使用模糊控制不易消除穩態誤差，采用模糊控制與PID控制相結合，利用模糊控制實時修正PID參數，則可提高系統的控制精度和魯棒性，并具有較好的實用性。

5 結束語

本文設計的平地機自動找平系統可使平地機按照操作員預先設定的縱坡及橫坡值進行自動控制，從而實現平地機的自動操作，保證平地機按照設定值進行精確平整。該系統具有精度高、操作簡單、效率高、節省材料和投資等優點。采用CAN總線通信方式使整個系統的結構更緊湊，系統更加可靠，更具有實用性，且易于系統及功能擴展。