（模式识别与智能系统专业论文）智能振动压路机控制与通信系统的研究.pdf

摘要 摘要 本文论述了智能振动压路机控制与通信系统的设计与实现。振动压路机是机 群智能化工程机群的一个子设备，用以实现对被压实材料的压实。内容主要包括 对传统振动压路机的原理和控制需求进行分析，明确了所要实现的控制功能。然 后用微控制器改造旧的压路机电气系统，实现对压路机状态信息的采集、显示、 控制和通信。为实现机群的协作施工，需要将振动压路机的内部状态信息、位置 信息、时间信息等通过无线方式传送到调度中心，由调度中心监控和调度。 通过对振动压路机原理的分析，明确了系统的需求，根据这些需求和所要达 到的性能指标，实现对旧电气系统的改造。在改造过程中遵循集成化和可视化的 原则，把内部必要的状态信息采集到控制器中。利用微控制器的数字化特点，完 成压路机行走、转向、振动的微电脑控制、振动参数的在线检测和分析、振动轮 激振频率、振幅的优化和控制、液压驱动系统的防滑控制、洒水的控制、振动压 实度随车自动检测和分析处理等功能。人机接口采用带有c a n ( 控制器局域网 c o n t r o l l e r a l g a n e t w o r k ) 接口的图型液晶显示屏( l c d ) 。它作为一个c a n 总线 的节点，与压路机控制器通信。状态信息除了需要显示之外，还要通过无线网络， 传送到调度中心。这里采用带有c a n 通信接口的移动通信终端以短消息的方式 完成信息的无线传送。 压路机主控制器的硬件设计以w 7 8 e 5 1 6 b 微控制器为核心，扩展了3 2 k r a m ，4 mf l a s h 存储器，具有看门狗电路，实时时钟，a d 采集电路等。根 据总体需求分析把硬件电路的按功能划分为：主机控制模块、电源模块、时钟模 块、数据存储模块、数据采集模块( 输入模块) 、输出驱动模块、数据通信模块。 用c p l d 实现译码和接口扩展。 本文另一个设计是带c a n 接口的工程机械显示终端，它以a t 8 9 s 5 2 为控制 器。由p l d 实现译码和锁存，完成对4 mf l a s h 的存储和读取。具有3 2 0 x 2 4 0 点阵式液晶显示器，可显示各种汉字和图形。 在硬件设计的基础上，按照模块化思想进行软件的设计。包括开机故障自检 模块、各子模块的初始化、状态量采集模块、参数报警处理、密实度在线采集、 普通控制程序、激振频率的优化控制、液压驱动轮防打滑控制模块、洒水控制模 块、数据存储备份模块、液晶显示应用程序、c a n 总线通信模块等。软件中对所 要实现的控制功能的程序流程做了阐述。 最后对调试过程中出现的问题进行阐述，并给出解决方法。 关键词：压路机；微控制器；c a n 现场总线；l c d ；f l a s h ；c p l d ； g p s ；g s m a b s l r a c t a b s t r a c t t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o ri n t e l l i g e n tv i b r a t i n g r o l l e rh a v eb e e nd i s c u s s e dj nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i ti n c l u d e st h er e t r o f i to ft i l eo l de l e c t r i c a ls 3 ，s t e m o fv i b r a t i n gr o l l e rb ym c ua n dr e a l i z a t i o no fi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，d i s p l a y , c o n t r o lm a d t r a n s m i s s i o nb yw i r e l e s st e r m i n a l t h ev i b r a t i n gr o l l e r sa r et h es u b - e q u i p m e n t so fi n t e l l i g e n t i z e d e n g i n e e r i n gm a c h i n eg r o u p 1 1 1 em a i nf u n c t i o ni st oc o m p a c tt h ee n g i n e e r i n gm a t e r i a l i no r d e rt o i m p l e m e n tt h ec o o p e r a t i o no fm a c h i n eg r o u p , t h ei n f o r m a t i o no fv i b r a t i n gr o l l e r ，i n c l u d i n g i n t e r n a ls t a t e o b s t a c l e ss u r r o u n d e d , p o s i t i o n , t i m ee l c i sr e q u i r e dt ot r a n s m i t t e dt om o n i t o rc e n t e r a n dt ob em o n i t o r e da n dd i s p a t c h e d a f t e rt h ea n a l y s i so ft h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fv i b r a t i n g , t h er e q u i r e m e n to fs y s t e mi s a s c e r t a i n e d t h em 1 1 0 f i to ft h eo l de l e c t r i c a ls y r s t e mi sb a s e do nt h er e q u i r e m e n ta n dp e r f o r m a n c e w h i c hi st ob ea c h i e v e d i nt h ep r o c e s so f r e t r o f i t , i n t e g r a t i o na n dv i s u a l i z a t i o na i ma b i d e db y 1 1 i n t e r n a li n f o r m a t i o ni sc o l l e c t e db yt h ec e n t e rc o n t r o l l e ra n di sd i s p l a y e db yl c dr e a lt i m e b e s i d e sd i s p l a y , t h ei n t e m a li n f o r m a t i o ni sr e q u i r e dt ot r a n s m i tt om o n i t o rc e n t e rb yw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t h et r a n s m i s s i o nj sc a r r i e do u tb yam o b i l ec o m m u n i c a l l o nt e r m i n a lw i t hac a n b u si n t e r r a c e t h i st e r m i n a le a l t i c sg p sm o d u l ea n dg s m g p r sm o d u l e i tm a i n l yh a st w o f u n c t i o n s o n ei st oa c q u i r eg p si n f o r m a t i o n , a n dt h eo t h e ri st ot r a n s m i tw i r e l e s si n f o r m a t i o n t h r o u g ht h es h o r tm e s s a g e t h eh a r d w a r ed e s i g no fe e m e rc o n t r o l l e ri sc e n t e r e da b o u tam c un a m e dw 7 8 5 1 6 b 1 1 c o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o na n df u n c t i o n a lp a r t i t i o n sa r ea c c o r d i n gt or e q u i r e m e n ta n a l y s i s t h e c l p di su s e dt od e c ：o d ea n de x t e n di n t e r f a c c a n o t h e rd e s i g ni sa ne n g i n e e r i n gm a c h i n ed i s p l a yt e r m i n a lw i t hc a nb u s t h em c ui s a t 8 9 s 5 2 t h ep l di su s e dt od l o d ea n dl a t c h a4m e g a - b i tf l a s hi st os t o r eg r a p h i ca n ds t a t e d a t a 1 1 1 el c dh a s3 2 0 x 2 4 0p i x e l s i ti sa b l et od i s p l a yv a r i o u sc h a r a c t a sa n dg r a p h s t h es o f t w a r ed e s i g ni sd i v i d e di n t od i f f e r e n tf u n c t i o n a lm o d u l e s t h e yi n c l u d em a l f u n c t i o n d e t e c t i o nm o d u l e 。m a l f u n c t i o na l e r tm o d u l e ，s w i t c hs t a t ec o l l e c t i o nm o d u l e 。a n a l o gv a i l a b i e c o l l e c t i o nm o d u l e c a nb u sc o m m t m i c a t i o nm o d u l e , d a t ab a c k u pm o d u l ee t c s o m ep r o b l e m se n c o u n t e r e dw h e nt h es y s t e mi sd e b u g g e da ”d i s c u s s e di nt h ee n da n dt h e s o l u t i o n sa r eg i v e i l k e y w o r d $ ：v i b r a t i n ge n l l e r ；m i c r o c o n t r o l l e r ；c a nf i e l d b u s ；l e d ；f l a s h ；c p l d ；g p s ； g s m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研触虢氆蝗日期：山矿 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：趔导师签名：e t 期塑l 东南人学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着科技的进步和现代簏工项目大型化的要求，新一代工程机械不仅需要实现集成化操 作和智能控制，而且需要它们能够组成基于网络的智能化机群协同控制系统，以获得项目施 工的高效、低耗，并在尽可能短的时间内完成项目施工任务。工程机械产品的自动化、智能 化与集成化正在成为2 l 世纪工程机械的重要发展方向之一目前，工程机械的智能化主要 体现在三个方恧，即工程机械单机集成化操作与智能控制技术，工程机械的智能监控、检测、 预报、远程故障诊断与维护技术。以及基于网络的机群集成控制与智能化管理技术等。 1 2 振动压路机国内外历史和现状 1 2 1 压路机发展历程 压路机是压实机械的一种。压实机是一种利用机械自重、振动、或冲击的方法，对被压 实材科重复加载排除其内部的空气水分，使之达到一定密实度和平整度的作业机械。 压实机械按照压实原理可以分为静力式、振动式和冲击式三种类型。 j ) 静力压实 图1 - 1静力压实 一一 匠茏缓弦冱弦物坎z 缓茏茏弦勉 2 ) 冲击压实 3 ) 振动压宴 图卜2冲击压实和振动压实 压路机作为压实机械中最主要的机种，主要有静力式和振动式两种类型。最早是利用静 第一章绪论 力来实现压实的。早先出现的压路机是拖式的，是完全依靠自重的种压路机，如1 8 世纪 初制造的畜力牵引式光轮碾。1 9 世纪的工业革命席卷了西方，欧洲最早制造出了蒸汽机驱 动的拖拉机也是利用自重静力的原理。随着内燃机的出现，1 9 1 9 年在美国研制成了以内 燃机为动力的压路机。 2 0 世纪4 0 年代初第一台自行式钢轮振动压路机诞生。从此压实效果的增长不再是简 单地依赖于压路机重量或线压力的增大，同时也把压实过程中的振动参数和振动方式的研究 从一个高峰推向了另一个高峰。到现在，振动压路机的形式和功能已经发生了很大的变化， 各种各样的压路机层出不穷。 振动式压实原理是一个概括性说法实际上又可以分为振动式压实和振荡式压实，两者 是有一些区别的。振动压实的工作原理是在一定质量物体上加一个的振动器，从而产生激振 力，迫使被压实材料作垂直振动，使颗粒问的距离变小，密实度增加。其特点是：表面应力 不大，过程时同短，加载频率大。同时还可以根据不同的铺筑材料和铺层厚度，合理选择振 动频率和振幅，为智能调幅调频压实的实现提供理论依据。振荡式压路机是利用土力学土壤 交变剪应力的原理，在碾轮内对称安装并同步旋转的激振偏心块，使碾滚承受交变扭矩，对 地面持续作用，形成前后方的振荡波。在这种水平激振力和滚轮垂直静载的共同作用下，实 现对被压实材料在水平和垂直两个方向的压实。 振动压实和振荡压实的原理区别，如图 彬( ( ( 一一) ) ) i ) 振动压实原理2 ) 振荡压实原理 图卜3压实原理 2 0 世纪7 0 年代压实机械发展史上的一个重要变革是迅速而普遍地推广应用了静液压传 动和液压控制技术。到7 0 年代末的压路机，特别是在振动压路机上，机械传动在国外绝大 多数被液压传动所取代。从此出现了调频、调幅的振动压路机，为压实工作参数的优化调节 和随机监控创造了条件。 到2 0 世纪9 0 年代及2 1 世纪初伴随着信息技术的普及应用使得振动压路机进入到 了一个新的发展时期，智能化振动压路机成为新的发展趋势。所谓的智能化振动压路机是采 用计算机技术、精密传感技术、电液控制技术、卫星通信和遥感控制技术将自适应和自学习 技术引进到压实控制中，在压实度计的基础上，根据被压实材料压实度的变化情况来不断调 整机体自身的各项工作参数，以适应被压实材料下一步压实的需要，使压实作业始终在强佳 工作状况下进行，它主要具有以下几个系统： 6 东南人学硕士学位论文 ( 1 ) 密实度的测量系统 ( 2 ) 作业进程中振幅，频率、速度自动控制系统 ( 3 ) 状态监测和故障诊断系统 ( 4 ) 远程联网，行走定位综合控制系统 1 2 2 国内压路机的历史及技术现状 由于我国近代的历史原因，最初在压实机械行业尚未形成自主研发的成熟技术然而， 从样机仿制开始我国的压实机械行业实现了从无到有的变化，它为压实机械的发展奠定了 初步的理论和技术基础。 国内的压路机行业是从测绘仿制起步的，1 9 4 0 年大连仿制了我国第一台蒸汽式压路机 接着洛阳建筑机械厂、徐州工程机械制造厂、上海工程机械厂、三明重机等厂家，纷纷仿制 成功，形成了光轮压路机、轮胎压路机，和振动压路机等产品系列。“1 为引进国外先进的振 动压路机技术创造了条件。1 9 8 4 年，徐州工程机械制造厂引进瑞典d y n a p a c ( 戴纳派克) 公司 的c a 2 5 系列轮胎式振动压路机和c c 2 1 双钢轮串连式振动压路机，消化吸收其先进技术，大 大缩小了和国际压实机械技术的差距。 此后，随着我国改革开放的进一步深化，9 0 年代末期以后，国内压实机械企业在充分 吸收国际先进技术的基础上，不忘自主创新一批拥有自主知识产权高技术起点的压路机陆 续推向市场。如徐工集团的x s 系列单钢轮振动压路机、如系列双钢轮振动压路机，肝系列 轮胎压路机，长沙三一重工的佗1 8 、y z c l 2 等压路机，已经达到国际中上游水平。 下图所示为y z l 6 y 型液力机械驱动的振动压路机结构简图5 1 。 1 繁油机乇转向象操作岽3 侉动辅l4 驾驶壹 5 曩动轮6 ，动力换捎型建嚣7 传动轴h8 后轿 9 振动襞1 0 熏矩嚣1 1 散热罄 y z l y 墅摄动压菇机结构越圈 图卜4y z l 6 y 振动压路机结构图 但是应当看到我国压实机械与国际先进水平的技术差距的逐步缩小，这主要得益于多 年来积极推进的技术引进、消化吸收与创新发展工作，同时也有关键元气件的国际化配套带 来的技术进步的因素。 目前国内取钢轮振动压路机生产厂家主要有：徐州工程机械厂、洛阳建筑机械厂、三明 重型机器厂、三一重工、中联重科等几家公司。徐州工程机械厂在多年技术引进基础上，自 主开发了具有自主知识产权的】【d 系列双钢轮振动压路机。其产品性能、功能等均达到国际 7 第一章绪论 先进水平。其控制方式与国外类同，但没有达到b o m a g 公司智多星水平。洛辟| 建筑机械厂、 三一重工基本上是参照目前市场上普通型b o m a g 双钢轮振动压路机生产的，其技术档次属上 一代b o m a g 技术。三明重型机器厂生产的双钢轮压路机为徐工上一代技术产品。中联重科 双钢轮振动压路机为参照徐工x d 系列双钢轮振动压路机设计的，其产品水平属国内中游水 平。 i 2 3 国外压路机的技术现状 目前国际上生产双钢轮振动压路机的厂家主要有：德国b a m a g 公司、瑞典d a n a p a c 公司、 美国i n g e r s o l l r a n g 公司、美国c a t 公司、日本小松公司、日本酒井公司等。国外双钢轮 压路机主要技术参数如：静线载荷、频率、名义振幅、激振力、压轮宽度、直径等方面均比 较接近。在产品功能上。基本功能都具备。蟹型机构、压边机构基本上是可选件。产品结构 型式，除i n g e r - s o l l r a n g 公司目前产品为框架结构外，其余均为无框架结构。下面以德国 b o m a g 公司和瑞典d y n a p a c 公司的产品为例，介绍智能压路机的几种先进控制功能” 1 2 3 i 德国b o m a g 公司 德国的b 伽a g 公司研制出了b t m 压实度( 密实度) 计，并首次安装了位移传感器，可 以根据地面压实状态的不同来控制压路机的行走速度，这使得振动压路机第一次具有了。智 能”的概念。 微电子技术和计算机技术的应用带给压实机械的是一场控制革命。在这方面，德国宝马 ( b o m a g ) 公司以首创自动调频调幅、密实度在线检测等新技术而再一次确立了其世界压实 机械的领先地位。这种智能系统能根据被碾压物料密实度的变化自动选择适宜的振幅、频率、 速度进行压实。从而能消除材料出现压实不足或过压实现象，提高了土壤压实密实度的均匀 程度，并且能避免振动轮跳振引起的骨料破碎和机器损伤。 德国b o m a g 公司研制出智多星双钢轮振动压路机，可根据压实材料性质不同自动调整振 幅和频率，应可以算是非常智能化的压路机，其结构比较复杂，制造成本比较高，目前基本 上没有形成销售。其他公司还没见类似报道。 1 2 3 2 瑞典d y n a p a c 公司 d y n a p a c 公司每年都投入大量资金用于新技术研究，近几年开发出远程监控中心，e d c 电子驱动控制，i ) c a 密实度分析仪等高技术产品。 i 2 3 2 1d y n a p a c 远程监控及机器信息中心( d y m i c ) d y m i c 的设计宗旨为帮助d y n a p a e 的用户更合理有效地制定维护保养技术和施工计划， 避免故障停机。迅速发现失窃设备。并能及时准确地为用户提供机器的实时性能状态。d y m i c 融合了时下最流行的网络技术、成熟的卫星技术和先进的无线电技术，灵活性强运行价格 低，使用简便，并且为用户提供了更可靠稳定的设备监控。此外，还可为用户量身定制实时 监控方案。 1 2 3 2 2 国际压实中心( i h c c ) 国际压实中心( i h c c ) ，是戴纳派克公司成立的专门从事道路施工研究的部门该中 心为戴纳派克公司提供强大的技术支持。根据7 0 多年丰富的用户经验，建立了“经验银行”， 存有2 0 多万个实验数据及现场数据。可以根据不同的公路规模，i h c c 能够提供精确的设备 8 东南大学硕士学位论文 选型和施工方案。i h c c 在施工实用软件方面，也很有建树，目前已经开发出3 套非常实用 的软件，即用于土壤压实的c o m p b a s e ，用于沥青摊铺与压实的p a v e c o m p 和用于铣刨施工的 软件。 1 3 本文研究内容和章节安排 目前一些压路机还是采用传统的电气逻辑接线，来实现压路机的行走、转向、和振动的 控制。这种方式不利于运行参数的采集、保存。和分析，不利于机器之间的联网控制随着 微处理器的发展和广泛应用，使得原来以强电和电器为主、功能简单的电气测控设备发展成 强弱电结合，具有智能化特点的新型微电子设备。 本课题研究得主要任务是在压路机中引用微电脑控制，完成旧电气的电子化改造，采集 必要的状态信息并进行优化控制。压路机控制器能够提供故障诊断，操作控制，c a n 通信等 功能为了显示压路机状态，设计了c a n 接口l c d 显示终端可以通过c a n 总线和主控制器 通信，显示状态信息。利用现有的车载移动通信终端，能使机器和控制中心之间能够进行通 信，为实现机群控制提供技术基础。 论文各章节内容如下： 第二章首先介绍了压路机的基本情况，分析了系统的总体需求和要实现的性能指标，然 后比较论述了系统的不同设计方案，最后确定总体实现方案。 第三章讨论了智能压路机控制器和显示终端的相关技术。 第四章主要论述系统主控制器硬件部分的实现和c a n 接口l c d 显示终端硬件部分地实 现，首先给出了系统硬件结构框图。按功能模块进行划分，然后对各个子模块具体设计进行 了详细介绍。 4 。 第五章主要论述系统软件设计及实现，首先介绍了软件的总体结构，各功能子模块的分 配，然后对初始化流程、各个功能模块的实现、和c 删通信协议进行设计和论述。 第六章主要针对调试中出现的几个问题及如何解决进行了详细描述。 9 东南大学硕l 学位论文 2 1 需求分析 第二章总体方案设计 本系统以徐工集团生产的x d l 3 0 型串联式振动压路机为例参考其它型号压路机的功 能和控制逻辑，展开压路机控制变量的需求分析。x d l 3 0 型压路机采用全液压传动和全电 液控制，主要元件和系统全部国际化配套，具有全轮无级变速驱动，无级调频振动，两档振 幅蟹行机构，可调流量洒水，弹簧压紧刮装置等结构及性能特点。经过电子化改造后，能 够实现运行状态的实时采集与显示，位置信息的显示与确定，振幅的调节和振动频率的智能 无极调节，钢轮打滑的自动检测，远程通信，密实度在线检测等功能。 2 i 1 振动压路机主要性能特点 ) 1 3 0 型串联式振动压路机主要性能特点如下： ( 1 ) 前后钢轮由并联的两个液压马达单独驱动，轴向柱塞变量泵采用倒顺操纵手 把控制的方式 ( 2 ) 振动机构设计有两档振幅，前后轮同时振动。 ( 3 ) 采用全液压传动和全电液控制技术，除行车手柄和发动机油门及熄火外全部采用电 器开关控制。 ( 4 ) 获中国专利的双铰接转向及蟹行机构，能够保证碾压过程中前后钢轮错开达2 0 0 r a m ( 两 个方向均可) 。 ( 5 ) 耐磨性能好的聚胺腊刮泥板。 ( 6 ) 两个独立的压力洒水泵。 ( 7 ) 两档振动频率，高振和低振。改造后实现振动频率的无极调节。 2 1 2 要实现控制功能需求 压路机的控制通信系统研究的主要任务是对旧的电气线路进行电子化改造，实现集成化 操作、显示、控制和通信所要实现的功能如下： 2 1 2 1 压路机行走、转向，振动的微电脑控制 目前一些压路机还是采用传统的电气逻辑接线，来实现压路机的行走、转向、和振动的 控制。这种方式不利于运行参数的采集、保存，和分析，不利于机器之间的联网控制随着 微处理器的发展和广泛应用，使得原来以强电和电器为主、功能简单的电气测控设备发展成 强弱电结合，具有智能化特点的新型微电子设备。在压路机中引用微电脑控制。可以提高控 制质量和经济效益，能够提供故障诊断，历史信息报告，状态报告，趋势图等功能同时， 使机器和控制中心之间能够进行通信，为实现机群控制提供技术基础。 2 1 2 2 振动参数的在线检测和分析 对振动参数进行在线检测和分析。是优化控制的基础，同时也是技术难点。振动参数包 括振幅、频率、激振力、行驶速度、材料压实特性等：需要对这些参数相互之间的关系以及 对压实过程产生的影响进行深入的研究，才有可能对振动参数进行优化控制。对振动参数进 行检测分析，必须在振动轮安装相关的传感器，同时必须有能实现智能控制的控制装置和对 第- = 章总体方案设计 振动参数进行优化的专家系统。在本系统中采集的参数有频率、行驶速度。 2 1 2 3 振动轮激振频率、振幅的优化和控制 频率、振幅是影响压路机压实性能的主要参数，通过对振动参数的检测分析，通过控制 器中的专家系统经验表格选择最优的振动频率和振幅，从而最大限度的提高压实效率和质 量。 2 1 2 3 4 液压驱动系统的防滑控制 由于x d l 3 0 为前后剖分轮、四驱动，因此行驶中的防滑转是非常需要的。通过对驱动 轮转速的在线监控，实现液压驱动系统的自动控制，达到防止驱动轮打滑的目的，最大限度 地改善整机的机动性。前、后轮驱动均采用电控液压变量马达通过速度传感器在线检测前， 后轮的转速，并根据滑转情况自动反馈给控制系统驱动马达进行变量，达到防止驱动轮打滑 的目的。速度的检测需要两路脉冲量输入。 2 1 2 5 洒水的控制 对洒水系统实现自动控制提高洒水质量。根据安装在驱动马达上的速度传感器检测 车辆行驶的速度，从控制器的数据库中，调用预制的启始洒水速度，根据运行参数自动调节 洒水量。手动洒水时可根据电位器的设定，控制洒水输出，为开环控制。 工1 2 7 多振幅激振机构控制 对多振幅激振机构进行控制扩大压路机适用范围，减轻操作人员劳动强度。 振动轮采用内，外偏心轴结构形式，利用调幅花键套可以改变内、外偏心轴之问的夹角， 达到改变振幅实现多振幅的目的。( 此功能由机械方式实现) 2 1 2 s 振动压实度随车自动检测和分析处理 对振动压实度进行自动检测和分析处理，建立施工质量档案，提高工作效率，确保工 程质量。在振动轮连接板上安装密实度仪，在线检测被压材料的密实度，把电信号传给主控 制器，形成反馈，并且可以储存采集的结果。密实度仪为模拟量输出，通过控制器检测。 2 1 3 控制部分需求 研究一个对象的首要任务是明确对象的运行机理，分析其需求情况。根据上述的功能需 求，要完成压路机的微电脑控制，需要把压路机本身的物理量信息采集到，如各种按钮，驱 动泵的压力等，水温，油温等：振动参数的检测包括行驶速度、激振频率：防打滑控制要求 采集前后轮的速度，采用编码器方式采集，压路机速度不是很快，用普通的接1 2 1 就可以采集 到振动轮的速度。在压路机的电子化改造过程中，以徐工集团生产的x d l 3 0 为模板，参考 其它压路机的功能，得到振动压路机控制变量的名称和逻辑关系。具体的控制变量和逻辑关 系描述参见附录一的表格。 2 2 机群远程综合控制系统 振动压路机是机群化工程机械的一个子系统，具有工作参数智能优化控制系统、压实作 业过程的自动监测、显示、自动诊断、报警和故障分析系统，在此基础上应用嵌入式技术， 运用无线通信网络与控制中心进行远程信息交流，组成远程综合控制系统j 。在这种远程综 合控制系统中，通过通信卫星、便携式通信网络( 般用g s m 网) 和g p s 卫星定位系统，收 集现场作业的压路机检测数据( 压实度、行驶速度、振幅、频率等) ，实时监测所得到的压路 机状态信息以及整机的工作区域、轨迹等，通过全数字无线通信方式传输剑空间卫星上，空 间卫星再将数据传送至控制中心的处理器进行处理，利用空间数据库和地理信息系统技术 1 2 东南大学硕士学位论文 ( g i s ) ，可以精确的给现场作业压路机定位从而宏观上对压路机的运行进行监控。根据 此原理可以实现机群控制。其结构框| 墨i 如下所示： 图2 1压路机远程管理综合控制系统示意图 控制中心的工作人员从监视屏上监视现场作业的压路机的位置、振动频率、行驶速度、 路况等参数，并根据现场随车密实度测量仪上反馈回来的压实度数据对压实过程进行适当的 控制和调节，发出相应的命令信息命令信息通过空间卫星系统再反传至压路机的接收装置 上。启动机器本身相应的控制系统，如自动调频、调幅系统等，对于未压实的“薄弱点”进 行重复碾压，以达到更好的压实效果，或者根据处理器对压路机实时监控系统和故障诊断系 统反馈回的信息，判断压路机是否有异常是否需要停工进行保养和维修。 这里面需要完成的工作有：压路机主控制的设计、车载c a n 接口l c d 显示终端的设 计、智能机械移动通信终端的应用( 采集g p s 位置信号和发送无线短消息信号) ，监控中心 软硬件平台的搭建。压路机主控制器的设计实现对传统压路机的电子化改造，负责状态信息 的采集，压路机运行的控制作为c a n 现场总线的一个节点，与其它节点通信。车载c a n 接口l c d 显示终端用来显示主控器传来的状态信息，历史状态信息的备份，即使没有与主 控制相连，也能调用出历史信息，参与c a n 通信。智能机械移动通信终端起到一个通信桥 梁的作用，一方面把g p s 卫星的信息采集到经过变换得到位置信息传给主控制器，另一方 面，把压路机控制器的状态信息通过无线方式发送到监控中心。 2 2 。1 压路机控制和通信系统功能设计方案 该系统分为电源、数据获取、数据存储、算法控制、通信、控制输出、人机交互等功能 子系统。下面对这几部分的设计做简要概述。 一电源 由于压路机有车载蓄电池，提供2 4 v 的直流电源敲系统采用该蓄电池供电，经过电 源的变换，变成系统需要的各种电压。 第二章总体方案设计 二数据获取 从前述的控制需求分析中，可以看到系统要采集比较多的压路机状态变量。包括数字 量，高速脉冲量。和模拟量。压路机上有的变量已经安装有标准的传感器，输出工业标准的 电信号，如4 - , - 2 0 m a 的电流信号，这些信号可以经过隔离变换，由控制器直接采集。各种数 字量，如开关，传感器检测等通过光电隔离输入到控制器端口。对于高速脉冲，由于传递中 参杂复频信号需要通过整形，变成控制器可识别的信号。 三数据存储 系统需要记录若干报警信息，故障信息，状态信息，以备查验和分析。还有一些显示参 数和控制参数需要固化存储。故数据存储是不可缺少的一部分。采用大容量页写式f l a s h 闪存作为数据存储的物理载体。其特点是容量大，电擦除，数据保存时间长( w 2 9 c 0 4 0 具有 十年数据保存能力) 四算法控制 对模拟量的采集运用了滤波技术，包括中值滤波平均值滤波等。自动振幅频率调整时， 将从存储器中调用固化的优化控制参数，对压路机的振幅和频率进行调整。洒水量也是一个 重要的控制变量，被压材料的水分含量影响密实度。洒水量调节可以根据设定值。也可以通 过速度一洒水量二维表格查出经验值，它是开环控制。 五通信 由于某些智能端点的安装。分散在机车各部分，所以采用在汽车系统中应用广泛的 c a n 现场总线进行端点间通信。在控制系统与远程控制中心的通信方式上，采用了基于 g s i v l g p r s 的短消息通信方式，把压路机的状态变量送到监控中心，并从监控中心获得命 令。具有c a n 接口的移动通信终端可以实现这个功能，把该终端挂在c a n 总线上，完成 控制器与监控中心的通信桥梁功能。 六控制输出 系统有十几路数字量的输出，分别控制电磁阀，信号灯，报警器等。不同的输出有 不同的接口。还有三路p w m 脉宽调制输出用来酒节模拟晕的输出。它们经过功率放大后， 控制电液比例阀，将电信号转换为位移信号，连续地控制液压系统中工作介质的压力、方向 或流量。 七人机交互 人机交互是该控制系统的重要组成部分。采用点阵式图形液晶显示器，显示状态信 息位置信息和时间信息等。该显示器有丰富的图形和中文显示功能，直观，而且便于中文 操作。设有参数配置键盘和复位键，方便现场设置参数。 2 2 2 不同控制器方案的比较 随着电子集成技术的发展，各种高性能的处理器纷纷出现，在不同的领域占有不同地位。 选择性能可靠，容易实现，价格合适的处理器，可以大大提高设计的可靠性，缩短开发的时 间。 表2 2 列出不同处理方案的优劣比较。 1 4 东南人学硕士学位论文 表2 i不同控制器方案的比较 、型号 8 0 c 1 9 6 k bd s p w 7 8 e 5 1 6 ba r m 7 t d m i 弋 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 l p c 2 2 9 2 厂家 i n t e l t e x a si n b o n dp h i l j d s 应阁领域实时性高的自高性能伺服系统过工业控制领域汽特射适用于 动控制系统、程控制系统，飞行器车，低端智能节点汽车、工业 数据采集系统测控终端，汽车电 控制应用以 子，军工产品 及医疗系统 数据总线1 6 位1 6 位8 位 3 2 位 片内资源内部r 0 5 i ：1 6 k3 2 k 位f l a s h 程序存6 4 ki s pf l a s h ； 带有2 5 6k b 嵌入 特点： 储器： 的高速f l a s h 存 r a m ：4 8 8 字节；5 1 2r a m ； 井设事务服务 5 4 4 字双口r a m ： 储器； 寻址范围：6 4 k 器( p t s ) ：2 k 单口r 删； 1 2 8 位宽度的存 最高频率：4 0 n z 储器接口； 两个定时器；s c i s p i ； 4 个8 位双向、可 多个3 2 位定时 高速输入器：41 6 路1 0 位a d c ：位寻址的i o 口 器 高数输出器：3c n 2 0 b 模块指令集同标准 8 通道1 0 位a d c a d 转换：8基于锁相环( p l l ) 的 8 0 5 2 指令集完全 时钟发生器； 兼容。 4 d 高级c a n ； p w m ：3 路 6 个p 喇通道； 4 1 个通用i o ： 5 个外部中断； 9 个外部中断薯， 7 2 们p i o 口 1 2 个p w m 通道； 价格：低高 低中 开发环境d c l 9 6 ，支持cc c s 3 1 支持ck e i iv e r s i o n a d s l 2 支持 语言支持c c 调试设备； 无无有无 电路示例有无有有 参考： 操作系统pc o s i i 1 0 1p c o s 一s = a l lr t 一5 1uc 0 s 一 p cl i n u x “i j 从上表可以看出，1 6 位及3 2 位控制器集成了许多实用的功能，如a d 转换器，p w m 模块，c a n 通信模块等功能在高端的应用比较普遍。但是这并不是说8 位处理已经不适 合发展的需要，相反8 位处理器在某些场合仍将发挥重要作用。因为其技术成熟，配套开发 工具齐全，知识储备丰富。而且由于在线可编程( i s p ) 技术的实现，只需要一个简单的编 程电缆，就可实现对单片机的编程和写入使得开发系统进一步简化，降低了开发成本。 第二章总体方案设计 在本控制器的设计中，考虑到系统的需求和现有的条件。采用的是8 位机的方案。 2 2 3 控制器总体方案设计 车载控制器，要求采集压路机的运行状态，进行数据运算和输出，是该控制通信系统的 核心部分。该系统的功能框图如下： 图2 - 2 主控制器硬件框图 2 2 4c a n 接口液晶显示终端方案设计 为了方便现场操作和监控，需要设计一个显示终端，显示压路机状态，运行时间， 和一些状态记录。这里选用3 2 0 x 2 4 0 点阵的图形液晶显示器。不过该显示终端的安装 会和控制器有一定的距离，普通的r r l 电平信号传输，无法保证可靠性。如果把该终 端当作c a n 总线的一个节点挂在总线上，数据的通信就有了保障。而且c a n 总线最 高的传输速率是i mb p s ，能够完成显示的数据传输。该方案主要围绕为普通的l c d 显 示器增加c a n 接口而设计。其实现框图如下： 1 6 东南大学硕上学位论文 s e d l3 3 5 藏晶驱动器接口 0 7 4 h i 量输入i 、 c 3 7 ，j 3 、 - ， 地址 锁存 a t 8 9 s 5 2 器 l 模块r 一j 微控制器 fi y ，叫 l i 口( ) i ” c 。、j 。 c a n 总线收发器 s j a l 0 0 0 + 驱动器 图2 3c a n 接口l c d 控制板实现框图 这个实现方案里，c a n 总线控制器仍然采用p h i l i p s 半导体公司s j a | 0 0 0 作为独立c a n 控制器。约定采用p e i l c a n 模式实现c a n 2 0 b 协议标准，i d 为2 9 位标志符。 1 7 东南大学硕t 学位论文 第三章相关应用技术的介绍 3 1 现场总线及c a n 1 2 1 现常总线可定义为。一种安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制 装置( 系统) 之间的一种串行、数字式_ 双向传输和多分支结构的通信网络”。或者说现场总 线是以单个分散的数字化智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线连接实现信息互 换共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统，是计算机控制与通信技术结合的产物， 是耨一代全数字全分散和全开放的现场控制系统l l ”。 当前流行的几类现场总线有：基金会现场总线f f 、控制器局域网( c a n - c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线、l o n w o r k s 总线、p r o f i b u s 总线、h a r t 总线。其中c a n 总线是由德国 b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议其总线规范已被i s o 国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领域。本系统的通信采用c a n 总 线。 3 1 1c a n 总线的介绍3 c a n 全称为。c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ”控制器局域网，是国际上通用的现场总线之一 晟初，c a n 被设计为汽车环境中的微控制器通讯，在车载电子控制装置e c u 之间交换信息， 形成电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中， 均嵌入c a n 控制装置。 c a n 是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求有商速率，高抗电磁干扰性， 而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到1 0 公里时，c a n 仍可提供高达5 k b p s 的数据传输率。 c a n 通讯协议主要描述设各之间的信息传递方式c a n 层的定义与o s i 开放系统互连 模型一致。实际通讯发生在每一层设备上相邻的两层，而设备是通过物理层的物理介质相连。 c a n 的规范定义了模型的最下面两层：物理层和数据链路层。c a n 总线网络在m a c 层的 标准协议是c s m a c d ，即载波侦听多路存取冲突检测( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 利用c s m a 访问总线可对总线上信号进行检测。只有当总线处于空 闲状态时，才允许发送。利用这种方法。可以允许多个节点挂接到同一网络上。当检测到一 个冲突位时，所有节点重新回到监听总线状态，直到该冲突时问过后，才开始发送。c a n 的o s i 网络层次模型图如下： 9 第三章相关应用技术的介绍 图3 一lc a n 的i s o o s l 参考模型层次结构 应用层协议可以由用户定义成适合各种领域的任何方案，比如已在工业控制和制造工业 领域得到广泛应用的标准是d e v i e c