工程机械嵌入式智能管控平台构设与实现

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1、工程机械嵌入式智能管控平台构设与实现第1章绪论1.1研究背景与意义近些年，随着我国对基础建设（高速公路、高铁、隧道）投入的不断增大，工程机械作为基础建设的主力军，其行业得到了飞速发展，并且国外一些发展中国家也在不断加大对基础建设的投入，这为我国工程机械走向海外市场提供了良好的机遇。据了解，国内几家工程机械巨头在近几年得到了飞速发展，例如，徐工集团在2010年实现了销售收入660.0亿元，相比09年增长154.9亿元。三一重工和中联重科在2010年分别实现销售收入502亿元、508.58亿元，相比09年分别增长了196亿元、171.52亿元⑴。虽然这些企业发展较快，但自身还存在一些

2、不足，例如在工程机械控制领域相对国外还比较落后，大多依赖于进口；对研发的重视度不够高，很多部件外包给其他公司开发[2，3];技术研发相对国外起步较晚，因此技术积累较少。随着工程机械工况越加复杂，市场竞争越趋激烈，工程机械对控制系统的控制精度和智能化要求在不断提高。国外在工程机械控制领域做了很多研究，例如在状态监测、故障诊断、发动机控制、人机交互智能化等方面的研究[4]；并研发出了各种智能化工程机械控制器，例如德国力士乐的MC系列控制器，德国西门子的S7-200系列控制器，芬兰EPEC的ENEC2000系列控制器等[5]。目前国内工程机械控制器市场几乎被国外一些厂商垄断，而国外的控

3、制器大部分是釆用传统的PLC技术，其数据处理能力差、性价比低、硬件体系结构不开放、响应速度慢、网络通信能力有限，因此市场的占有率呈现下降趋势。而以ARM、DSP等为内核的微处理器（MPU)或微控制器（MCU)凭借越来越强的数据处理能力、强大的网络通信能力、高度集成的外围电路、强抗千扰能力及高性价比，它们在工程机械控制领域得到越来越多的应用。但从目前国内外使用的MPU/MCU开发的嵌入式控制器来看，大多停留在8、16位机水平[6],其数据处理能力有限、响应速度慢，因此难以满足对智能化及精度越来越高的工程机械控制系统要求。为了扭转工程机械控制器被国外垄断的局面以及满足当前工程机械控制

4、系统对智能化、控制精度越来越高的要求，本课题设计了一种工程机械专用控制平台，控制平台包括人机交互和监控模块两部分。控制平台采用两级处理器结构，即人机交互的C8051F040,监控模块的STM32F103ZE,两者通过CAN总线形成一个局域网，这样不仅可以提高控制平台的处理能力，还使控制平台具有很好的可扩展性。人机交互平台实现操作人员与监控模块的信息交互，监控模块实现机器的运动控制及运行状态监测，通过在操作系统上修改应用程序即可实现在不同类型工程机械上的应用。本课题研究将对我国工程机械智能化提高产生一定的影响，也将为企业带来很大的经济效益。1.2国内外研究现状工程机械控制器属于运动

5、控制器的一种，运动控制器经历了分立电子器件、集成电路和现在的微控制器时代。微控制器的出现使运动控制器得到了飞速的发展，也使运动控制系统进入了数字化控制时代[8]。基于模拟电路的控制器。早期以运算放大器等为核心，通过模拟电路硬接线方式组成[9，1G]。这种控制方式的优点是：对于实时输入信号，只有硬件的微小延时，因此响应速度快。但缺点较多，如：环境对控制系统影响较大，器件老化后性能会明显下降;系统器件多、接线复杂、可靠性低，很难实现高精度、运算量大的复杂控制算法；系统通用性差，因此模拟电路控制方式只能在一些简单运动控制使用[11]。早期的工程机械控制器釆用了这种方式进行开发，由于接线

6、复杂、可靠性低、无法实现复杂运算，目前已经被淘汰。基于微MPU/MCU的控制器，其特点是：高度集成、强抗干扰、高速、功耗低、价格低廉等等因此目前微控制器被广泛应用在运动控制中，它的优点是：控制逻辑由软硬件结合实现，因此既可以兼顾价格优势和性能要求；大容量的存储器和较强的逻辑运算能力，使其可以进行较复杂的控制算法；通用性较好，因为其控制逻辑通过软件硬件结合实现，修改相应软件即可实现在不同场合的应用；大部分运动控制系统外围电路已经被集成到微控制器上，如P控制器、ADC、DAC、脉冲输入、捕捉等等，使得外围电路设计变得简单化，可靠性也得到了提高。但是目前很大一部分微控制器还采用冯-诺依

7、曼总线结构，因此其处理能力对复杂计算还有一定的限制所以选用不同的微控制器既可用在简单的运动控制系统中也有用在复杂运动控制系统中。目前有部分工程机械专用控制器采用了高性能MPU/MCU进行开发，但还没有形成一种通用的工程机械控制平台。基于可编程控制器（PLC)，它是以微处理器为核心，专门为工业环境下应用而设计的一种控制器相比早期的控制器，它的优点是：高可靠性、强抗干扰能力、体积小、成本低、较强的通用性及较短的开发周期但是PLC是?以循环扫描方式进行工作的，一个状态量的变化至少需要一