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摘 要：本文提出一种基于ARM和CAN现场总线的电子调速器，介绍了该装置的系统方案、硬件设计和软件设计情况。经实船应用验证，该装置不仅能更加快速准确地控制柴油机，而且为现场调试人员提供很大便利。
关键词：电子调速器 ARM CAN
○ 引 言
长期以来，柴油机的转速一般是靠机械式和液压式的调速器来控制的。随着船舶行业的快速发展，传统的机械液压调速器已经不能满足越来越高的控制要求。电子式调速器是近年来研究应用中较先进的调速器，它的感应元件和执行机构主要使用电子元件，可接受转速信号和功率信号，通过分析比较，输出调节信号来控制柴油机的供油量。与机械液压调速器相比，电子调速器有很多优点。它没有机械传动部分，就不存在因机械连接而产生的响应滞后和惯性引起的波幅大等问题，而且动作灵敏，响应速度快，动静态精度高。
本文提出一种基于ARM和CAN现场总线的电子调速器ESG（ Electric Speed Governor），能更加快速准确地控制柴油机，并通过现场总线，在调试电脑上进行各种功能设置和显示。该装置目前已完成研制，并成功应用于实船。
1 电子调速器（ESG）方案
1.1 系统方案
系统方案如图1。
ESG具备基本的输入输出接口、A/D转换功能，并拥有CAN接口，具有与在网的CAN节点交换数据进行PID等参数设置和控制状态反馈。柴油机转速控制信号根据设定既可来自网络信号也可来自电流输入信号或开关量升降速信号。在输出信号方面，柴油机给定油门在调节过程中采用成熟的PID调节法。为了保证ESG的通用性，PID调节由ARM软件实现，PID时间、P、I、D等参数可通过在网的通用电脑设置。针对某些柴油机调速器执行机构的信号特性，ESG配备输出电流信号转换器，能将标准的4～20mA电流信号转换成0～200mA或0～1A电流信号，并能根据执行器是正作用还是反作用的特性，能将电流反比例输出。另外，ESG设置了开关量输入，能接收由按钮等操作设备给出的开关量指令信号，并设置了报警输出、开关量输出，可驱动电磁阀开合等动作。下面介绍电子调速器（ESG）的输入输出信号和参数设置功能。
1）输入信号
* 柴油机转速：ESG采集2路磁电式转速传感器信号（一般是正弦波信号），经过硬件滤波，软件滤波，转化为数字量转速信号供程序使用。
* 柴油机反馈油门：柴油机反馈油门一般经过中间设备转换成4～20mA电流信号送到ESG，ESG通过A/D转换后变成数字信号供程序使用。
* 柴油机扫气压力：4～20mA电流信号
* 升速：ESG接受手动升速开关信号。
* 降速：ESG接受手动降速开关信号。
* 紧急停车：ESG接受紧急停车开关信号。
ESG输入信号容量：32点开关量输入，4点脉冲信号输入，4点4～20mA电流信号输入。
2）输出信号
* 柴油机给定油门：ESG输出标准4～20mA电流信号，并可根据需要将之转换成0～200mA或0～1A电流信号，驱动柴油机执行机构。
* 扭矩限制报警：ESG按照柴油机转速-油门关系，根据当前实际油门大小判断是否超过负荷限制曲线，若超过则发出扭矩限制报警信号。
* 柴油机转速显示：ESG将柴油机实际转速转换成4～20mA电流信号，驱动仪表显示。
* 柴油机运行信号：柴油机实际转速达到起动成功转速后发出。
* ESG具备16点开关量输出，4点4～20mA电流输出能力。
3）参数设置
ESG方案主要的改进之处在于参数可从CAN网络上通过通用电脑设置，其中包括：
* 命令转速设定
* 测速齿轮齿数设置
* P、I、D控制参数和PID定时处理时间设置
* 起动油门、最大油门设置
* 负荷限制、扫气压力限制曲线设置
*最低稳定转速、最大转速设置
* 发火转速、起动成功转速、空车转速设置
下面分系统硬件和软件两部分介绍ESG功能的实现。
1.2 系统硬件实现
1.2.1 系统硬件设计
根据上节的功能接口分析，ESG系统硬件主要实现信号的输入输出，以及CAN网络的连接，当然通用的电源电路、时钟信号、数据存储、复位电路等单元电路亦由硬件实现。系统硬件框图如图2。
在进行硬件设计时，首先考虑CPU，目前常用的嵌入式控制器有51和ARM两大系列微处理器，两大系列微处理器各有优缺点。51系列微处理器发展较早，易学易用，接口方便，资源丰富，缺点是运行速度较慢，无法满足中、高端产品的需要，对存储器的管理能力较差，对操作系统的支持能力较差。ARM系列微处理器系统相对比较复杂，接口丰富，处理速度快，缺点是成本相对较高，编程 难度较大，需要开发相应的驱动程序。而目前常用的是ARM7系列和ARM9系列。考虑到本电子调速器的通用性和时效性，决定选用ARM微处理器。
ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器，主要应用领域为：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。
ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。
综合考虑以上因素，选用ARM7系列微处理器。
存储器方面选用8M FLASH和4M SDRAM。
图2 系统硬件框图
1.2.2 通信模块设计 CAN总线通信控制芯片选ARM自有的控制器。系统中的ARM处理器和存储器芯片都使用3.3 V 的IO电压，CAN总线接口使用5V的工作电压。这样一来，ARM处理器的数据、地址和控制信号线可以直接驱动这些外围电路芯片，但是外围电路芯片输出的高电平可能损坏处理器和直接挂接在处理器数据线上的其他芯片。因此，数据线上应该使用总线转换器进行3.3/5V电平转换。系统选用了兼容3.3 V和5V的信号电平的双向总线收发器LCX245芯片。LCX245 的控制信号包括方向控制端DIR（0 ：B →A ，1 ：A →B） 和使能控制端OE（0 ：接通，1 ：隔断） ，这些控制信号将使用ARM产生。
1.2.3 测速模块的设计
测速模块是电子调速器（ESG）实现功能的主要信号接口，通过采集磁电式传感器产生的正弦波信号，经过频数转换模块转换成方波信号，再由输入FPGA进行计数存储，供CPU使用。图3 测速模块 硬件框图
1.3 软件系统
程序处理按主程序循环、PID定时中断、CAN中断等处理。系统上电后，首先进行主程序运行，初始化各IO口、RAM内存，进行CAN初始化、进行定时中断设置，然后进入主程序循环阶段，依次进行开关量输入、模拟量输入、开关量输出、模拟量输出处理；根据定时中断设置进入PID定时中断后，首先进入转速处理，计算转速差，然后进行PID调节，再进行负荷限制、扫气压力限制等计算，最后得到输出油门；当有CAN通信时，进入CAN中断任务，首先判断是接收还是发送，然后分别处理。
软件基于VxWorks实时操作系统，采用C语言编写。
1.3.1 程序框图
程序框图如图4。
图4 程序框图
1.3.2 通信模块的实现
通信模块和CAN 总线上的设备节点之间直接通过LCX245收发CAN 总线报文进行通信，报文中的数据格式可以是基于CAN 总线的上层标准协议，也可以由用户定义。
ARM7处理器对LCX245 的操作用了中断方式，通信模块的软件程序可以分成LCX245 中断服务程序、主程序2个部分，是典型的前、后台处理结构。在中断服务程序中，将收到的CAN 总线报文读入内存中的缓冲区，并累加缓冲区内还未处理的报文计数。在主程序循环中，处理缓冲区中的报文，并减小报文计数值。由于LCX245内部的接收缓冲区只有64B ，所以在程序中定义了容纳32个Frame结构体数组can- rbuf [ ]并组成环形缓冲区。
1.3.3 调速模块的实现
调速模块程序框图如图4，调速中断流程图。调速模块采用软件定时中断，油门输出时间间隔精确。
1.3.4 调试电脑界面设计
调试电脑根据CAN报文协议，采用USB-CAN接口卡连接到CAN总线，采用高级语言编写便利性的人机界面，对左机或右机单独进行参数设置。已完成的界面如图5.1至图5.5所示。
图5.2 调试数据显示界面
图5.3 调试参数设置界面
图5.4 负荷限制曲线设定界面
图5.5 扫气压力限制设定界面
调试电脑人机界面由VC开发而成，通过界面上的按钮操作，可完成连接CAN网络，起动CAN节点，以及数据显示、参数设置、负荷限制曲线设定和扫气压力限制曲线设定等功能。调试软件通过“读取”操作，能获取电子调速器SDRAM里的实时数据，如主机实际转速、主机实际油门，以及当前的转速设定、油门设定能信息，并能根据一段时间内获取的数据绘制成曲线进行图形显示。调试软件通过“写入”操作，可将当前的设定值通过网络传输到电子调速器的FLASH里，供程序后续操作使用。通过成对设置转速和限制值，可以最多设置个点的负荷限制或扫气压力限制。
2 应用举例
ESG已经应用于实船项目。该船采用PC2-6V柴油机，额定转速520r/min，采用本调速装置稳态调速误差在±1r/min，约为±0.2%，普通气-液式调速器控制稳态误差在±3r/min，约为±0.5%，经过比较，本调速装置在性能方面优于普通的
气-液式调速器。
通过安装于普通笔记本电脑上的调试软件，本装置实现了通过CAN网络远程设置柴油机的起动油门、负荷限制、齿轮齿数等参数，并且能实时显示柴油机实际转速、柴油机实际油门等参数。
3 总结
基于ARM和CAN的电子调速器ESG，经实船应用验证，工作稳定可靠，控制快速准确，而且大大提高了现场调试的效率。
参考文献
[1]胡明江，杨铁皂，徐斌，张保恒. 柴油电子调速器的研究现状及发展趋势[J].河南科技大学学报：自然科学版，2003（4）：44-77.
[2]纪铁辉，顾如龙. 电子调速器的系统构造、调试与维修[J].国外内燃机，1995（3）：47-53.
[3]钱阳军，腾万庆. PA6增压柴油机配用电子调速器的实验研究[J].哈尔滨工程大学学报，2000（2）：40-42.
[4]何宗键. Windows CE 嵌入式系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[5]张杨 于银涛，VxWorks内核、设备驱动与BSP开发详解.人民邮电出版社，201
关键词：电子调速器 ARM CAN
○ 引 言
长期以来，柴油机的转速一般是靠机械式和液压式的调速器来控制的。随着船舶行业的快速发展，传统的机械液压调速器已经不能满足越来越高的控制要求。电子式调速器是近年来研究应用中较先进的调速器，它的感应元件和执行机构主要使用电子元件，可接受转速信号和功率信号，通过分析比较，输出调节信号来控制柴油机的供油量。与机械液压调速器相比，电子调速器有很多优点。它没有机械传动部分，就不存在因机械连接而产生的响应滞后和惯性引起的波幅大等问题，而且动作灵敏，响应速度快，动静态精度高。
本文提出一种基于ARM和CAN现场总线的电子调速器ESG（ Electric Speed Governor），能更加快速准确地控制柴油机，并通过现场总线，在调试电脑上进行各种功能设置和显示。该装置目前已完成研制，并成功应用于实船。
1 电子调速器（ESG）方案
1.1 系统方案
系统方案如图1。
ESG具备基本的输入输出接口、A/D转换功能，并拥有CAN接口，具有与在网的CAN节点交换数据进行PID等参数设置和控制状态反馈。柴油机转速控制信号根据设定既可来自网络信号也可来自电流输入信号或开关量升降速信号。在输出信号方面，柴油机给定油门在调节过程中采用成熟的PID调节法。为了保证ESG的通用性，PID调节由ARM软件实现，PID时间、P、I、D等参数可通过在网的通用电脑设置。针对某些柴油机调速器执行机构的信号特性，ESG配备输出电流信号转换器，能将标准的4～20mA电流信号转换成0～200mA或0～1A电流信号，并能根据执行器是正作用还是反作用的特性，能将电流反比例输出。另外，ESG设置了开关量输入，能接收由按钮等操作设备给出的开关量指令信号，并设置了报警输出、开关量输出，可驱动电磁阀开合等动作。下面介绍电子调速器（ESG）的输入输出信号和参数设置功能。
1）输入信号
* 柴油机转速：ESG采集2路磁电式转速传感器信号（一般是正弦波信号），经过硬件滤波，软件滤波，转化为数字量转速信号供程序使用。
* 柴油机反馈油门：柴油机反馈油门一般经过中间设备转换成4～20mA电流信号送到ESG，ESG通过A/D转换后变成数字信号供程序使用。
* 柴油机扫气压力：4～20mA电流信号
* 升速：ESG接受手动升速开关信号。
* 降速：ESG接受手动降速开关信号。
* 紧急停车：ESG接受紧急停车开关信号。
ESG输入信号容量：32点开关量输入，4点脉冲信号输入，4点4～20mA电流信号输入。
2）输出信号
* 柴油机给定油门：ESG输出标准4～20mA电流信号，并可根据需要将之转换成0～200mA或0～1A电流信号，驱动柴油机执行机构。
* 扭矩限制报警：ESG按照柴油机转速-油门关系，根据当前实际油门大小判断是否超过负荷限制曲线，若超过则发出扭矩限制报警信号。
* 柴油机转速显示：ESG将柴油机实际转速转换成4～20mA电流信号，驱动仪表显示。
* 柴油机运行信号：柴油机实际转速达到起动成功转速后发出。
* ESG具备16点开关量输出，4点4～20mA电流输出能力。
3）参数设置
ESG方案主要的改进之处在于参数可从CAN网络上通过通用电脑设置，其中包括：
* 命令转速设定
* 测速齿轮齿数设置
* P、I、D控制参数和PID定时处理时间设置
* 起动油门、最大油门设置
* 负荷限制、扫气压力限制曲线设置
*最低稳定转速、最大转速设置
* 发火转速、起动成功转速、空车转速设置
下面分系统硬件和软件两部分介绍ESG功能的实现。
1.2 系统硬件实现
1.2.1 系统硬件设计
根据上节的功能接口分析，ESG系统硬件主要实现信号的输入输出，以及CAN网络的连接，当然通用的电源电路、时钟信号、数据存储、复位电路等单元电路亦由硬件实现。系统硬件框图如图2。
在进行硬件设计时，首先考虑CPU，目前常用的嵌入式控制器有51和ARM两大系列微处理器，两大系列微处理器各有优缺点。51系列微处理器发展较早，易学易用，接口方便，资源丰富，缺点是运行速度较慢，无法满足中、高端产品的需要，对存储器的管理能力较差，对操作系统的支持能力较差。ARM系列微处理器系统相对比较复杂，接口丰富，处理速度快，缺点是成本相对较高，编程 难度较大，需要开发相应的驱动程序。而目前常用的是ARM7系列和ARM9系列。考虑到本电子调速器的通用性和时效性，决定选用ARM微处理器。
ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器，主要应用领域为：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。
ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。
综合考虑以上因素，选用ARM7系列微处理器。
存储器方面选用8M FLASH和4M SDRAM。
图2 系统硬件框图
1.2.2 通信模块设计 CAN总线通信控制芯片选ARM自有的控制器。系统中的ARM处理器和存储器芯片都使用3.3 V 的IO电压，CAN总线接口使用5V的工作电压。这样一来，ARM处理器的数据、地址和控制信号线可以直接驱动这些外围电路芯片，但是外围电路芯片输出的高电平可能损坏处理器和直接挂接在处理器数据线上的其他芯片。因此，数据线上应该使用总线转换器进行3.3/5V电平转换。系统选用了兼容3.3 V和5V的信号电平的双向总线收发器LCX245芯片。LCX245 的控制信号包括方向控制端DIR（0 ：B →A ，1 ：A →B） 和使能控制端OE（0 ：接通，1 ：隔断） ，这些控制信号将使用ARM产生。
1.2.3 测速模块的设计
测速模块是电子调速器（ESG）实现功能的主要信号接口，通过采集磁电式传感器产生的正弦波信号，经过频数转换模块转换成方波信号，再由输入FPGA进行计数存储，供CPU使用。图3 测速模块 硬件框图
1.3 软件系统
程序处理按主程序循环、PID定时中断、CAN中断等处理。系统上电后，首先进行主程序运行，初始化各IO口、RAM内存，进行CAN初始化、进行定时中断设置，然后进入主程序循环阶段，依次进行开关量输入、模拟量输入、开关量输出、模拟量输出处理；根据定时中断设置进入PID定时中断后，首先进入转速处理，计算转速差，然后进行PID调节，再进行负荷限制、扫气压力限制等计算，最后得到输出油门；当有CAN通信时，进入CAN中断任务，首先判断是接收还是发送，然后分别处理。
软件基于VxWorks实时操作系统，采用C语言编写。
1.3.1 程序框图
程序框图如图4。
图4 程序框图
1.3.2 通信模块的实现
通信模块和CAN 总线上的设备节点之间直接通过LCX245收发CAN 总线报文进行通信，报文中的数据格式可以是基于CAN 总线的上层标准协议，也可以由用户定义。
ARM7处理器对LCX245 的操作用了中断方式，通信模块的软件程序可以分成LCX245 中断服务程序、主程序2个部分，是典型的前、后台处理结构。在中断服务程序中，将收到的CAN 总线报文读入内存中的缓冲区，并累加缓冲区内还未处理的报文计数。在主程序循环中，处理缓冲区中的报文，并减小报文计数值。由于LCX245内部的接收缓冲区只有64B ，所以在程序中定义了容纳32个Frame结构体数组can- rbuf [ ]并组成环形缓冲区。
1.3.3 调速模块的实现
调速模块程序框图如图4，调速中断流程图。调速模块采用软件定时中断，油门输出时间间隔精确。
1.3.4 调试电脑界面设计
调试电脑根据CAN报文协议，采用USB-CAN接口卡连接到CAN总线，采用高级语言编写便利性的人机界面，对左机或右机单独进行参数设置。已完成的界面如图5.1至图5.5所示。
图5.2 调试数据显示界面
图5.3 调试参数设置界面
图5.4 负荷限制曲线设定界面
图5.5 扫气压力限制设定界面
调试电脑人机界面由VC开发而成，通过界面上的按钮操作，可完成连接CAN网络，起动CAN节点，以及数据显示、参数设置、负荷限制曲线设定和扫气压力限制曲线设定等功能。调试软件通过“读取”操作，能获取电子调速器SDRAM里的实时数据，如主机实际转速、主机实际油门，以及当前的转速设定、油门设定能信息，并能根据一段时间内获取的数据绘制成曲线进行图形显示。调试软件通过“写入”操作，可将当前的设定值通过网络传输到电子调速器的FLASH里，供程序后续操作使用。通过成对设置转速和限制值，可以最多设置个点的负荷限制或扫气压力限制。
2 应用举例
ESG已经应用于实船项目。该船采用PC2-6V柴油机，额定转速520r/min，采用本调速装置稳态调速误差在±1r/min，约为±0.2%，普通气-液式调速器控制稳态误差在±3r/min，约为±0.5%，经过比较，本调速装置在性能方面优于普通的
气-液式调速器。
通过安装于普通笔记本电脑上的调试软件，本装置实现了通过CAN网络远程设置柴油机的起动油门、负荷限制、齿轮齿数等参数，并且能实时显示柴油机实际转速、柴油机实际油门等参数。
3 总结
基于ARM和CAN的电子调速器ESG，经实船应用验证，工作稳定可靠，控制快速准确，而且大大提高了现场调试的效率。
参考文献
[1]胡明江，杨铁皂，徐斌，张保恒. 柴油电子调速器的研究现状及发展趋势[J].河南科技大学学报：自然科学版，2003（4）：44-77.
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[5]张杨 于银涛，VxWorks内核、设备驱动与BSP开发详解.人民邮电出版社，201