CAN總線在車輛分布式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1　引言
對于多電機(jī)的系統(tǒng)，特別是多電機(jī)驅(qū)動的軌道車輛控制系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)大量的信息采集、分布式的協(xié)調(diào)控制、實(shí)時的反應(yīng)速度等功能。傳統(tǒng)的集散型控制系統(tǒng)存在系統(tǒng)不開放、硬件投資大、布線復(fù)雜、維修不便的缺點(diǎn)，具有明顯的局限性，顯然是不適合的。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是繼直接數(shù)字控制（DDC）、集散控制系統(tǒng)（DCS）之后的一種新型的控制系統(tǒng)，是一種全開放、全數(shù)字、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，具有全分散性控的體系結(jié)構(gòu)。其顯著特點(diǎn)是通過開放性總線把現(xiàn)場設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)，各智能設(shè)備能夠完成自動控制和運(yùn)行狀態(tài)的自行診斷，并且能夠通過總線實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。因此本文提出了一種基于CAN（Controller Area Network）總線控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，將計算機(jī)通訊、現(xiàn)場總線技術(shù)很好的結(jié)合起來，設(shè)計出了一套結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時性高、擴(kuò)展性強(qiáng)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)控制與監(jiān)測的實(shí)時調(diào)節(jié)、設(shè)備狀態(tài)的數(shù)字化和圖形化顯示。
2 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計
整個控制系統(tǒng)由監(jiān)控計算機(jī)、PC-CAN接口卡、操作臺節(jié)點(diǎn)、智能驅(qū)動節(jié)點(diǎn)（n110）、CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。分布在整個車輛的驅(qū)動節(jié)點(diǎn)接收操作臺發(fā)來的控制指令，對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行智能控制，并采集車載電源的電壓、電流和溫度信號，經(jīng)過處理后發(fā)送給監(jiān)控計算機(jī)；監(jiān)控計算機(jī)可以通過CAN總線網(wǎng)和各個控制節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時通信，并顯示電源電壓、驅(qū)動電流、車輛速度等狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)軌道車輛的分布式驅(qū)動和集中監(jiān)控。

控制系統(tǒng)中的驅(qū)動節(jié)點(diǎn)由微處理器、CAN控制器、CAN收發(fā)器和外圍電路（如：信號調(diào)理、光耦隔離、I2C、撥碼開關(guān)等）組成。監(jiān)控計算機(jī)可以選用普通PC或工控機(jī)IPC。PC-CAN適配卡用來完成CAN總線和監(jiān)控計算機(jī)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，可以選用PCI總線適配卡、ISA總線適配卡或RS232串行通信適配器。操作臺節(jié)點(diǎn)用于車輛運(yùn)行方向與運(yùn)行速度的控制。各個控制節(jié)點(diǎn)之間通過屏蔽雙絞線互聯(lián)構(gòu)成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，總線兩端連接120Ω的阻抗匹配電阻，用來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。
3 驅(qū)動節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計
CAN總線器件有兩種選擇方案：一種是片內(nèi)集成CAN的微控制器，如P8XC591/2、87C196CA/CB、MC68376等；另一種是獨(dú)立的CAN控制器，如控制Philips公司的SJA1000、82C200、 Intel公司的82526、以及Microchip公司的MCP2510等，但是獨(dú)立的CAN控制芯片需要外接一個微處理器才能運(yùn)行。為了簡化設(shè)計，提高可靠性，本文設(shè)計中選用的是Philips公司的帶有在片CAN控制器的P87C591微型控制器，自帶CAN總線控制器（SJA1000）的微處理器，不占用處理器的端口資源，大大簡化了接口電路的設(shè)計，減少了程序的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
整個車輛分布式控制系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)和和難點(diǎn)都是驅(qū)動節(jié)點(diǎn)。驅(qū)動節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計上采用了模塊化結(jié)構(gòu)，由微控制器、CAN通信模塊、信號采集模塊、電機(jī)控制模塊、參數(shù)設(shè)置模塊組成，驅(qū)動節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 驅(qū)動節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖