基于CAN總線的機(jī)車實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言

傳統(tǒng)機(jī)車監(jiān)控裝置通過(guò)轉(zhuǎn)存將機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中所記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到地面二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在地面進(jìn)行機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)分析和故障診斷，這樣的檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài);隨著鐵路信息化數(shù)字化的發(fā)展，提出了機(jī)車在線實(shí)時(shí)監(jiān)控以及機(jī)車檢修應(yīng)向狀態(tài)修發(fā)展。近年來(lái)國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成熟和不斷發(fā)展以及移動(dòng)通信 gprs(通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)general packet radioservice)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的成熟，使機(jī)車車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能。為此,筆者根據(jù)自己實(shí)踐，介紹一種基于 can(controller area network)總線的機(jī)車實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)gprs的短信息業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)車載數(shù)據(jù)采集模塊與地面監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控列車 運(yùn)行狀態(tài)。

can總線是眾多現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，具有使用簡(jiǎn)單、性能可靠以及系統(tǒng)可擴(kuò)展性能好等優(yōu)點(diǎn)。can總線有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，采用短 報(bào)文幀及gsma/cd-amp(帶有信息優(yōu)先權(quán)及沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn))的mac(媒介訪問(wèn)控制)方式，在工業(yè)自動(dòng)控制化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。特別適用于做優(yōu)化、分析及維護(hù)的系統(tǒng)。90年代，國(guó)內(nèi)開(kāi)始對(duì)can總線應(yīng)用進(jìn)行研究,目前已在諸多領(lǐng)域中應(yīng)用can總線技術(shù)。

2 基本原理

圖1 機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1為機(jī)車實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。包括三個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊、一個(gè)存貯發(fā)射模塊和地面監(jiān)控系統(tǒng)(地面系統(tǒng)部分圖中未示)。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集牽引電機(jī)電樞電 壓、電樞電流、勵(lì)磁電流等重要模擬量數(shù)據(jù);各種風(fēng)機(jī)接觸器的開(kāi)閉狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量;機(jī)車基本信息(包括機(jī)車速度、機(jī)車位置、機(jī)車車號(hào)等)數(shù)字編碼量。存貯發(fā)射 模塊負(fù)責(zé)各數(shù)據(jù)采集模塊的協(xié)調(diào)工作，通過(guò)gprs將各采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面監(jiān)控系統(tǒng)。地面系統(tǒng)由pc機(jī)與gprs無(wú)線天線等模塊組成，通過(guò)gprs天線向 車載系統(tǒng)發(fā)送指令，指示車載模塊按地面要求進(jìn)行工作。地面系統(tǒng)同時(shí)接收存貯發(fā)射模塊發(fā)送來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按gprs的短信息業(yè)務(wù)格式發(fā)送接收。地面系統(tǒng) 軟件采用visual c++軟件編寫(xiě)。軟件使用友好人機(jī)對(duì)話界面實(shí)時(shí)顯示、跟蹤、監(jiān)控列車運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車實(shí)時(shí)在線故障檢測(cè)與診斷，機(jī)車出現(xiàn)故障時(shí)，還可以及時(shí)向司機(jī)提供操作建議，在機(jī)車庫(kù)檢時(shí)，系統(tǒng)還提供檢修指導(dǎo)，限于篇幅所限本文將重點(diǎn)介紹車載部分。

3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一個(gè)依照can2.0b構(gòu)建的控制局域網(wǎng)(controller area network)，總線控制器采用philips公司p87c591微控器內(nèi)置的can控制器。p8xc591是一個(gè)單片8位高性能微控制器，具有片內(nèi) can控制器，采用強(qiáng)大的80c51指令集并成功的包括了半導(dǎo)體 sja1000 can控制器的pelican功能。can總線驅(qū)動(dòng)器采用與sja1000 can控制器相匹配的pca82c250，下位機(jī)和上位機(jī)通過(guò)canh、canl屏蔽雙絞線進(jìn)行雙向通信?？偩€終端需跨接100ω～120ω電阻以抑制信 號(hào)反射，保證通信可靠性。雙絞線連接各個(gè)模塊節(jié)點(diǎn)，形成多主控制的局域網(wǎng)。為增強(qiáng)can總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，p87c591的rxdc和txdc腳，通 過(guò)高速光耦6n173后與82c250相連，保證總線上各can節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離，光耦部份電路所采用的兩個(gè)電源必須完全隔離。圖2為各節(jié)點(diǎn)和can總線 間的接口電路圖。

圖2 can總線接口電路圖

模擬量采集單元主要功能可以劃分為微處理器及其控制部分、can通訊接口部分、多路模擬量輸入通道選擇開(kāi)關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片等。模擬量直接由機(jī)車微機(jī)柜內(nèi)引 入，信號(hào)在微機(jī)柜內(nèi)已調(diào)理成適合a/d轉(zhuǎn)換的電平。模擬量信號(hào)的采樣和量化工作由一片ads774完成。ads774是美國(guó)burr-brown公司生產(chǎn) 的12位逐次逼近并行a/d轉(zhuǎn)換器，典型轉(zhuǎn)換時(shí)間為8.5μs。選擇mcp506a作為16路信號(hào)通道轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，分時(shí)對(duì)16路模擬信號(hào)采樣及a/d轉(zhuǎn)換。

開(kāi)關(guān)量采集單元采集的信號(hào)均來(lái)自機(jī)車電氣控制柜，采集板需采用光電隔離，增強(qiáng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)與采樣電路的電氣隔離。系統(tǒng)采用兩片8255a擴(kuò)展p0口以 對(duì)48路開(kāi)關(guān)信號(hào)采樣，兩片8255a的a,b,c口設(shè)定為模式0和輸入方式。四個(gè)模塊結(jié)構(gòu)基本相似，在此不一一綴述。

存貯發(fā)射模塊包括:閃存、帶斷電保護(hù)的時(shí)鐘芯片ds12887以及gprs天線組成。閃存具有斷電后保存數(shù)據(jù)特點(diǎn)，作為存放機(jī)車數(shù)據(jù)的黑匣子。gprs天 線和單片機(jī)通過(guò)rs-232相聯(lián)接，單片機(jī)通過(guò)讀寫(xiě)串行口實(shí)現(xiàn)和中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。用一片64kb的hm6264ram存儲(chǔ)有關(guān)控制信息 并作為與中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和存貯發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)交換區(qū)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 can初始化子程序

can控制器的初始化是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中極為重要的部分，它是can總線正常工作的前提，關(guān)系整個(gè)車載系統(tǒng)能否正常工作，初始化工作既是一個(gè)重點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn)。can通信初始化包括操作模式的設(shè)置、驗(yàn)收濾波器的設(shè)置、總線定時(shí)器的設(shè)置等。驗(yàn)收濾波器的設(shè)置決定了節(jié)點(diǎn)所接收的信息的格式;定時(shí)器設(shè)置確定 can總線數(shù)據(jù)傳輸波特率。80c51cpu接口將pelican與p87c591微控制器內(nèi)部總線相連，通過(guò)5個(gè)特殊功能寄存器canadr、 candat、canmod、cansta和cancon對(duì)pelican寄存器和ram區(qū)進(jìn)行快捷的訪問(wèn)。對(duì)can進(jìn)行初始化實(shí)際就是對(duì)以上5個(gè)特殊功 能寄存器的進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)。以下是用c語(yǔ)言編寫(xiě)的初始化子程序代碼。

void init_can(void)

{

canmod=0x01;

//將can控制器設(shè)置為復(fù)位模式以啟動(dòng)初始化

p1m2=p1m2|0x02;

//p1m2.1=`1`,p1m1.1=`0`(默 認(rèn))

canadr=btr0;

//btr0和btr1編程為125kbit/s@12mhz

candat=0x45;

canadr=btr1;

//tseg1=12,tseg2=3,sjw=2

candat=0x2b;

//sample=1->sample point~81%

canadr=acr10;

//將地址設(shè)置到驗(yàn)收代碼寄存器0(bank1)

candat=0x40; // 驗(yàn)收濾波代碼

candat=0xe0; //驗(yàn)收濾波代碼

canadr=amr10;