CAN總線(xiàn)在車(chē)輛分布式控制系統中的應用

1　引言
對于多電機的系統，特別是多電機驅動(dòng)的軌道車(chē)輛控制系統，需要實(shí)現大量的信息采集、分布式的協(xié)調控制、實(shí)時(shí)的反應速度等功能。傳統的集散型控制系統存在系統不開(kāi)放、硬件投資大、布線(xiàn)復雜、維修不便的缺點(diǎn)，具有明顯的局限性，顯然是不適合的?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）是繼直接數字控制（DDC）、集散控制系統（DCS）之后的一種新型的控制系統，是一種全開(kāi)放、全數字、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構。其顯著(zhù)特點(diǎn)是通過(guò)開(kāi)放性總線(xiàn)把現場(chǎng)設備連接成網(wǎng)絡(luò )，各智能設備能夠完成自動(dòng)控制和運行狀態(tài)的自行診斷，并且能夠通過(guò)總線(xiàn)實(shí)現設備之間的通信，從而簡(jiǎn)化了系統結構，提高了可靠性。因此本文提出了一種基于CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)控制系統的設計方案，將計算機通訊、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)很好的結合起來(lái)，設計出了一套結構簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性高、擴展性強的分布式監控系統，實(shí)現了多電機控制與監測的實(shí)時(shí)調節、設備狀態(tài)的數字化和圖形化顯示。
2 控制系統整體方案設計
整個(gè)控制系統由監控計算機、PC-CAN接口卡、操作臺節點(diǎn)、智能驅動(dòng)節點(diǎn)（n110）、CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )組成，其系統結構如圖1所示。分布在整個(gè)車(chē)輛的驅動(dòng)節點(diǎn)接收操作臺發(fā)來(lái)的控制指令，對驅動(dòng)電機進(jìn)行智能控制，并采集車(chē)載電源的電壓、電流和溫度信號，經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送給監控計算機；監控計算機可以通過(guò)CAN總線(xiàn)網(wǎng)和各個(gè)控制節點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并顯示電源電壓、驅動(dòng)電流、車(chē)輛速度等狀態(tài)，從而實(shí)現軌道車(chē)輛的分布式驅動(dòng)和集中監控。

控制系統中的驅動(dòng)節點(diǎn)由微處理器、CAN控制器、CAN收發(fā)器和外圍電路（如：信號調理、光耦隔離、I2C、撥碼開(kāi)關(guān)等）組成。監控計算機可以選用普通PC或工控機IPC。PC-CAN適配卡用來(lái)完成CAN總線(xiàn)和監控計算機之間的協(xié)議轉換，可以選用PCI總線(xiàn)適配卡、ISA總線(xiàn)適配卡或RS232串行通信適配器。操作臺節點(diǎn)用于車(chē)輛運行方向與運行速度的控制。各個(gè)控制節點(diǎn)之間通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)互聯(lián)構成CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，總線(xiàn)兩端連接120Ω的阻抗匹配電阻，用來(lái)提高系統的穩定性、增強系統的抗干擾能力。
3 驅動(dòng)節點(diǎn)的硬件設計
CAN總線(xiàn)器件有兩種選擇方案：一種是片內集成CAN的微控制器，如P8XC591/2、87C196CA/CB、MC68376等；另一種是獨立的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，但是獨立的CAN控制芯片需要外接一個(gè)微處理器才能運行。為了簡(jiǎn)化設計，提高可靠性，本文設計中選用的是Philips公司的帶有在片CAN控制器的P87C591微型控制器，自帶CAN總線(xiàn)控制器（SJA1000）的微處理器，不占用處理器的端口資源，大大簡(jiǎn)化了接口電路的設計，減少了程序的復雜程度，提高了系統的穩定性。
整個(gè)車(chē)輛分布式控制系統設計的重點(diǎn)和和難點(diǎn)都是驅動(dòng)節點(diǎn)。驅動(dòng)節點(diǎn)硬件電路設計上采用了模塊化結構，由微控制器、CAN通信模塊、信號采集模塊、電機控制模塊、參數設置模塊組成，驅動(dòng)節點(diǎn)的整體結構如圖2所示。

圖2 驅動(dòng)節點(diǎn)結構框圖