基于虛擬儀器技術(shù)的車輛監(jiān)控系統(tǒng)設計
2008/7/21 14:16:00
摘要：針對軌道車輛控制系統(tǒng)中驅(qū)動電機多而分散、系統(tǒng)信息量大、布線復雜、調(diào)試不方便等問題，設計了一種基于CAN總線和虛擬儀器技術(shù)的分布式軌道車輛監(jiān)控系統(tǒng)。利用LabVIEW軟件構(gòu)建了車輛控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測平臺，監(jiān)控主機與現(xiàn)場智能節(jié)點通過CAN總線進行通信，實現(xiàn)了多電機的分散控制和集中監(jiān)管功能，形成了分布式監(jiān)控網(wǎng)絡，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。文中介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、智能節(jié)點的軟/硬件設計流程。該系統(tǒng)經(jīng)實際測試和現(xiàn)場運行表明，CAN總線和虛擬儀器技術(shù)的有機結(jié)合優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并且具有一定的推廣價值和廣闊的應用前景。
關(guān)鍵詞：CAN總線；虛擬儀器；分布式系統(tǒng)；LabVIEW；智能節(jié)點
中國分類號：TP247 文獻標識碼：A
Design of the Monitor and Control System of Railcar Based on
CAN Bus and Virtual Instrument Technology
關(guān)鍵詞：CAN總線；虛擬儀器；分布式系統(tǒng)；LabVIEW；智能節(jié)點
中國分類號：TP247 文獻標識碼：A
Design of the Monitor and Control System of Railcar Based on
CAN Bus and Virtual Instrument Technology
Sun Shuwen, Yang Jianwu, Zhang Huihui
(College of Mechanical Engineering & Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100022 ,China)
Abstract:Countering the problems existing in the distributed control system of railcar, such as the condition of excessive and distributed driving motor, many information exchange, complex wiring, and inconvenient installation and debugging, a monitor and control system of railcar based on CAN Bus and virtual instrument technology is designed. The HMI is studied and realized on the platform of LabVIEW. Via CAN (Control Area Networks) bus, the monitor host computer and these nodes of field intelligent can communicate with each other directly, like a distributed network. The system structure is more concise. The function of distributed setting and concentrated control is realized in this system. The whole structure and principle of system, the hardware circuit, and the software programming were discussed in detail. Practical using shows that this monitor system has the better control effect, indicates it’s brilliant and validity beyond traditional methods and is suitable for similar practical engineering.
Keywords: CAN bus; virtual instrument; distributed system; LabVIEW; field intelligent node
0 引言
目前，在控制領(lǐng)域，虛擬儀器系統(tǒng)的應用多局限于采集－反饋－控制的點對點方式。而對于多電機的系統(tǒng)，特別是多電機驅(qū)動的軌道車輛系統(tǒng)，則需要實現(xiàn)大量的信息采集、分布式的協(xié)調(diào)控制、實時的反應速度等功能。傳統(tǒng)方式硬件構(gòu)成復雜、走線繁瑣、調(diào)試安裝不便、不易擴展，且沒有發(fā)揮虛擬儀器的優(yōu)勢，因此本文提出了一種基于CAN（Controller Area Network）總線的虛擬儀器系統(tǒng)的設計方案，將計算機通訊技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)很好的結(jié)合起來，設計出了一套結(jié)構(gòu)簡單、實時性高、擴展性強的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了多電機驅(qū)動控制與實時監(jiān)測的車輛監(jiān)控系統(tǒng)。
0 引言
目前，在控制領(lǐng)域，虛擬儀器系統(tǒng)的應用多局限于采集－反饋－控制的點對點方式。而對于多電機的系統(tǒng)，特別是多電機驅(qū)動的軌道車輛系統(tǒng)，則需要實現(xiàn)大量的信息采集、分布式的協(xié)調(diào)控制、實時的反應速度等功能。傳統(tǒng)方式硬件構(gòu)成復雜、走線繁瑣、調(diào)試安裝不便、不易擴展，且沒有發(fā)揮虛擬儀器的優(yōu)勢，因此本文提出了一種基于CAN（Controller Area Network）總線的虛擬儀器系統(tǒng)的設計方案，將計算機通訊技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)很好的結(jié)合起來，設計出了一套結(jié)構(gòu)簡單、實時性高、擴展性強的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了多電機驅(qū)動控制與實時監(jiān)測的車輛監(jiān)控系統(tǒng)。
1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和功能
基于CAN總線和虛擬儀器技術(shù)的車輛監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控計算機（內(nèi)置PC-CAN適配卡）、智能節(jié)點（n<108）、CAN總線網(wǎng)絡組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。分布在整個車輛的智能節(jié)點按功能可以分為：操作臺節(jié)點、電機驅(qū)動節(jié)點、設備控制節(jié)點。驅(qū)動節(jié)點接收操作臺發(fā)來的控制指令，對驅(qū)動電機進行智能控制，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；設備控制節(jié)點接收監(jiān)控計算機的指令控制相應的車載設備，如照明設備、通風設備、廣播設備等；監(jiān)控計算機可以通過CAN總線網(wǎng)和各個控制節(jié)點之間進行實時通信，用圖形化編程語言LabVIEW編寫虛擬儀表用來顯示電源電壓、驅(qū)動電流、車輛速度、設備狀態(tài)等信息，從而實現(xiàn)軌道車輛的分布式驅(qū)動和集中監(jiān)控。
基于CAN總線和虛擬儀器技術(shù)的車輛監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控計算機（內(nèi)置PC-CAN適配卡）、智能節(jié)點（n<108）、CAN總線網(wǎng)絡組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。分布在整個車輛的智能節(jié)點按功能可以分為：操作臺節(jié)點、電機驅(qū)動節(jié)點、設備控制節(jié)點。驅(qū)動節(jié)點接收操作臺發(fā)來的控制指令，對驅(qū)動電機進行智能控制，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；設備控制節(jié)點接收監(jiān)控計算機的指令控制相應的車載設備，如照明設備、通風設備、廣播設備等；監(jiān)控計算機可以通過CAN總線網(wǎng)和各個控制節(jié)點之間進行實時通信，用圖形化編程語言LabVIEW編寫虛擬儀表用來顯示電源電壓、驅(qū)動電流、車輛速度、設備狀態(tài)等信息，從而實現(xiàn)軌道車輛的分布式驅(qū)動和集中監(jiān)控。
CAN智能節(jié)點是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，通過它把分布在車輛上的各種設備連接成統(tǒng)一的系統(tǒng)。每個智能節(jié)點使用統(tǒng)一的硬件平臺，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。每個節(jié)點都可以根據(jù)所選擇的連接設備來選擇不同的工作方式。監(jiān)控計算機可以選用普通PC或工控機（IPC）。PC-CAN適配卡用來完成CAN總線和監(jiān)控計算機之間的協(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。各個控制節(jié)點之間通過屏蔽雙絞線互聯(lián)構(gòu)成CAN總線網(wǎng)絡，總線兩端連接120Ω的阻抗匹配電阻，用來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計
由前所述監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和功能可知，該系統(tǒng)的硬件設計主要是CAN智能節(jié)點的設計。智能節(jié)點硬件電路設計上采用了模塊化結(jié)構(gòu)，由微控制器（CPU）、CAN通信模塊、信號采集模塊、設備控制模塊、參數(shù)設置模塊組成，驅(qū)動節(jié)點的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
由前所述監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和功能可知，該系統(tǒng)的硬件設計主要是CAN智能節(jié)點的設計。智能節(jié)點硬件電路設計上采用了模塊化結(jié)構(gòu)，由微控制器（CPU）、CAN通信模塊、信號采集模塊、設備控制模塊、參數(shù)設置模塊組成，驅(qū)動節(jié)點的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
為了簡化設計，提高系統(tǒng)的可靠性和性價比，智能節(jié)點選用的是Philips公司的帶有在片CAN控制器的P87C591微型控制器。采用自帶CAN總線控制器的微處理器，不占用處理器的端口資源，大大簡化了接口電路的設計，減少了程序的復雜程度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。現(xiàn)場智能節(jié)點各個組成模塊的功能與所選擇微處理器相對應的資源如下：
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