基于虛擬儀器技術的車輛監控系統設計
2008/7/21 14:16:00
摘要：針對軌道車輛控制系統中驅動電機多而分散、系統信息量大、布線復雜、調試不方便等問題，設計了一種基于CAN總線和虛擬儀器技術的分布式軌道車輛監控系統。利用LabVIEW軟件構建了車輛控制系統的狀態監測平臺，監控主機與現場智能節點通過CAN總線進行通信，實現了多電機的分散控制和集中監管功能，形成了分布式監控網絡，簡化了系統結構。文中介紹了監控系統的整體結構、智能節點的軟/硬件設計流程。該系統經實際測試和現場運行表明，CAN總線和虛擬儀器技術的有機結合優于傳統監控系統的實現方法，并且具有一定的推廣價值和廣闊的應用前景。
關鍵詞：CAN總線；虛擬儀器；分布式系統；LabVIEW；智能節點
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
關鍵詞：CAN總線；虛擬儀器；分布式系統；LabVIEW；智能節點
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，在控制領域，虛擬儀器系統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，特別是多電機驅動的軌道車輛系統，則需要實現大量的信息采集、分布式的協調控制、實時的反應速度等功能。傳統方式硬件構成復雜、走線繁瑣、調試安裝不便、不易擴展，且沒有發揮虛擬儀器的優勢，因此本文提出了一種基于CAN（Controller Area Network）總線的虛擬儀器系統的設計方案，將計算機通訊技術、現場總線技術和虛擬儀器技術很好的結合起來，設計出了一套結構簡單、實時性高、擴展性強的分布式監控系統，實現了多電機驅動控制與實時監測的車輛監控系統。
0 引言
目前，在控制領域，虛擬儀器系統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，特別是多電機驅動的軌道車輛系統，則需要實現大量的信息采集、分布式的協調控制、實時的反應速度等功能。傳統方式硬件構成復雜、走線繁瑣、調試安裝不便、不易擴展，且沒有發揮虛擬儀器的優勢，因此本文提出了一種基于CAN（Controller Area Network）總線的虛擬儀器系統的設計方案，將計算機通訊技術、現場總線技術和虛擬儀器技術很好的結合起來，設計出了一套結構簡單、實時性高、擴展性強的分布式監控系統，實現了多電機驅動控制與實時監測的車輛監控系統。
1 監控系統的總體結構和功能
基于CAN總線和虛擬儀器技術的車輛監控系統由監控計算機（內置PC-CAN適配卡）、智能節點（n<108）、CAN總線網絡組成，其系統結構如圖1所示。分布在整個車輛的智能節點按功能可以分為：操作臺節點、電機驅動節點、設備控制節點。驅動節點接收操作臺發來的控制指令，對驅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，經過處理后發送給監控計算機；設備控制節點接收監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；監控計算機可以通過CAN總線網和各個控制節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、驅動電流、車輛速度、設備狀態等信息，從而實現軌道車輛的分布式驅動和集中監控。
基于CAN總線和虛擬儀器技術的車輛監控系統由監控計算機（內置PC-CAN適配卡）、智能節點（n<108）、CAN總線網絡組成，其系統結構如圖1所示。分布在整個車輛的智能節點按功能可以分為：操作臺節點、電機驅動節點、設備控制節點。驅動節點接收操作臺發來的控制指令，對驅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，經過處理后發送給監控計算機；設備控制節點接收監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；監控計算機可以通過CAN總線網和各個控制節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、驅動電流、車輛速度、設備狀態等信息，從而實現軌道車輛的分布式驅動和集中監控。
CAN智能節點是整個監控系統的核心部分，通過它把分布在車輛上的各種設備連接成統一的系統。每個智能節點使用統一的硬件平臺，由微處理器、CAN控制器、CAN收發器和外圍電路（如：信號調理、光耦隔離、I2C、撥碼開關等）組成。每個節點都可以根據所選擇的連接設備來選擇不同的工作方式。監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總線和監控計算機之間的協議轉換，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。各個控制節點之間通過屏蔽雙絞線互聯構成CAN總線網絡，總線兩端連接120Ω的阻抗匹配電阻，用來提高系統的穩定性和抗干擾能力。
2 監控系統的硬件設計
由前所述監控系統的總體結構和功能可知，該系統的硬件設計主要是CAN智能節點的設計。智能節點硬件電路設計上采用了模塊化結構，由微控制器（CPU）、CAN通信模塊、信號采集模塊、設備控制模塊、參數設置模塊組成，驅動節點的整體結構如圖2所示。
由前所述監控系統的總體結構和功能可知，該系統的硬件設計主要是CAN智能節點的設計。智能節點硬件電路設計上采用了模塊化結構，由微控制器（CPU）、CAN通信模塊、信號采集模塊、設備控制模塊、參數設置模塊組成，驅動節點的整體結構如圖2所示。
為了簡化設計，提高系統的可靠性和性價比，智能節點選用的是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，提高了系統的穩定性。現場智能節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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