基于虛擬儀器技術(shù)的車輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2008/7/21 14:16:00
摘要：針對(duì)軌道車輛控制系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)多而分散、系統(tǒng)信息量大、布線復(fù)雜、調(diào)試不方便等問題，設(shè)計(jì)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(tái)，監(jiān)控主機(jī)與現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)通過CAN總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)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(luò)，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(diǎn)的軟/硬件設(shè)計(jì)流程。該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際測試和現(xiàn)場運(yùn)行表明，CAN總線和虛擬儀器技術(shù)的有機(jī)結(jié)合優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，并且具有一定的推廣價(jià)值和廣闊的應(yīng)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(diǎn)
中國分類號(hào)：TP247 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(diǎn)
中國分類號(hào)：TP247 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yīng)用多局限于采集－反饋－控制的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式。而對(duì)于多電機(jī)的系統(tǒng)，特別是多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軌道車輛系統(tǒng)，則需要實(shí)現(xiàn)大量的信息采集、分布式的協(xié)調(diào)控制、實(shí)時(shí)的反應(yīng)速度等功能。傳統(tǒng)方式硬件構(gòu)成復(fù)雜、走線繁瑣、調(diào)試安裝不便、不易擴(kuò)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(shè)計(jì)方案，將計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)出了一套結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時(shí)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)驅(qū)動(dòng)控制與實(shí)時(shí)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(yīng)用多局限于采集－反饋－控制的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式。而對(duì)于多電機(jī)的系統(tǒng)，特別是多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軌道車輛系統(tǒng)，則需要實(shí)現(xiàn)大量的信息采集、分布式的協(xié)調(diào)控制、實(shí)時(shí)的反應(yīng)速度等功能。傳統(tǒng)方式硬件構(gòu)成復(fù)雜、走線繁瑣、調(diào)試安裝不便、不易擴(kuò)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(shè)計(jì)方案，將計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)出了一套結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時(shí)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)驅(qū)動(dòng)控制與實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)（內(nèi)置PC-CAN適配卡）、智能節(jié)點(diǎn)（n<108）、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(gè)車輛的智能節(jié)點(diǎn)按功能可以分為：操作臺(tái)節(jié)點(diǎn)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)、設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收操作臺(tái)發(fā)來的控制指令，對(duì)驅(qū)動(dòng)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(hào)，經(jīng)過處理后發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)；設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)的指令控制相應(yīng)的車載設(shè)備，如照明設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、廣播設(shè)備等；監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以通過CAN總線網(wǎng)和各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)電流、車輛速度、設(shè)備狀態(tài)等信息，從而實(shí)現(xiàn)軌道車輛的分布式驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)（內(nèi)置PC-CAN適配卡）、智能節(jié)點(diǎn)（n<108）、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(gè)車輛的智能節(jié)點(diǎn)按功能可以分為：操作臺(tái)節(jié)點(diǎn)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)、設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收操作臺(tái)發(fā)來的控制指令，對(duì)驅(qū)動(dòng)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(hào)，經(jīng)過處理后發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)；設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)的指令控制相應(yīng)的車載設(shè)備，如照明設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、廣播設(shè)備等；監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以通過CAN總線網(wǎng)和各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)電流、車輛速度、設(shè)備狀態(tài)等信息，從而實(shí)現(xiàn)軌道車輛的分布式驅(qū)動(dòng)和集中監(jiān)控。
CAN智能節(jié)點(diǎn)是整個(gè)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(shè)備連接成統(tǒng)一的系統(tǒng)。每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)使用統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，由微處理器、CAN控制器、CAN收發(fā)器和外圍電路（如：信號(hào)調(diào)理、光耦隔離、I2C、撥碼開關(guān)等）組成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以根據(jù)所選擇的連接設(shè)備來選擇不同的工作方式。監(jiān)控計(jì)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(jì)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。各個(gè)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)定性和抗干擾能力。
2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)主要是CAN智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。智能節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)上采用了模塊化結(jié)構(gòu)，由微控制器（CPU）、CAN通信模塊、信號(hào)采集模塊、設(shè)備控制模塊、參數(shù)設(shè)置模塊組成，驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)主要是CAN智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。智能節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)上采用了模塊化結(jié)構(gòu)，由微控制器（CPU）、CAN通信模塊、信號(hào)采集模塊、設(shè)備控制模塊、參數(shù)設(shè)置模塊組成，驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
為了簡化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性和性價(jià)比，智能節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)，減少了程序的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)各個(gè)組成模塊的功能與所選擇微處理器相對(duì)應(yīng)的資源如下：
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基于單總線技術(shù)蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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