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基于虚拟仪器技术的车辆监控系统设计

作者:孙树文 杨建武2009.04.21阅读 9369

     0 引言
  目前,在控制领域,虚拟仪器系统的应用多局限于采集-反馈-控制的点对点方式。而对于多电机的系统,特别是多电机驱动的轨道车辆系统,则需要实现大量的信息采集、分布式的协调控制、实时的反应速度等功能。传统方式硬件构成复杂、走线繁琐、调试安装不便、不易扩展,且没有发挥虚拟仪器的优势,因此本文提出了一种基于CAN(Controller Area Network)总线的虚拟仪器系统的设计方案,将计算机通讯技术、现场总线技术和虚拟仪器技术很好的结合起来,设计出了一套结构简单、实时性高、扩展性强的分布式监控系统www.cechina.cn,实现了多电机驱动控制与实时监测的车辆监控系统。
  1  监控系统的总体结构和功能
  基于CAN总线和虚拟仪器技术的车辆监控系统由监控计算机(内置PC-CAN适配卡)、智能节点(n<108)、CAN总线网络组成,其系统结构如图1所示。分布在整个车辆的智能节点按功能可以分为:操作台节点、电机驱动节点、设备控制节点。驱动节点接收操作台发来的控制指令,对驱动电机进行智能控制,并采集车载电源的电压、电流和温度信号,经过处理后发送给监控计算机;设备控制节点接收监控计算机的指令控制相应的车载设备,如照明设备、通风设备、广播设备等;监控计算机可以通过CAN总线网和各个控制节点之间进行实时通信,用图形化编程语言LabVIEW编写虚拟仪表用来显示电源电压、驱动电流、车辆速度、设备状态等信息,从而实现轨道车辆的分布式驱动和集中监控。
  CAN智能节点是整个监控系统的核心部分,通过它把分布在车辆上的各种设备连接成统一的系统。每个智能节点使用统一的硬件平台,由微处理器、CAN控制器、CAN收发器和外围电路(如:信号调理、光耦隔离、I2C、拨码开关等)组成。每个节点都可以根据所选择的连接设备来选择不同的工作方式。监控计算机可以选用普通PC或工控机(IPC)。PC-CAN适配卡用来完成CAN总线和监控计算机之间的协议转换,可以选用PCI总线适配卡、ISA总线适配卡或RS232串行通信适配器。各个控制节点之间通过屏蔽双绞线互联构成CAN总线网络,总线两端连接120Ω的阻抗匹配电阻,用来提高系统的稳定性和抗干扰能力。
  2 监控系统的硬件设计
  由前所述监控系统的总体结构和功能可知CONTROL ENGINEERING China版权所有,该系统的硬件设计主要是CAN智能节点的设计。智能节点硬件电路设计上采用了模块化结构,由微控制器(CPU)、CAN通信模块、信号采集模块、设备控制模块、参数设置模块组成www.cechina.cn,驱动节点的整体结构如图2所示。

驱动节点的整体结构


  为了简化设计,提高系统的可靠性和性价比,智能节点选用的是Philips公司的带有在片CAN控制器的P87C591微型控制器。采用自带CAN总线控制器的微处理器,不占用处理器的端口资源,大大简化了接口电路的设计,减少了程序的复杂程度,提高了系统的稳定性。现场智能节点各个组成模块的功能与所选择微处理器相对应的资源如下:
  (1)CAN通信模块:CAN总线通信接口电路主要由P87C591的片内CAN驱动器SJA1000、6N137高速光隔、CAN收发器PCA82C250组成。P87C591完成CAN协议的应用层功能;SJA1000完全兼容CAN2.0协议,完成物理层和数据链路层的功能;PCA82C250提供了对总线差动发送和接受数据的功能,有效地提高了总线的抗干扰能力,实现了保护总线、降低射频干扰等功能。为了进一步提高了系统的可靠性,在P87C591和PCA82C250之间光耦(如:6N137等)隔离电路,并且采取了双电源,有效地抑制由总线引入的干扰[1]。
  (2)信号采集模块:P87C591自带的6路模拟输入的10位ADC,可设置为8位快速ADC,可以基本满足本系统对采集的精度要求CONTROL ENGINEERING China版权所有,完成对电机、电池状态的测量任务;采集电路将各个传感器采集到电信号进行调理后,接入微处理器的ADC接口。为抑制共模干扰,放大器基本采用差动输入。CPU得到信息做出相应的判断,并送至不同的子程序进行相应的处理,如:把电池的电压、电流、温度信息通过通信程序发送给监控计算机;若电池电压过低,则自动切断本节点的驱动电机,并把节点的停机信息通知监控计算机。
  (3)设备控制模块:CPU接收到控制台发来的控制指令信息,并做出相应的处理。不同的设备接口电路略有不同。如:电机驱动节点是接通驱动电机的主接触器、正反转接触器CONTROL ENGINEERING China版权所有,通过I2C总线把速度信号传给数字电位计,用来控制电机驱动器的输出电流,进而控制电机转速。若电池的电压、电流、温度的任一项值超出正常值范围时,或接到总线的报警信息,电机控制模块都会做出相应的反应,使驱动单元得到保护。
  (4)参数设置模块:报警电压、报警电流、报警温度、波特率等信息通过RS232接口及相应的设置软件存储于基于X25045的E2PRO
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