基于虚拟仪器技术的车辆监控系统设计
2008/7/21 14:16:00
摘要：针对轨道车辆控制系统中驱动电机多而分散、系统信息量大、布线复杂、调试不方便等问题，设计了一种基于CAN总线和虚拟仪器技术的分布式轨道车辆监控系统。利用LabVIEW软件构建了车辆控制系统的状态监测平台，监控主机与现场智能节点通过CAN总线进行通信，实现了多电机的分散控制和集中监管功能，形成了分布式监控网络，简化了系统结构。文中介绍了监控系统的整体结构、智能节点的软/硬件设计流程。该系统经实际测试和现场运行表明，CAN总线和虚拟仪器技术的有机结合优于传统监控系统的实现方法，并且具有一定的推广价值和广阔的应用前景。
关键词：CAN总线；虚拟仪器；分布式系统；LabVIEW；智能节点
中国分类号：TP247 文献标识码：A
Design of the Monitor and Control System of Railcar Based on
CAN Bus and Virtual Instrument Technology
关键词：CAN总线；虚拟仪器；分布式系统；LabVIEW；智能节点
中国分类号：TP247 文献标识码：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，实现了多电机驱动控制与实时监测的车辆监控系统。
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，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。
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，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，驱动节点的整体结构如图2所示。
由前所述监控系统的总体结构和功能可知，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，驱动节点的整体结构如图2所示。
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：
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