基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與虛擬儀器的車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)

1　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)的蓄電池車(chē)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)方式硬件組成復(fù)雜、走線(xiàn)繁瑣、調(diào)試安裝不便、不易擴(kuò)展，且沒(méi)有發(fā)揮虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)，因此本文提出了一種基于CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)的虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，將計(jì)算機(jī)通訊、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和虛擬儀器的概念很好的結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)出了一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性高、擴(kuò)展性強(qiáng)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，在復(fù)雜控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)控制與監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、控制效果的數(shù)字化和圖形化。

2　總體方案的提出

圖1　系統(tǒng)的總框圖

設(shè)計(jì)系統(tǒng)原則是在實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)的原則基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)不僅能滿(mǎn)足應(yīng)用需要，而且要有靈活性、可擴(kuò)展性和通用性。該系統(tǒng)是由虛擬儀器技術(shù)、Modbus總線(xiàn)協(xié)議、CAN總線(xiàn)優(yōu)化組合成而成，系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖如圖1所示。系統(tǒng)是利用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)電機(jī)、多組電池及其它輔助設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。主要由上位機(jī)、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、其它輔助控制系統(tǒng)組成。各個(gè)控制器之間通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)控制指令的發(fā)送和接收、傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的共享等，從而提高系統(tǒng)的控制性能。

　　電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)采集電機(jī)的電樞電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速，判斷工況，接收設(shè)定轉(zhuǎn)速等功能;電池管理控制器實(shí)現(xiàn)采集電池溫度、電壓、電流、接收控制指令等功能。上位機(jī)用圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW編寫(xiě)，程序以虛擬儀表的形式實(shí)時(shí)顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速、車(chē)速、電池的荷電狀態(tài)等值，并通過(guò)操作上位機(jī)發(fā)控制指令，控制電機(jī)電池的狀態(tài)。CAN節(jié)點(diǎn)是本系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)它把各個(gè)分散的部分連接成統(tǒng)一的系統(tǒng)。每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)使用統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同的工作方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以獨(dú)立的選擇所連接設(shè)備及工作方式。

3　CAN節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　對(duì)于車(chē)用電控單元來(lái)說(shuō)，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高可靠性，采用集成的自帶CAN總線(xiàn)控制器的微處理器。自帶CAN總線(xiàn)控制器的微處理器，不占用處理器的端口資源，可以大大簡(jiǎn)化接口電路的設(shè)計(jì)，減少程序的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)選用Philips的高性能微控制器P87C591。圖2為節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的功能框圖，針對(duì)節(jié)點(diǎn)功能要求與所選擇微處理器資源，敘述如下：

　?。?） 全雙工增強(qiáng)型UART，帶有可編程波特率發(fā)生器，按規(guī)定的Modbus協(xié)議來(lái)完成RS232/RS485通訊;在硬件實(shí)現(xiàn)上，RS485總線(xiàn)端使用的是收發(fā)器MAX481;RS232總線(xiàn)端使用的是收發(fā)器MAX232。為了實(shí)現(xiàn)串口通道的切換，在該系統(tǒng)中專(zhuān)門(mén)設(shè)置了跳線(xiàn)槽，用于手動(dòng)選擇，通過(guò)設(shè)定不同的輸入信號(hào)值，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)通道。

圖2節(jié)點(diǎn)硬件功能框圖

　　（2） 微處理器P87C591片內(nèi)集成并增強(qiáng)了SJA1000（獨(dú)立的CAN控制器）的功能，完全兼容CAN2.0協(xié)議，可完成CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)等通信任務(wù);CAN接口電路使用CAN總線(xiàn)收發(fā)器PCA82C250，為了增加系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，在P87C591和PCA82C250之間增加相應(yīng)的光電隔離電路。

　?。?） 自帶的6路模擬輸入的10位ADC，可設(shè)置為8位快速ADC，可以基本滿(mǎn)足本系統(tǒng)對(duì)采集的精度要求，完成對(duì)電機(jī)、電池狀態(tài)的測(cè)量任務(wù);對(duì)模擬信號(hào)的采集，采集電路將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)傳感器電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理（濾波、放大、電量轉(zhuǎn)換）后，接入微處理器的ADC接口。為抑制共模干擾，放大器基本采用差動(dòng)輸入。

　?。?） 2個(gè)8位分辨率的脈寬調(diào)制輸出（PWM）為電機(jī)控制器提供控制信號(hào)，完成對(duì)電機(jī)速率的調(diào)節(jié)。與51系列兼容的可編程I/O口（準(zhǔn)雙向、推挽、高阻和開(kāi)漏），為數(shù)字信號(hào)提供通道，負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)量的讀取與設(shè)置。

　?。?） 16K字節(jié)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，可以滿(mǎn)足本系統(tǒng)的程序空間。帶字節(jié)方式主和從功能的I2C總線(xiàn)串行I/O口，可方便的和外圍存儲(chǔ)芯片接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。

　　硬件部分除了以上主要部分外，還有電源電路、擴(kuò)展存儲(chǔ)器、以及看門(mén)狗電路。電源電路提供所需隔離電源，用于提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性;E2PROM通過(guò)I2C串行總線(xiàn)存放系統(tǒng)的某些參數(shù);看門(mén)狗電路主要是保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，在上電、掉電以及警戒情況下復(fù)位輸出。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

　　虛擬儀器軟件主要分為用戶(hù)應(yīng)用層、虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)蛹坝布O(shè)備驅(qū)動(dòng)層三個(gè)層次。用戶(hù)應(yīng)用層和用戶(hù)需求緊密相關(guān)，它主要完成兩個(gè)任務(wù)：一、為用戶(hù)提供各類(lèi)測(cè)試儀器的虛擬界面，進(jìn)行人機(jī)交互，也就是通常所說(shuō)的界面設(shè)計(jì)，通過(guò)它來(lái)顯示收集實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，提供用戶(hù)與系統(tǒng)的交互平臺(tái);二、完成對(duì)數(shù)據(jù)的分類(lèi)、判斷、處理，串口通信，數(shù)據(jù)的存取操作等任務(wù)。

圖3　上位機(jī)程序示意圖

　　其中串口的設(shè)備驅(qū)動(dòng)是由VISA完成的，LabVIEW所提供的VISA是虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)體系（Virtual Instrument Software Architecture）簡(jiǎn)稱(chēng)。VISA是在所有LabVIEW工作平臺(tái)上控制VXI、GPIB、RS232以及其他種類(lèi)儀器的接口程序庫(kù)。VISA是由組成VXI plug&play系統(tǒng)聯(lián)盟的35家最大的儀器儀表公司所統(tǒng)一采用的標(biāo)準(zhǔn)。采用了VISA標(biāo)準(zhǔn)，就可以不考慮時(shí)間及儀器 I/O選擇項(xiàng)，驅(qū)動(dòng)軟件可以相互兼容使用。

4.2節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

圖4　節(jié)點(diǎn)主程序框圖

　　圖4為主程序框圖。它描述了通用模塊設(shè)計(jì)的基本流程，根據(jù)讀入跳線(xiàn)的狀態(tài)和讀入存儲(chǔ)器中設(shè)定的狀態(tài)，決定本模塊的作用及本模塊的工作方式。選定了工作方式以后，重新進(jìn)行各自的初始化，主要包括I/O端口的配置、CAN中斷的設(shè)置、驗(yàn)收濾波器的設(shè)置、串口工作方式設(shè)置、定時(shí)器方式設(shè)置、波特率設(shè)置以及串口I2C的相關(guān)設(shè)置。在完成初始化設(shè)置后，就可以回到工作狀態(tài)，進(jìn)入各自的主循環(huán)。以下分別介紹各個(gè)工作方式的實(shí)現(xiàn)：

　　1） 總線(xiàn)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

　　通用串口到CAN接口轉(zhuǎn)換工作方式的設(shè)計(jì)，主要是實(shí)現(xiàn)CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)與RS232/485總線(xiàn)數(shù)據(jù)之間的互連通信以及系統(tǒng)的升級(jí)。通過(guò)內(nèi)置CAN控制器控制總線(xiàn)工作狀態(tài)，結(jié)合軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)通用串口與CAN接口通信的目的。Modbus規(guī)定了兩種傳輸模式ASCII或RTU，本系統(tǒng)選擇使用RTU模式。Modbus協(xié)議報(bào)文與CAN總線(xiàn)報(bào)文相互轉(zhuǎn)化時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)的CAN協(xié)議有11位ID，而Modbus協(xié)議的地址為一個(gè)字節(jié)，為便于轉(zhuǎn)換將其ID分為3位和8位兩部分，前3位用于判斷報(bào)文所屬類(lèi)型，后8位為每個(gè)模塊的ID值。例如11位Modbus協(xié)議報(bào)文向CAN口轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)轉(zhuǎn)化格式規(guī)定如圖5。CAN總線(xiàn)向串口轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需經(jīng)過(guò)收集、排隊(duì)、轉(zhuǎn)發(fā)三個(gè)過(guò)程。收集是因?yàn)樽鳛樯衔粰C(jī)操作的返回幀，有時(shí)會(huì)返回多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)

圖5　Modbus11位報(bào)文轉(zhuǎn)換為CAN標(biāo)準(zhǔn)幀

　　據(jù)，CAN作為串口總線(xiàn)也必須分時(shí)的通知并接收每個(gè)指定要求返回值的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。排隊(duì)是因?yàn)槿绻猩衔粰C(jī)的返回請(qǐng)求，就把這種數(shù)據(jù)先發(fā)送，其它數(shù)據(jù)暫存，發(fā)送返回后再發(fā)送，否則會(huì)認(rèn)為返回的值是錯(cuò)誤的。經(jīng)過(guò)排隊(duì)的數(shù)據(jù)依次向上位機(jī)發(fā)送。

　　2） 監(jiān)控電機(jī)的實(shí)現(xiàn)

　　此工作方式完成電機(jī)的監(jiān)控，首先要初始化包括（串口關(guān)閉、I2C設(shè)定，CAN的初始化，設(shè)置接收濾波器），讀取設(shè)定參數(shù)后進(jìn)入主循環(huán)。該節(jié)點(diǎn)是智能節(jié)點(diǎn)，已經(jīng)具備獨(dú)立控制電機(jī)運(yùn)行的能力，上位機(jī)只負(fù)責(zé)向其發(fā)送控制繼電器開(kāi)斷的開(kāi)關(guān)量與設(shè)定電機(jī)速度的數(shù)字量，節(jié)點(diǎn)收到后會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)使其達(dá)到設(shè)定的工作速率，此方式可以大大減輕總線(xiàn)負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。作為智能節(jié)點(diǎn)本身負(fù)責(zé)根據(jù)預(yù)設(shè)控制算法調(diào)節(jié)電機(jī)外，還肩負(fù)著采集電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（電流、電壓、溫度、轉(zhuǎn)速）、判斷異常狀態(tài)、實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)等工作。

　　3） 監(jiān)控電池的實(shí)現(xiàn)

　　電機(jī)是由電池提供的電能驅(qū)動(dòng)的，電池的狀態(tài)不僅反映本身的工作狀態(tài)而且可以間接反映電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。電池的電流、電壓、溫度都有各自的閥值，正常工況下，各個(gè)節(jié)點(diǎn)按照規(guī)定的時(shí)序向上位機(jī)發(fā)送自身狀態(tài);當(dāng)處于不正常工作狀態(tài)時(shí)，模塊判斷出現(xiàn)問(wèn)題的原因并采取相應(yīng)的措施，并及時(shí)的通過(guò)CAN總線(xiàn)向上位機(jī)報(bào)告。如果是不可修復(fù)的通信錯(cuò)誤，不能繼續(xù)通訊，本節(jié)點(diǎn)自動(dòng)完成關(guān)閉電池、電機(jī)的任務(wù)，本套驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)退出工作，并使電機(jī)處于浮動(dòng)狀態(tài)，保證正常運(yùn)行的車(chē)輛不受阻礙。

　　4） 模塊設(shè)定的實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)跳線(xiàn)的設(shè)置，程序開(kāi)啟時(shí)會(huì)判斷什么時(shí)候進(jìn)入設(shè)定工作方式。當(dāng)用戶(hù)需要對(duì)某一節(jié)點(diǎn)設(shè)置時(shí)，上位機(jī)運(yùn)行設(shè)置軟件，上位機(jī)與模塊通過(guò)串口相連接，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入設(shè)定工作方式（此方式是針對(duì)單一模塊逐一設(shè)置的），上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)功能碼讀取模塊參數(shù)，發(fā)送相應(yīng)功能碼修改模塊參數(shù)?？梢栽O(shè)置的模塊參數(shù)包括本模塊的地址、與模塊相連的設(shè)備、串口與設(shè)備通信的波特率等，這些參數(shù)都是存儲(chǔ)在I2C接口的存儲(chǔ)器中。

　　5） 其它標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)

　　Modbus規(guī)約是MODICOM公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)為很多廠(chǎng)商支持的開(kāi)放規(guī)約，標(biāo)準(zhǔn)的Modbus是使用RS-232C兼容串行接口，本模塊串口通訊就是遵循Modbus協(xié)議，因此在擴(kuò)展上有更大的靈活性，只要上位機(jī)有一定的程序相對(duì)應(yīng)，符合Modbus協(xié)議的工控設(shè)備就可以通過(guò)本模塊輕松的掛接在CAN總線(xiàn)上。

5　結(jié)束語(yǔ)

　　采用總線(xiàn)技術(shù)與虛擬技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，使系統(tǒng)功能劃分更清晰，設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)更明確，設(shè)備對(duì)外連線(xiàn)更簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)擴(kuò)展與集成更容易。實(shí)現(xiàn)了軟件平臺(tái)的通用化、軟件協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化、硬件結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一化，從而保證了系統(tǒng)的可移植性和可擴(kuò)展性，為監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新思路。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)作情況表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路正確，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、靈活性均能達(dá)到該車(chē)輛的設(shè)計(jì)要求。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn):把虛擬儀器技術(shù)、Modbus協(xié)議與CAN總線(xiàn)組成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)，并且在統(tǒng)一的硬件平臺(tái)上滿(mǎn)足了各種不同功能需求。