CAN總線在車輛分布式控制系統中的應用

1　引言
對于多電機的系統，特別是多電機驅動的軌道車輛控制系統，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。傳統的集散型控制系統存在系統不開放、硬件投資大、布線復雜、維修不便的缺點，具有明顯的局限性，顯然是不適合的。現場總線控制系統（FCS）是繼直接數字控制（DDC）、集散控制系統（DCS）之后的一種新型的控制系統，是一種全開放、全數字、多點通信的底層控制網絡，具有全分散性控的體系結構。其顯著特點是通過開放性總線把現場設備連接成網絡，各智能設備能夠完成自動控制和運行狀態的自行診斷，并且能夠通過總線實現設備之間的通信，從而簡化了系統結構，提高了可靠性。因此本文提出了一種基于CAN（Controller Area Network）總線控制系統的設計方案，將計算機通訊、現場總線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，實現了多電機控制與監測的實時調節、設備狀態的數字化和圖形化顯示。
2 控制系統整體方案設計
整個控制系統由監控計算機、PC-CAN接口卡、操作臺節點、智能驅動節點（n110）、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；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，并顯示電源電壓、驅動電流、車輛速度等狀態，從而實現軌道車輛的分布式驅動和集中監控。

控制系統中的驅動節點由微處理器、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。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。操作臺節點用于車輛運行方向與運行速度的控制。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、增強系統的抗干擾能力。
3 驅動節點的硬件設計
CAN總線器件有兩種選擇方案：一種是片內集成CAN的微控制器，如P8XC591/2、87C196CA/CB、MC68376等；另一種是獨立的CAN控制器，如控制Philips公司的SJA1000、82C200、 Intel公司的82526、以及Microchip公司的MCP2510等，但是獨立的CAN控制芯片需要外接一個微處理器才能運行。為了簡化設計，提高可靠性，本文設計中選用的是Philips公司的帶有在片CAN控制器的P87C591微型控制器，自帶CAN總線控制器（SJA1000）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。
整個車輛分布式控制系統設計的重點和和難點都是驅動節點。驅動節點硬件電路設計上采用了模塊化結構，由微控制器、CAN通信模塊、信號采集模塊、電機控制模塊、參數設置模塊組成，驅動節點的整體結構如圖2所示。

圖2 驅動節點結構框圖