基于現(xiàn)場總線與虛擬儀器的車輛監(jiān)控系統(tǒng)

1　引言

　　目前，在控制領域，虛擬儀器系統(tǒng)的應用多局限于采集-反饋-控制的點對點方式。而對于多電機的系統(tǒng)，特別是多電機驅動的蓄電池車輛系統(tǒng)，則需要實現(xiàn)大量的信息采集、分布式的協(xié)調控制、實時的反應速度等功能。傳統(tǒng)方式硬件組成復雜、走線繁瑣、調試安裝不便、不易擴展，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)的設計方案，將計算機通訊、現(xiàn)場總線技術和虛擬儀器的概念很好的結合起來，設計出了一套結構簡單、實時性高、擴展性強的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，在復雜控制系統(tǒng)中實現(xiàn)了多電機控制與監(jiān)測的實時調節(jié)、控制效果的數字化和圖形化。

2　總體方案的提出

圖1　系統(tǒng)的總框圖

設計系統(tǒng)原則是在實用、可靠、經濟的原則基礎上，保證系統(tǒng)不僅能滿足應用需要，而且要有靈活性、可擴展性和通用性。該系統(tǒng)是由虛擬儀器技術、Modbus總線協(xié)議、CAN總線優(yōu)化組合成而成，系統(tǒng)的構成原理圖如圖1所示。系統(tǒng)是利用PC機實現(xiàn)對多臺電機、多組電池及其它輔助設備進行監(jiān)控。主要由上位機、電池管理系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、其它輔助控制系統(tǒng)組成。各個控制器之間通過CAN總線進行通信，以實現(xiàn)控制指令的發(fā)送和接收、傳感器測量數據的共享等，從而提高系統(tǒng)的控制性能。

　　電機控制器實現(xiàn)采集電機的電樞電流、電機轉速，判斷工況，接收設定轉速等功能;電池管理控制器實現(xiàn)采集電池溫度、電壓、電流、接收控制指令等功能。上位機用圖形化編程語言LabVIEW編寫，程序以虛擬儀表的形式實時顯示電機轉速、車速、電池的荷電狀態(tài)等值，并通過操作上位機發(fā)控制指令，控制電機電池的狀態(tài)。CAN節(jié)點是本系統(tǒng)的核心部分，通過它把各個分散的部分連接成統(tǒng)一的系統(tǒng)。每個CAN節(jié)點使用統(tǒng)一的硬件平臺，實現(xiàn)不同的工作方式，每個節(jié)點都可以獨立的選擇所連接設備及工作方式。

3　CAN節(jié)點硬件設計

　　對于車用電控單元來說，為了簡化設計，提高可靠性，采用集成的自帶CAN總線控制器的微處理器。自帶CAN總線控制器的微處理器，不占用處理器的端口資源，可以大大簡化接口電路的設計，減少程序的復雜程度，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)點硬件設計的功能框圖，針對節(jié)點功能要求與所選擇微處理器資源，敘述如下：

　　（1） 全雙工增強型UART，帶有可編程波特率發(fā)生器，按規(guī)定的Modbus協(xié)議來完成RS232/RS485通訊;在硬件實現(xiàn)上，RS485總線端使用的是收發(fā)器MAX481;RS232總線端使用的是收發(fā)器MAX232。為了實現(xiàn)串口通道的切換，在該系統(tǒng)中專門設置了跳線槽，用于手動選擇，通過設定不同的輸入信號值，選擇相應的數據通道。

圖2節(jié)點硬件功能框圖

　?。?） 微處理器P87C591片內集成并增強了SJA1000（獨立的CAN控制器）的功能，完全兼容CAN2.0協(xié)議，可完成CAN總線數據的收發(fā)等通信任務;CAN接口電路使用CAN總線收發(fā)器PCA82C250，為了增加系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，在P87C591和PCA82C250之間增加相應的光電隔離電路。

　?。?） 自帶的6路模擬輸入的10位ADC，可設置為8位快速ADC，可以基本滿足本系統(tǒng)對采集的精度要求，完成對電機、電池狀態(tài)的測量任務;對模擬信號的采集，采集電路將各個測試點傳感器電信號進行調理（濾波、放大、電量轉換）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輸入。

　?。?） 2個8位分辨率的脈寬調制輸出（PWM）為電機控制器提供控制信號，完成對電機速率的調節(jié)。與51系列兼容的可編程I/O口（準雙向、推挽、高阻和開漏），為數字信號提供通道，負責開關量的讀取與設置。

　　（5） 16K字節(jié)內部程序存儲器，可以滿足本系統(tǒng)的程序空間。帶字節(jié)方式主和從功能的I2C總線串行I/O口，可方便的和外圍存儲芯片接口，實現(xiàn)數據的存儲功能。

　　硬件部分除了以上主要部分外，還有電源電路、擴展存儲器、以及看門狗電路。電源電路提供所需隔離電源，用于提高節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性;E2PROM通過I2C串行總線存放系統(tǒng)的某些參數;看門狗電路主要是保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，在上電、掉電以及警戒情況下復位輸出。

4　系統(tǒng)軟件設計

4.1上位機軟件的設計

　　虛擬儀器軟件主要分為用戶應用層、虛擬設備驅動程序層及硬件設備驅動層三個層次。用戶應用層和用戶需求緊密相關，它主要完成兩個任務：一、為用戶提供各類測試儀器的虛擬界面，進行人機交互，也就是通常所說的界面設計，通過它來顯示收集實測數據和狀態(tài)信息，提供用戶與系統(tǒng)的交互平臺;二、完成對數據的分類、判斷、處理，串口通信，數據的存取操作等任務。

圖3　上位機程序示意圖

　　其中串口的設備驅動是由VISA完成的，LabVIEW所提供的VISA是虛擬儀器軟件結構體系（Virtual Instrument Software Architecture）簡稱。VISA是在所有LabVIEW工作平臺上控制VXI、GPIB、RS232以及其他種類儀器的接口程序庫。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)一采用的標準。采用了VISA標準，就可以不考慮時間及儀器 I/O選擇項，驅動軟件可以相互兼容使用。

4.2節(jié)點程序設計

圖4　節(jié)點主程序框圖

　　圖4為主程序框圖。它描述了通用模塊設計的基本流程，根據讀入跳線的狀態(tài)和讀入存儲器中設定的狀態(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，重新進行各自的初始化，主要包括I/O端口的配置、CAN中斷的設置、驗收濾波器的設置、串口工作方式設置、定時器方式設置、波特率設置以及串口I2C的相關設置。在完成初始化設置后，就可以回到工作狀態(tài)，進入各自的主循環(huán)。以下分別介紹各個工作方式的實現(xiàn)：

　　1） 總線轉換的實現(xiàn)

　　通用串口到CAN接口轉換工作方式的設計，主要是實現(xiàn)CAN總線數據與RS232/485總線數據之間的互連通信以及系統(tǒng)的升級。通過內置CAN控制器控制總線工作狀態(tài)，結合軟件設計，實現(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)議報文與CAN總線報文相互轉化時，由于標準的CAN協(xié)議有11位ID，而Modbus協(xié)議的地址為一個字節(jié)，為便于轉換將其ID分為3位和8位兩部分，前3位用于判斷報文所屬類型，后8位為每個模塊的ID值。例如11位Modbus協(xié)議報文向CAN口轉發(fā)時轉化格式規(guī)定如圖5。CAN總線向串口轉發(fā)時需經過收集、排隊、轉發(fā)三個過程。收集是因為作為上位機操作的返回幀，有時會返回多個節(jié)點的數

圖5　Modbus11位報文轉換為CAN標準幀

　　據，CAN作為串口總線也必須分時的通知并接收每個指定要求返回值的節(jié)點的數據。排隊是因為如果有上位機的返回請求，就把這種數據先發(fā)送，其它數據暫存，發(fā)送返回后再發(fā)送，否則會認為返回的值是錯誤的。經過排隊的數據依次向上位機發(fā)送。

　　2） 監(jiān)控電機的實現(xiàn)

　　此工作方式完成電機的監(jiān)控，首先要初始化包括（串口關閉、I2C設定，CAN的初始化，設置接收濾波器），讀取設定參數后進入主循環(huán)。該節(jié)點是智能節(jié)點，已經具備獨立控制電機運行的能力，上位機只負責向其發(fā)送控制繼電器開斷的開關量與設定電機速度的數字量，節(jié)點收到后會自動調節(jié)電機使其達到設定的工作速率，此方式可以大大減輕總線負擔，提高系統(tǒng)的實時性。作為智能節(jié)點本身負責根據預設控制算法調節(jié)電機外，還肩負著采集電機運行狀態(tài)（電流、電壓、溫度、轉速）、判斷異常狀態(tài)、實時發(fā)送數據等工作。

　　3） 監(jiān)控電池的實現(xiàn)

　　電機是由電池提供的電能驅動的，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的運行狀態(tài)。電池的電流、電壓、溫度都有各自的閥值，正常工況下，各個節(jié)點按照規(guī)定的時序向上位機發(fā)送自身狀態(tài);當處于不正常工作狀態(tài)時，模塊判斷出現(xiàn)問題的原因并采取相應的措施，并及時的通過CAN總線向上位機報告。如果是不可修復的通信錯誤，不能繼續(xù)通訊，本節(jié)點自動完成關閉電池、電機的任務，本套驅動器自動退出工作，并使電機處于浮動狀態(tài)，保證正常運行的車輛不受阻礙。

　　4） 模塊設定的實現(xiàn)

　　根據跳線的設置，程序開啟時會判斷什么時候進入設定工作方式。當用戶需要對某一節(jié)點設置時，上位機運行設置軟件，上位機與模塊通過串口相連接，節(jié)點進入設定工作方式（此方式是針對單一模塊逐一設置的），上位機發(fā)送相應功能碼讀取模塊參數，發(fā)送相應功能碼修改模塊參數?？梢栽O置的模塊參數包括本模塊的地址、與模塊相連的設備、串口與設備通信的波特率等，這些參數都是存儲在I2C接口的存儲器中。

　　5） 其它標準設備的實現(xiàn)

　　Modbus規(guī)約是MODICOM公司開發(fā)的一個為很多廠商支持的開放規(guī)約，標準的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，因此在擴展上有更大的靈活性，只要上位機有一定的程序相對應，符合Modbus協(xié)議的工控設備就可以通過本模塊輕松的掛接在CAN總線上。

5　結束語

　　采用總線技術與虛擬技術相結合的設計思路，使系統(tǒng)功能劃分更清晰，設備功能實現(xiàn)更明確，設備對外連線更簡潔，系統(tǒng)擴展與集成更容易。實現(xiàn)了軟件平臺的通用化、軟件協(xié)議的標準化、硬件結構的統(tǒng)一化，從而保證了系統(tǒng)的可移植性和可擴展性，為監(jiān)控系統(tǒng)的設計提供了一種新思路。系統(tǒng)實際運作情況表明，系統(tǒng)設計思路正確，系統(tǒng)實時性、穩(wěn)定性、靈活性均能達到該車輛的設計要求。

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