CAN总线在车辆分布式控制系统中的应用

1　引言
对于多电机的系统，特别是多电机驱动的轨道车辆控制系统，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。传统的集散型控制系统存在系统不开放、硬件投资大、布线复杂、维修不便的缺点，具有明显的局限性，显然是不适合的。现场总线控制系统（FCS）是继直接数字控制（DDC）、集散控制系统（DCS）之后的一种新型的控制系统，是一种全开放、全数字、多点通信的底层控制网络，具有全分散性控的体系结构。其显著特点是通过开放性总线把现场设备连接成网络，各智能设备能够完成自动控制和运行状态的自行诊断，并且能够通过总线实现设备之间的通信，从而简化了系统结构，提高了可靠性。因此本文提出了一种基于CAN（Controller Area Network）总线控制系统的设计方案，将计算机通讯、现场总线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，实现了多电机控制与监测的实时调节、设备状态的数字化和图形化显示。
2 控制系统整体方案设计
整个控制系统由监控计算机、PC-CAN接口卡、操作台节点、智能驱动节点（n110）、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；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，并显示电源电压、驱动电流、车辆速度等状态，从而实现轨道车辆的分布式驱动和集中监控。

控制系统中的驱动节点由微处理器、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。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。操作台节点用于车辆运行方向与运行速度的控制。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、增强系统的抗干扰能力。
3 驱动节点的硬件设计
CAN总线器件有两种选择方案：一种是片内集成CAN的微控制器，如P8XC591/2、87C196CA/CB、MC68376等；另一种是独立的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，但是独立的CAN控制芯片需要外接一个微处理器才能运行。为了简化设计，提高可靠性，本文设计中选用的是Philips公司的带有在片CAN控制器的P87C591微型控制器，自带CAN总线控制器（SJA1000）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。
整个车辆分布式控制系统设计的重点和和难点都是驱动节点。驱动节点硬件电路设计上采用了模块化结构，由微控制器、CAN通信模块、信号采集模块、电机控制模块、参数设置模块组成，驱动节点的整体结构如图2所示。

图2 驱动节点结构框图