摘 要：針對(duì)多電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)信息量大、布線復(fù)雜、調(diào)試不方便等特點(diǎn)，本文介紹了一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，使用Modbus協(xié)議與CAN總線協(xié)議，通過串口總線與CAN總線的轉(zhuǎn)換，將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和虛擬儀器有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性高、擴(kuò)展性強(qiáng)的多電機(jī)蓄電池車輛控制系統(tǒng)。實(shí)際使用情況表明本系統(tǒng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：CAN總線;虛擬儀器;Modbus協(xié)議;串口

Abstract: To resolve problems of traditional multi-motor monitor/control system, such as excessive information exchange, complex wiring, and inconvenient installation and debugging, this paper provide a design based on field bus and virtual instrument technology. With the help of Modbus protocol, CAN （Control Area Networks） bus, and serial port, combines field bus technology and virtual instrument technology, realizes the convenience, real time, expandability, multi-motor car control system. It goes well in practice and has met the requirements.

Keywords: CAN; Virtual Instrument; Modbus; Serial Port

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、走線繁瑣、調(diào)試安裝不便、不易擴(kuò)展，且沒有發(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)總線技術(shù)和虛擬儀器的概念很好的結(jié)合起來，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總線協(xié)議、CAN總線優(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CAN總線進(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)用圖形化編程語言LabVIEW編寫，程序以虛擬儀表的形式實(shí)時(shí)顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、電池的荷電狀態(tài)等值，并通過操作上位機(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)于車用電控單元來說，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，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(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：

（1）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)議來完成RS232/RS485通訊;在硬件實(shí)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(shí)現(xiàn)串口通道的切換，在該系統(tǒng)中專門設(shè)置了跳線槽，用于手動(dòng)選擇，通過設(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總線數(shù)據(jù)的收發(fā)等通信任務(wù);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(yīng)的光電隔離電路。

（3）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。

（4）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、高阻和開漏），為數(shù)字信號(hào)提供通道，負(fù)責(zé)開關(guān)量的讀取與設(shè)置。

（5）16K字節(jié)內(nèi)部程序存儲(chǔ)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(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I2C串行總線存放系統(tǒng)的某些參數(shù);看門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。用戶應(yīng)用層和用戶需求緊密相關(guān)，它主要完成兩個(gè)任務(wù)：一、為用戶提供各類測(cè)試儀器的虛擬界面，進(jìn)行人機(jī)交互，也就是通常所說的界面設(shè)計(jì)，通過它來顯示收集實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，提供用戶與系統(tǒng)的交互平臺(tái);二、完成對(duì)數(shù)據(jù)的分類、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。VISA是在所有LabVIEW工作平臺(tái)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(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總線數(shù)據(jù)與RS232/485總線數(shù)據(jù)之間的互連通信以及系統(tǒng)的升級(jí)。通過內(nèi)置CAN控制器控制總線工作狀態(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總線向串口轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需經(jīng)過收集、排隊(duì)、轉(zhuǎn)發(fā)三個(gè)過程。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)送控制繼電器開斷的開關(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)問題的原因并采取相應(yīng)的措施，并及時(shí)的通過CAN總線向上位機(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)行的車輛不受阻礙。

4）模塊設(shè)定的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)跳線的設(shè)置，程序開啟時(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公司開發(fā)的一個(gè)為很多廠商支持的開放規(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)備就可以通過本模塊輕松的掛接在CAN總線上。

5 結(jié)束語

采用總線技術(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)上滿足了各種不同功能需求。

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