CAN总线在机车监控系统中的应用

CAN总线在机车监控系统中的应用

以Philips公司的SJA1000为例，介绍了CAN现场总线的特点，控制器的功能、结构和CAN2．0B总线协议的基本内容，阐述了一个基于CAN总线的火车机车监控系统，及其系统性能要求、系统硬件构建、软件设计思路和应用结果，由此说明CAN总线的优点及其用于工业现场控制系统的一个通用设计过程。
    关键词：CAN，现场总线，SJA1000初始化，机车监控系统，信号检测，局域网

1　引　言
　　对火车机车监控系统而言，数据测量／传输的快速性、准确性、可靠性、通讯的灵活性都是至关重要的。以前的机车数据监控仅仅提供现场数据的显示和报警，在各设备上加智能仪表，比较分散，不便于观察机车运行情况和进行及时检修，机车运行数据也无法保存，而这些数据是查清机车故障原因和检修的重要依据；智能仪表的各种操作，如调零、限值、精度都因环境和人为因素，影响了简单仪表的显示、报警功能，加之工作现场环境恶劣（高温、震动、电磁波辐射等），导致其实时性、准确性都较差。随着国内现场总线技术的发展，有必要及时更新原来的检测系统。
　　机车监控系统本身有几十个数据采集节点（采用单片微机AT89C51），一个上位工控机负责数据存储和记录，由于采集点多、采集频率较高（20Hz），因此，总线上的数据通常比较拥挤，而系统对数据传输的准确性、报警数据的实时性要求特别高，鉴于此，我们选择CAN现场总线搭建数据平台，它兼具了灵活性、实时性、准确性、可靠性各方面的优势。
　　CAN是控制器局域网络（Controller Area Net）的简称，是80年代德国奔驰汽车公司制定的一种串行通讯协议，主要用于汽车多个控制设备和多个仪器仪表之间的数据通讯，链路层采用CAN2．0B协议。现在，它已广泛应用于各种工业现场，特别适用于做优化、分析及维护的系统。90年代，国内开始对CAN总线应用进行研究，目前已在诸多领域中应用CAN总线技术。
　　本系统就是一个依照CAN2．0B构建的局域网，总线控制器采用德国Philips公司的SJA1000，驱动器为与其匹配的PCA82C250，下位机和上位机通过CANH、CANL双绞线进行双向通信。此系统的整个硬件结构又可以作为CAN网络的一个标准节点，构成树状网络，它是CAN总线系统的最小构成和典型应用。
2　CAN总线特点简介
　　CAN总线的最大特征就是，网络内各节点以多主方式工作，各节点在任意时刻都可以点对点、一点对多点向其他节点发送信息，不分主从，灵活性好。
　　CAN总线上同时传送的数据采用非破坏性仲裁，ID小的优先传送，低优先级数据延迟发送，这对负载较重的网络解决网络瘫痪、网络阻塞及提高效率很有效。
　　CAN还有较强的校验功能，出错的数据自动重新发送，可靠性很高。
　　另外，CAN通讯介质选择双绞线，机车现场空间狭窄，双绞线的现场布线、安装、拆卸都比较简单。最大通信距离长达10km，比特率可达1Mbps（通信距离较大时，比特率会有所降低），可同时传送16个报文。Philips公司的SJA1000的工作温度范围：－40℃～＋125℃，存储温度范围：－65℃～＋150℃。
　　对于系统选用的SJA1000CAN控制器，其功能模块主要有：接口管理逻辑（Interface ManagementLogic）、接收FIFO栈（Receive FIFO）、接收过滤器（Acceptance Filter）、发送缓冲器（Transmit Buffer）和CAN核心模块（CAN Core Block），结构如图1所示（见Philips Semiconductors公司的资料：ApplicationNote——SJA1000 Stand－alone CAN ControllerAN97076，1997）。

　　接口管理逻辑主要处理和微控制器的信号交换，通过CS、ALE／AS、RD、WR、INT等控制信号与微控制器进行数据读写。而CAN核心模块就是CAN2．0B的执行部分。
　　接收过滤器接收经CAN核心模块转换过的数据，通过寄存器接收码寄存器（Acceptance CodeRegister，ACR）、接收屏蔽寄存器（Acceptance MaskRegister，AMR）做过滤处理，符合ID要求的数据才予以接收。ACR提供本机ID，AMR提供ID过滤时的有效位信息。接收FIFO栈用来暂存通过过滤器过滤而接收的数据。
　　发送缓冲器（TB）存储欲发送的数据，CAN核心模块从发送缓冲器读数，依照CAN2．0B协议发送数据。
3　系统功能及硬件实现
　　此系统除了常规系统提供的功能之外，还具有模块优先级可调（ID可调）、报警限值可调、报警历史数据的保存等功能。
　　工作现场由多个模拟仪表和一些开关信号组成，每一个仪表配一块数据采集板，开关量的采集由一个和模拟量采集板相似的单独模块完成。下位机采用ATMEL公司的AT89C51微型单片机，主要做通信数据的采集、简单判断和数据发送的准备工作；通信部分由总线控制器SJA1000及其配套的驱动器PCA82C250构成，它们可以完成数据链路层和物理层的所有工作；另有上位工控机，带有5M字节的闪存E2PROM，能提供10万次擦除和10年的数据保存期，用以存储各个采集模块报警前、后1min的数据，机车每个运行周期结束后，就将E2PROM中的数据导出，以备日后的性能分析；监控报警模块，用来进行数据的实时显示及报警，为了防止上位机出现瓶颈现象，各模块的报警任务分散给下位机完成，向上位机发送数据只需将报警标志位置复位即可；总线终端接100Ω～120Ω电阻以抑制信号反射，保证通信可靠性。双绞线连接各个模块节点，形成多主控制的局域网。另外，为了防止系统运行意外，还加了X25045（美国Xicor公司的外围器件，集成了Watchdog、复位控制器、带Block锁的CMOS串行E2PROM阵列三种功能）作看门狗，4KB的SPI（Serial Peripheral Interface）E2PROM可以存储此节点的报警限值等一些重要数据。系统拓扑结构如图2所示。