（电力电子与电力传动专业论文）基于现场总线的机车运用状态实时监测系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第l l 页 a b s tr a c t t h eo p e r a t i n gs t a t eo ft h el o c o m o t i v ei sv e r yi m p o r t a n tt os e c u r i t yo ft h ew h o l e r a i l w a ys y s t e m m o n i t o r i n gt h eo p e r a t i n gs t a t eo ft h el o c o m o t i v ea n dm a i n t a i n i n g l o c o m o t i v eg u a r a n t e el o c o m o t i v ew o r kh e a l t h i l y o r i g i n a l l yl o c o m o t i v e sa r e m a i n t a i n e dp e r i o d i c a l l y n o to n l yt h i sm a i n t a i n i n gm e t h o dm a k e sc o s th i g h ，b u t a l s ot h ee f f e c to ft h i sm e t h o di sn o tg o o d b e c a u s el o c o m o t i v e sb e c o m em o r ea n d m o r ef a s t e r , r e s e a r c h i n go n - l i n em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i n gs y s t e mf o rl o c o m o t i v ei s o n ep u r p o s eo fm a n yl o c o m o t i v ed e p a r t m e n t d u r i n gr e s e a r c h i n gl o c o m o t i v es t a t er e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mt h ea u t h o r f i n i s h e st h i st h e s i s a f t e rc o m p a r i n gs o m ep o p u l a rf i e l db u s ，t h ea u t h o rb u i l d sa d i s t r i b u t e ds y s t e mb a s e do nc a nb u s t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e r a l m o d u l e sa c c o r d i n gt od i f f e r e n te q u i p m e n t so fl o c o m o t i v e i ne a c hp a r t ，t h eh a r d w a r e c i r c u i ti sd e s i g n e da n dt h es o f t w a r ef o rc a nb u si sp r o g r a m m e d t h er e a l - t i m e m o n i t o r i n gs y s t e mc a nd e t e c tl k j - 9 3 ，t h ev o l t a g eo fp o w e rn e t ，f r a c t i o nm o t o ra n d t h ef a u l td i s p l a ys c r e e ne r e c fc a r di su s e di nt h i ss y s t e m ，w h i c hs o l v ed a t as t o r a g e o ft h i ss y s t e m t h er e a l t i m ed a t aa b o u tl o c o m o t i v es t a t ei st r a n s m i t t e dt oe x p e r t s y s t e mi nm a i n t e n a n c ed e p a r t m e n t a f t e rf i n i s h i n gt h ew h o l es y s t e m ，t h ea u t h o r t a k e sm a n ye x p e r i m e n t s0 1 3 t h el o c o m o t i v e s a n dt h er e s u l t sp r o v et h ew h o l es c h e m e i sf e a s i b l e i nt h ea p p e n d i x ，i ti sg i v e nt h ep i c t u r e so fe a c hp a r t k e yw o r d s ：c a nb u s ；l o c o m o t i v e ；s t a t em o n i t o r ；d a t as t o r a g e d a t at r a n s m i s s i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 进行机车运用状态实时监测系统研究的目的及意义 铁路在我国交通体系中占有重要的地位，铁路运输是国民经济的命脉。 但长期以来，我国铁道车辆一直处于一种运行速度不高的状况；进入九十年 代以后，随着国民经济的迅速发展，我国铁路明显加快了以高速、重载、安 全为主题的发展步伐，各种快速车辆、重载货车等不断投入运营，我国铁路 呈现出前所未有的发展态势。伴随着这些新的发展，对车辆的设计、维修、 运营管理等提出了一系列新的问题1 1 1 。 行车安全是铁路运输的永恒主题，铁路提速后对机车的安全性提出了更 高更严的要求，过去那种主要依靠机车司机与检修人员的经验和直觉对机车 故障进行诊断与检修的做法已经不能满足现代运输对“安全、高效”的要求， 由于在机车运行过程中可能出现的一些瞬时故障不能及时准确的记录，就给 机车的运行安全带来隐患，而且由于没有数据作为依据也给检修带来困难。 为此，国内外提出了一种经济高效、先进合理的维修制度一一状态修p 4 1 。 状态修是把当前的定期、定型和分解型的维修方式，改变为实时、在线的状 态监测，通过对车辆运行参数的监测，随时掌握设备出现的故障及运行工况， 有效的确立以功能为中心和非分解型的设备维修方法。状态修是一种预维修 制，与定期检修相比，状态修是现代网络技术、检测技术、计算机技术、信 息技术、人工智能等多种学科在车辆的运行维护和运营管理上的综合应用， 它更能保证车辆运行的安全性，维修决策的科学性，是我国铁路车辆运营维 护管理现代化的发展方向情j 。 要实现车辆的状态修，首要的任务就是对车辆的运行状态进行实时的监 测，并能将检测到的机车运行参数实时的传回地面进行保存，这样专家系统 的诊断才有据可依。本文的电力机车运用状态实时监测系统就是为了全面的 检测机车运行过程中状态参数，对检测到的数据进行保存，同时还将检测到 的数据实时的发给地面的专家系统。 综上可见，对机车的运行状态进行实时的监测，对实现机车的状态修， 提高机车运行安全，实现离效的运营管理等具有实际的意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 机车运用状态实时监测系统的研究和发展现状 国外的铁路发达国家，随着本国铁路高速化、现代化的发展，为了保证 列车运行的安全与高效，大都进行了机车车辆状态监测与控制技术的研究。 早期主要以发展地面监测装置为主，近年来，随着计算机技术、网络通讯技 术、微控制器技术的发展，车载监测装置也得到了空前的发展，其中欧洲各 国以及日本的“设备状态的动态检测与监控系统”运用的比较成功 i 】。而德 国i c e 高速列车己经成功实现了对整个列车的全面诊断【4 j ，i c e 中的每一个 用电子控制的子系统都具有自诊断功能，这些子系统通过光缆连接到车载微 机控制系统上，一旦发生故障，该系统不仅可以报警，同时向司机提出处理 建议，还可以通过列车无线系统将检修所需的重要诊断数据传给有关的检修 段，列车进段后就可以立即检修；在速度进一步提高至高速领域后，为了避 免车辆的性能降低甚至失效而导致车辆失稳，欧洲规定在高速列车转向架上 需要安装加速度计以监测转向架的运行状态，当监测到转向架构架的横向加 速度值超过一定的数值时发出报警。在日本，西日本铁路公司( j r ) 在2 2 1 系以后的所有新造车辆上均安装了监控装置，以期及时掌握车辆的运行状 态。可以说，在这些铁路比较发达的国家，车辆运行状态监控装置已经成为 新型机车的一种标准装置。 在我国，随着铁路技术的发展，也有一些小型的监控装置运用于机车车 辆上，如现在几乎所有的机车上都安装有温度监测报警装置和l k j 9 3 机车 运行监控装置等，但这些装置监测的运行参数比较少，更重要的这些装置所 监测到的数据不能实时的传送回地面，数据不能得到有效的利用。在2 0 0 0 年5 月我国组建了“国家铁路智能运输系统工程技术研究中心r i t s c ( t h e c e n t e ro fn a t i o n a lr a i l w a yi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e me n g i n e e r i n ga n d t e c h n o l o g y ) ”标志着我国在此方面的研究进入了新的阶段【6 j ，现在各科研院 所及铁路运用部门也越来越重视机车运行状态的实时监测工作，但目前，我 国还没有一套比较全面的状态监测及专家诊断系统得以应用，在这方面的研 究只是处于起步阶段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 作者的研究内容及论文重点 论文是结合某车辆段的实际项目完成的，本监测系统是应用对象是s s 4 b 电力机车。在论文中作者主要完成了以下工作： ( 1 ) 了解s s 4 b 机车运行过程中的主要参数，并根据这些参数的类型和 分布情况划分出不同的数据采集模块； ( 2 ) 了解现场总线的原理及应用，选择了c a n 总线作为系统的通信平台， 设计c a n 总线的接口电路和程序； ( 3 ) 设计出符合系统精度等要求的数据采集模块并编制各模块的软件； ( 4 ) 设计数据存储和发送模块，将采集到的数据保存并实时的发送给地 面的专家系统； 在论文进行过程中，作者结合实际需要，借鉴相关学科领域和专业的研 究成果，善于综合多学科的理论知识并形成解决实际问题的方法。最终完成 了各个模块的软硬件的研制，并装车进行了试验。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章现场总线的原理及应用 2 1 引言 现场总线是应用在生产现场或微机化测量控制设备之间实现双向串行 多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网 络。现场总线的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始口1 。本文 所设计的机车运用状态实时监测系统是一个分布式的监测系统，作者选择现 场总线作为各个模块之间的通信平台。因此，了解现场总线的原理及实现方 法，是使整个分布式状态监测系统成为一个有机整体的关键。 2 2 现场总线简介及选择 2 2 1 现场总线的特点与优点 1 现场总线的特点 首先，从结构上来说，现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。 传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别迸行连接。而现 场总线系统由于采用了智能现场设各，能够把原先d c s 系统中处于控制室的 控制模块、各输入输出模块置于现场设备，加上现场设备具有通信能力，现 场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构真接传送信号，因而控制系统功能 能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分 敖控制1 7 j 。另外，现场总线采用的是三层网络结构一一物理层、数据链路层 和应用层。流量控制和差错控制在数据链路层执行，报文的可靠传输在数据 链路层或应用层执行。这种网络结构具有结构简单、执行协议直观、价格低 廉等优点，同时性能又令人满意。 其次。从技术来说，现场总线具有以下的技术特点【7 l ： ( 1 ) 系统的开放性开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标 准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何遵守相同标准的 其他设备或系统连接，各不同厂家的设备之间可实现信息互换； ( 2 ) 互可操作性与互用性互可操作性是指实现互连设备问、系统间的 信息传送与沟通：而互用则意味羞不同生产厂家的性能相似的设备可实现相 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 互替换； ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程 量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控 制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态： ( 4 ) 系统结构的高度分散性现场总线已构成一种新的全分散性控制系 统的体系结构； ( 5 ) 对现场环境的适应性工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的 现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、光缆等，具有较强的 抗干扰能力。因为在电力机车上存在着较强的干扰，因此，这一特点对本系 统来说也是至关重要的。 2 现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系 统从设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性 “。 ( 1 ) 节省硬件数量与投资； ( 2 ) 节省安装费用现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条 电缆上通常可以挂接多个设备，当需要增加现场测控设备时，无需增设新的 电缆，可就近连接在原有的电缆上； ( 3 ) 用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择不同厂商所提 供的设备来集成系统； ( 4 ) 提高了系统的准确性与可靠性由于现场总线设备的智能化、数字 化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制系统的精确度。同时， 由于结构简单，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 2 2 2 几种有影响的现场总线 自8 0 年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在些特 定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生 命力。对现场总线的发展已经发挥并将会继续发挥较大的作用。 1 基金会现场总线 基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是目前最具有发展前景 9 】， 最具有竞争力的现场总线之一。在1 9 9 4 年就成立了现场总线基金会，致力 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 于开发统一的现场总线标准。f f 现场总线模型结构如图2 1 所示e 它的通 信模型以i s o o s i 开放系统模型为基础，采用了物理层、擞据链路层、应用 层，并在其上增加了用户层，各厂家的产品在用户层的基础上实现。其中应 用层有两个子层：现场总线访问子层f a s 和现场总线信息规范子层f m s ，并 将从数据链路到f a s ，f m s 的全部功能集成为通信栈。现场总线访问子层与 信息规范子层的任务是完成一个进程应用到另一个应用进程的描述，实现应 用进程之问的通信，提供应用接口的标准操作，实现应用层的开放性。 i s o o s i 模型f f 现场总线模型 应用层 表达层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 用户层( 程序)用户层 现场总线信息规范子层f m s 现场总线访问子层f a s通 信 栈 数据链路层 物理层物理层 图2 1 ：f f 现场总线模型 2l o n w o r k s l o n w o r k s 是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美国e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形 成的。它采用了i s o o s i 模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计 方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。l o n w o r k s 技术所采用 的l o n t a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的神经元芯片中而得以实现。集成 芯片中有3 个8 位c p u ，一个用于完成开放互连模型中第l 和第2 层的功能， 称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成3 6 层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路 径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等。第三 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。l o n w o r k s 的模型结构如图 2 2 所示。 i s o o s i 模型作用服务 应用层 表达层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 网络应用程序标准网络变量类型：组态性能：文件传送；埘络服务 数据表示网络变量；外部帧传送 远程传送控制请求响应：确认 端一端传输可靠性单路多路应答服务：重复信息服务；复制检查 报文传递单路多路寻址，路径 媒体访问与成帧成帧；数据编码，c r c 校验：冲突回避仲裁；优先级 电气连接 媒体特殊细节( 如调制) ；收发种类；物理连接 图2 2 ：l o n w o r k s 模型结构 3p r o f i b u s p r o f i b u s 是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标 准。由p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s p a 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。f m s 意 为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。 而p a 型则是用于过程自动化的总线类型。该项技术是由西门子公司为主的 十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了o s i 模型的物理层、数据链 路层。f m s 还采用了应用层。p r o f i b u s 的模型结构如图2 3 所示。 i s o o s i 模型p r o f i b u s d p p r o f i b u s f m s 应用层 表达层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 用户接口应用层接口 应用层信息规范低层接口 隐去第3 至第七层 隐去第3 至第6 层 数据链路层数据链路层 物理层 物理层 图2 3 ：p r o f i b u s 模型结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 4c a n 总线 c a n 是控制器局域网络( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的简称，最早由德国 b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信 引。其总线 规范现已被i s o 国际标准组织制定为国际标准。由于得到 m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p ，s i e m e n c e 等公司的支持，它广泛应用在离散控制领 域。c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型的基础上的，但 它只采用了i s o o s i 模型全部七层中的两层：物理层和数据链路层。物理层 又分为物理信令( p l s ，p h y s i c a ls i g n a l l i n g ) 、物理媒体附件( p m a ，p h y s i c a l m e d i u ma t t a c h i 】 e n t ) 与媒体接口( m d i 。m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 三 部分，完成电气连接、实现驱动器接收器特性、定时、同步、位编码解码。 数据链路层分为逻辑链路控制( l l c ) 与媒体访问控制( m a c ) 两部分，l l c 子层 的功能包括帧接收滤波、超载通知和恢复管理，其帧结构将在后文中给出； m a c 予层又可以划分为完全独立的两个部分，即发送部分和接收部分，发送 部分的功能包括发送数据封装和发送媒体访问管理，其中包括了c r c 循环计 算、m a c 帧串行化、错误检测等功能；接收部分的功能包括接收媒体访问管 理和接收数据卸装，具体来说包括解除串行结构并重新构筑帧结构、发送应 答、确认超载条件等功能。你也许会觉得这些功能的实现在应用中将是非常 麻烦的，其实这些你只需了解就可以了，因为这些都已封装在c a n 控制器 s j a l 0 0 0 中了，这也是c a n 易学易用的原因。c a n 总线的模型结构如图2 4 所示。 逻辑链路控制( l l c ) 数据链路层 媒体访问控制( m a c ) 物理信令( p l s ，p h y s i c a ls i g n a l l i n g ) 物理层 物理媒体附件( p m a ，p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 媒体接口( m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 图2 4 ：c a n 总线模型结构图 2 2 3o a n 总线的优越性 由于c a n 的高性能、高可靠性及独特的设计，c a n 总线越来越受到人们 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的重视。c a n 最初是由德国的b o s c h 公司为汽车监测、控制系统而设计的， 但现在，由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业， 而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗 器械及传感器等领域发展。c a n 已经形成国际标准，并已被公认为几种最有 前途的现场总线之一“”“1 。 c a l l 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计， 与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和 灵活性。其特点和优点可以概括如下 8 】： ( 1 ) c a n 为多主工作方式，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网 络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点 信息： ( 2 ) c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 高优先级的数据最多可在1 3 4 u s 内得到传输； ( 3 ) c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息 时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而高优先级的节点可不受影响地 继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间： ( 4 ) c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等 几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”； ( 5 ) c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k r a ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最 高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ； ( 6 ) c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；报文 标识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 的报文标识符几乎不受 限制； ( 7 ) 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果； ( 8 ) c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活； ( 9 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上 其他节点的操作不受影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 o 页 2 3 基于p 8 7 c 5 91 的实现方法 2 3 1 微控制器p 8 7 0 5 9 1 、性能特点 1p 8 7 c 5 9 1 概述 p 8 7 c 5 9 1 以先进的c m o s 工艺制造，是适用于自动和通用工业应用的8 位高性能的微控制器，它是从8 0 5 1 微控制器家族派生出来的，因此可以采 用强大的8 0 5 1 指令集。其改进的l ：1 内部时钟分频器在使用1 2 m h z 外部时 钟时，其指令周期为5 0 0 n s ，因此其速度比一般的5 l 单片机高。其他与5 1 单片机相关的主要特性【1 4 】包括：具有3 个1 6 位定时器；带6 路模拟输入的 1 0 位a d 转换，可选择快速8 位a d 转换；有2 个8 位分辨率的p w m 输出；扩 展的温度范围为- - 4 0 度到8 5 度；操作电压5 v 等。p 8 7 c 5 9 l 微控制器的引脚 分布如图2 4 所示。 口i p l0 m 篁d ca d 0 伊0 o 4 订 弭| p 1 1 瓜d ca d l 髑i 监卜 p 1 2 f a d c 0 i n t 城t 0 1a d 2 j p 02 | 4 i 捧| | p 1 3 擅d c l 腰t 3 虻t 1 1 a i ) 3 p ( ) 3 研 p p i4 ，a d c = m n t 粤犯他 d 伸o4 3 9 1 器l p 1 5 ， d c 3 n n t 5 虻t 3 1 d 5 p 05 3 8 9 p i6 , 6 , d g 4 撂c la d 6 旧0 6 i 2 1 0l ，、 p 1 讹d c 5 藤n a d ? p 0 ， l3 6 nl 掣 跗 n 嘶p i3 5 1 2 r x d 鹏0 f r 2p w m l 13 0 i 8 p w 啪 u 潍囊o g 她 t x d 舶3 1 村2p s e n i n t o j p 32 j c m s l l 0p 2 瓶1 5 i 占f bi n t l 伊3 3 心m s r l p 2 6 值1 4 l ， t o 伊34 c m s r 2p 25 1 a 1 3 2 9 翼 t l 加3 5 i | c m s r 3p 24 随1 2 2 8 w 舯36p 2 3 a l l 2 口l 2 0i 。 rd伊3，p20，a10俐 2 l x t a l 2尹2 1 ，a 9 2 2 x t l l、p 20 1 茧8 l 甜l l 矾5v d d p 8 9 c 辜9 l ( 4 辛) ii | | i 卜 | | i 图2 4 ：p 8 7 c 5 9 1 管脚分布图 2p 8 7 c 5 9 1 与c a n 相关的主要特性 本文选择p 8 7 c 5 9 1 的一个重要原因是因为它内嵌了p h i li p s 的c a n 控制 器s j a l 0 0 0 ，该嵌入式c a n 控制器模块包括了下列主要功能“4 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( 1 ) c a n 内核模块根据c a n 2 o b 规范控制c a n 帧的发送和接收； ( 2 ) c a n 接口包含5 个实现c p u 与c a n 控制器连接的特殊功能寄存器； 对重要c a n 寄存器的访问通过快速自动增加的寻址特性和对特殊功能寄存器 的位寻址来实现。这一特性为c a n 的软件实现提供了极大的方便； ( 3 ) c a n 控制器的发送缓冲区能够保存个完整的c a n 信息( 扩展或标准 帧格式) ，只要通过c p u 启动发送，信息字节就会从发送缓冲区传输到c a n 内核模块； ( 4 ) 当接收一个信息时，c a n 内核模块将串行位流转换成并行数据输入 验收滤波器，通过该可编程的验收滤波器，c p u 确定实际接收的信息，并将 接收到的信息放入接收f i f o 中； 以上这些特性为c a n 的实现提供了极大的方便。另外，如果系统需要更 高的实时性，可以选用内嵌有c a n 控制器的1 6 位单片机8 7 c 1 9 6 c a c b ，实现 方法与使用8 7 c 5 9 1 类似。 2 3 2 硬件接口电路设计 c a n 总线常采用如图2 5 所示的网络拓扑结构。其中各个节点的设计根 据所选用的器件不同也略有不同，目前广泛流行的c a n 器件有两大类：一类 是独立的c a n 控制器，如8 2 c 2 0 0 、s j a l 0 0 0 等，另一类是内嵌c a n 控制器的 微控制器，如本文的p 8 7 c 5 9 1 等。在内嵌c a n 控制器的微控制器流行之前， 最常用最经典的硬件设计方法是微控制器( 如8 0 5 1 ) 加c a n 控制器( 如 s j a l 0 0 0 ) 加c a n 收发器( 如8 2 c 2 5 0 ) ，而现在流行的微控制器p 8 7 c 5 9 1 内嵌了 c a n 控制器s j a l 0 0 0 ，因此在硬件电路设计时无需外接c a n 控制器，丽是将 p 8 7 c 5 9 1 通过c a n 收发器8 2 c 2 5 0 直接连到c a n 总线上。c a n 总线接口电路如 图2 6 所示。 图2 5 ：c a n 网络拓扑结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 孽翮需 目l l l 抖一 1 1 il “i 拜 1 i w 】：r 】= | ： l l i1 11 i l l l ( 】湖；忡：e 鞠羽噩二二鬻幸* 抖削剀l 崩j 黑粉 隰i 埔槲黼嘏黼i 箨沣h f f 群斛， 。+ h 搬 l | i hhf 黠| ；| r ii “1 需圭挂 h 十汁一 娄窜隧# 崩鞲荆 科f ；卜 抖盐始o l i f i | o + 一 由于内嵌的c a n 控制器s j a l 0 0 0 的信号输出口驱动能力较低，因此系统 中加入了c a n 总线接口驱动芯片p 8 2 c 2 5 0 ，该器件最初主要是为汽车中高速 通讯应用而设计的，它对总线提供差动发送能力，对c a n 控制器提供差动接 收能力。另外，为了迸一步提高系统的抗干扰能力，在p 8 7 c 5 9 1 和c a n 驱动 器p 8 2 c 2 5 0 之间还加入了由高速光耦6 n 1 3 7 构成的隔离电路。 p 8 7 c 5 9 1 与c a n 总线的硬件接口电路比较简单，在实际应用中必须注意 下面几点1 1 2 1 6 】： ( 1 ) c a n 总线网络两端的两个1 2 0 的电阻，对于匹配总线阻抗，起着相 当重要的作用，忽略掉它们会使数据通信的抗干扰性、可靠性大大降低，甚 至无法通信。 ( 2 ) c a n 驱动器8 2 c 2 5 0 第8 脚与地之间的电阻r s 称为斜率电阻，它的 取值决定了系统处于高速工作方式还是斜率控制方式，把该引脚直接与地相 连，系统将处于高速工作方式，在这种方式下，为了避免射频干扰，使用屏 蔽电缆作总线比较理想：而在波特率较低、总线较短时，一般采用斜率控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 方式，上升和下降的斜率取决于r s 的阻值，而为了降低射频干扰r f i 问题， 应限制上升斜率和下降斜率，斜率正比于管脚8 的电流输出，经验表明，斜 率电阻r s 较理想的取值范围在1 5 k 到2 0 0 k 之间。在斜率控制方式下，可以 使用平行线或双绞线作总线。在应用中，总线通信的波特率不是很高，因此 使用的是斜率控制方式。 2 3 3c a n 通信的软件实现 实现c a n 通信的各种协议都已经封装在c a n 控制器s j a l 0 0 0 的，因此应 用时不需编写相应的底层程序。c p u 对s j a l 0 0 0 的操作都是通过5 个特殊功 能寄存器来完成的，这5 个特殊功能寄存器分别是c a n a d r 、c a n d a t 、c a n c o n 、 c a n s t a 和c a n m o d ，其中c a n a d r 是地址寄存器，通过它可以访问c a n 控制器 内部寄存器的地址，c a n d a t 是数据寄存器，通过对它赋值可以将数据写入 c a n a d r 指定的地址中，c a n c o n 和c a n s t a 都有两种功能，c a n c o n 在写操作时 作为命令寄存器使用，而在读时则作为中断寄存器使用，c a n s t a 在写操作时 作为中断使能寄存器使用，而在读操作时则作为状态寄存器使用，c a n m o d 是模式寄存器，通过对其赋值来确定c a n 控制器是工作于复位模式还是操作 模式。c a n 通信软件主要包括初始化程序、发送程序、接收程序、滤波器运 行中改变程序，下面分别进行介绍。 1c a n 初始化程序 c a n 控制器在上电或硬件复位后是处于复位模式的，要实现c a n 通信必 须先对控制器进行初始化处理，初始化处理主要包括操作模式选择、验收滤 波器配置、总线定时和t x d c 输出等工作。通过对特殊功能寄存器进行相关 配置，可以很方便的实现初始化工作。下面是c a n 初始化程序： v o i di n i t c a n c o n t r o l l e r ( v o i d ) 进入c a n 控制器复位模式 c a n m o d = o x 0 1 ： p i m 2 = p i m 2o x 0 2 c a n a d r = b t r 0 ： 将c a n 控制器设置为复位模式以启动初始化 t x d cp o r t ( p i 1 ) 配置 管脚t x d c 设置为推挽模式 b t r o 和b t r l 编程为1 2 5 k b i t s 1 2 m h z 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 c a n d a 1 = o x 4 0 ： c a n a d r = b t r l ： c a n d a t = o x 2 b ： 下面是对验收滤波器进行配置 c a n a d r = a c r l 0 ： 将地址设置到验收代码寄存器0 ( b a n k l ) c a n d a t = o x 4 0 ：验收代码0 用于滤波 c a n d a t = o x e o ： 。， c a n a d r = a m r i o ：将地址设置到验收屏蔽寄存器0 ( b a n k l ) c a n d a t = o x 0 0ib a n k l ：验收屏蔽0 c a n d a t = o x o f ：b a n k l ：验收屏蔽1 无关 c a n d a t = o x f f ： b a n k l ：验收屏蔽2 无关 c a n d a t = o x f f ：b a n k l ：验收屏蔽3 无关 c a n a d r = a c f m o d ：将地址设置到a c f 模式寄存器 c a n d a t = o x 5 5 ：单验收滤波嚣使用“位1 1 3 ( s f f ) c a n a d r - a c f p r i o ：将地址设置到a c f 优先级寄存器 c a n d a t = o x f f ： 所有滤波器都为高优先级 c a n a d r = a c f e n ：将地址设置到a c f 使能寄存器 c a n d a t = o x o i ：使能b a n k l 的验收滤波器 选择操作模式，退出c a n 控制器复位模式 使c a n 控制器进入操作模式 该程序将验收代码寄存器0 和验收代码寄存器1 的值分别设定为o x 4 0 和o x e o ，因此只有识别码为o x 4 0 e o 的数据才能通过验收并被保存到接收 f i f o 中。程序中通过特殊功能寄存器c a n a d r 指定一个地址后就可以通过 c a n d a t 进行连续的赋值，这就是寄存器寻址的自动增加模式，该模式能大大 的提高c p u 对各个寄存器的读写速度。 2c a n 发送程序 发送数据时c p u 首先要将待发送的数据以一定的格式送给c a n 控制器， 送到c a n 控制器的数据在被成功发送以前被保存在发送缓冲区，发送缓冲区 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 的整体布局如图2 7 所示，它可分为描述符区和数据区，描述符区的第一 个字节是帧信息字节，用来说明帧格式( 标准帧格式s f f 或扩展帧格式e f f ) 、 远程或数据帧和数据长度。s f f 有两个字节的识别码，e f f 有四个字节的识 别码。数据区最多容纳8 个数据字节。发送缓冲区共有13 个字节，在c a n 地址的1 1 2 1 2 4 。 c a n 地址 标准帧格式( s f f )扩展帧格式( e f f ) 1 1 2t x 帧信息 1 1 3t x 识别码l 1 1 4t x 识别码2 1 1 5t x 数据字节l 1 1 6t x 数据字节2 1 1 7t x 数据字节3 1 1 8t x 数据字节4 1 1 9t x 数据字节5 1 2 0t x 数据字节6 1 2 lt x 数据字节7 1 2 2t x 数据字节8 1 2 3 保留不用 1 2 4保留不用 c a n 地址1 1 2t x 帧信息 1 1 3t x 识别码1 1 1 4t x 识别码2 1 1 5t x 识别码3 1 1 6t x 识别码4 1 1 7t x 数据字节1 1 1 8t x 数据字节2 儿9t x 数据字节3 1 2 0t x 数据字节4 1 2 lt x 数据字节5 1 2 2t x 数据字节6 1 2 3t x 数据字节7 1 2 4t x 数据字节8 图2 7 ：标准帧和扩展帧配置的发送缓冲器配置 本文使用的是标准帧格式，因此帧信息位应写入0 8 h ，它表示将通过c a n 控制器发送标准的数据帧，数据字节的长度为8 个字节。识别码相当于数据 帧的身份证号，每个数据采集板及上位机的识别码l 和识别码2 所设置的数 值都不相同。8 个数据字节用来存放发送的数据。如果待发送的数据长度大 于8 个字节则要分几次来发送，数据长度小于8 则只用前几个数据字节。 c p u 将待发送的信息写入发送缓冲区后置位命令寄存器中的“发送请求” 标志，然后c a n 控制器将根据c a n 协议规范自动完成数据发送。发送处理可 以通过中断请求或查询状态标志进行控制。图2 8 给出了使用查询状态标 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 志进行处理的程序流程图。 图2 8 ：c a n 信息发送程序流程图 从流程图可以看出，待发送信息写入发送缓冲区之前必须先检查发送缓 冲区是否释放，如果“发送缓冲区状态”标志( t b s ) 位的值为1 表示发送缓 冲区已经释放，可以写入信息。信息写入发送缓冲区后，通过命令寄存器 c a n c o n 将发送请求位t r 置位进行数据发送。发送是否完成则是通过状态寄 存器的发送完毕状态标识位( t c s ) 来判断的，如果t c s 的值为1 则表示已经 发送完一帧数据了。 在信息发送过程中有可能会遇到更为重要的信息需要发送，也就是优先 级更高的数据需要立即发送，也可能由于总线接口出现故障数据不能立刻发 送完成，作者在应用中就发现过这样的情况，这时该信息就会占用总线使其 他的信息也不能立刻得到发送。出现这两种情况时必须通过置位命令寄存器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 中“放弃发送位( a t ) ”来放弃当前的发送。 3c a n 接收程序 数据的接收通过接收缓冲器完成，接收缓冲器的格式和发送缓冲器类 似，这里不再详细的介绍。接收处理也分为查询控制的接收和中断控制的接 收两种方式，查询控制的接收就是c p u 以一定的周期读取c a n 控制器的状态 寄存器，以检查是否接收缓冲区状态标志( r b s ) 指示至少接收到一个信息， 如接收到信息则将信息读出。中断控制处理是接收缓冲区接收到信息后产生 中断通知c p u 处理接收到的信息。中断控制接收的程序流程如图2 9 所示。 广i 开始 定义接收中断级和验收滤波器优先级 使能c a n 接收中断 是否产生c a n 接收 由豁 y 从接收缓冲区读取接收到的信息并保存 释放接收缓冲区 处理接收到的信息( 可不要) 执行其他任务 图2 9 ：中断控制的信息接收程序流程图 从流程图可以看出，使用中断控制接收信息之前，必须先使能c a n 控制 器的接收中断和p 8 7 c 5 9 1 的全局中断。另外，从接收缓冲区读出接收到的信 息后一定要释放接收缓冲区，否则可能会产生数据溢出甚至不能接收新的数 据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 4 运行中改变验收滤波器 发送信息的识别码必须与其接收端验收代码的数值一致，否则发送的信 息将不能通过验收滤波器。实际应用中接收端往往要接收不同的信息，这些 信息的识别码是不能相同的，这就要求验收滤波器在接收不同数据时使用不 同的验收代码。验收滤波器的改变有两种方法，一种是通过复位模式改变， 使用这种方式有两个严重的缺点： ( 1 ) c a n 通信被中断而且在这段时间内会丢失一些数据； ( 2 ) 改变的处理需要花费更多的时间。 另一种方法是在运行中改变滤波器配置，这种方法是利用每个验收滤波 器都可以通过其使能寄存器禁止或使能的特性实现的，如果对应的滤波器被 禁止，就可以在正常操作中改变验收滤波器配置，这样就可以不中断c a n 通 信就能方便的改变滤波器的特性。作者使用第二种方法在运行过程中改变上 位机的验收滤波器，这样各个采集模块发送来的数据就都可以被上位机所接 收了。运行中改变滤波器配置的程序如下： v o i dc h a n g e o n f l y ( u c h a rb s m ) 运行中改变滤波器的设置 c a n a d r = 0 x 1 e ：将地址设置到a c f 使能寄存器 c a n d a t = c a n d a t & o x f e ：禁止b a n k l 的验收滤波器1 c a n a d r ：a c r io ： 将地址设置到验收代码寄存器0 c a n d a