CAN總線在機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

以Philips公司的SJA1000為例，介紹了CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)，控制器的功能、結(jié)構(gòu)和CAN2．0B總線協(xié)議的基本內(nèi)容，闡述了一個(gè)基于CAN總線的火車機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)，及其系統(tǒng)性能要求、系統(tǒng)硬件構(gòu)建、軟件設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用結(jié)果，由此說明CAN總線的優(yōu)點(diǎn)及其用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的一個(gè)通用設(shè)計(jì)過程。
??? 關(guān)鍵詞：CAN，現(xiàn)場(chǎng)總線，SJA1000初始化，機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)，信號(hào)檢測(cè)，局域網(wǎng)

1　引　言
　　對(duì)火車機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)測(cè)量／傳輸?shù)目焖傩浴?zhǔn)確性、可靠性、通訊的靈活性都是至關(guān)重要的。以前的機(jī)車數(shù)據(jù)監(jiān)控僅僅提供現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的顯示和報(bào)警，在各設(shè)備上加智能儀表，比較分散，不便于觀察機(jī)車運(yùn)行情況和進(jìn)行及時(shí)檢修，機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)也無法保存，而這些數(shù)據(jù)是查清機(jī)車故障原因和檢修的重要依據(jù)；智能儀表的各種操作，如調(diào)零、限值、精度都因環(huán)境和人為因素，影響了簡(jiǎn)單儀表的顯示、報(bào)警功能，加之工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣（高溫、震動(dòng)、電磁波輻射等），導(dǎo)致其實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性都較差。隨著國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，有必要及時(shí)更新原來的檢測(cè)系統(tǒng)。
　　機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)本身有幾十個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)（采用單片微機(jī)AT89C51），一個(gè)上位工控機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和記錄，由于采集點(diǎn)多、采集頻率較高（20Hz），因此，總線上的數(shù)據(jù)通常比較擁擠，而系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、報(bào)警數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求特別高，鑒于此，我們選擇CAN現(xiàn)場(chǎng)總線搭建數(shù)據(jù)平臺(tái)，它兼具了靈活性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、可靠性各方面的優(yōu)勢(shì)。
　　CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Net）的簡(jiǎn)稱，是80年代德國(guó)奔馳汽車公司制定的一種串行通訊協(xié)議，主要用于汽車多個(gè)控制設(shè)備和多個(gè)儀器儀表之間的數(shù)據(jù)通訊，鏈路層采用CAN2．0B協(xié)議?，F(xiàn)在，它已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，特別適用于做優(yōu)化、分析及維護(hù)的系統(tǒng)。90年代，國(guó)內(nèi)開始對(duì)CAN總線應(yīng)用進(jìn)行研究，目前已在諸多領(lǐng)域中應(yīng)用CAN總線技術(shù)。
　　本系統(tǒng)就是一個(gè)依照CAN2．0B構(gòu)建的局域網(wǎng)，總線控制器采用德國(guó)Philips公司的SJA1000，驅(qū)動(dòng)器為與其匹配的PCA82C250，下位機(jī)和上位機(jī)通過CANH、CANL雙絞線進(jìn)行雙向通信。此系統(tǒng)的整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)又可以作為CAN網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成樹狀網(wǎng)絡(luò)，它是CAN總線系統(tǒng)的最小構(gòu)成和典型應(yīng)用。
2　CAN總線特點(diǎn)簡(jiǎn)介
　　CAN總線的最大特征就是，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)以多主方式工作，各節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻都可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，靈活性好。
　　CAN總線上同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)采用非破壞性仲裁，ID小的優(yōu)先傳送，低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)延遲發(fā)送，這對(duì)負(fù)載較重的網(wǎng)絡(luò)解決網(wǎng)絡(luò)癱瘓、網(wǎng)絡(luò)阻塞及提高效率很有效。
　　CAN還有較強(qiáng)的校驗(yàn)功能，出錯(cuò)的數(shù)據(jù)自動(dòng)重新發(fā)送，可靠性很高。
　　另外，CAN通訊介質(zhì)選擇雙絞線，機(jī)車現(xiàn)場(chǎng)空間狹窄，雙絞線的現(xiàn)場(chǎng)布線、安裝、拆卸都比較簡(jiǎn)單。最大通信距離長(zhǎng)達(dá)10km，比特率可達(dá)1Mbps（通信距離較大時(shí)，比特率會(huì)有所降低），可同時(shí)傳送16個(gè)報(bào)文。Philips公司的SJA1000的工作溫度范圍：－40℃～＋125℃，存儲(chǔ)溫度范圍：－65℃～＋150℃。
　　對(duì)于系統(tǒng)選用的SJA1000CAN控制器，其功能模塊主要有：接口管理邏輯（Interface ManagementLogic）、接收FIFO棧（Receive FIFO）、接收過濾器（Acceptance Filter）、發(fā)送緩沖器（Transmit Buffer）和CAN核心模塊（CAN Core Block），結(jié)構(gòu)如圖1所示（見Philips Semiconductors公司的資料：ApplicationNote——SJA1000 Stand－alone CAN ControllerAN97076，1997）。

　　接口管理邏輯主要處理和微控制器的信號(hào)交換，通過CS、ALE／AS、RD、WR、INT等控制信號(hào)與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。而CAN核心模塊就是CAN2．0B的執(zhí)行部分。
　　接收過濾器接收經(jīng)CAN核心模塊轉(zhuǎn)換過的數(shù)據(jù)，通過寄存器接收碼寄存器（Acceptance CodeRegister，ACR）、接收屏蔽寄存器（Acceptance MaskRegister，AMR）做過濾處理，符合ID要求的數(shù)據(jù)才予以接收。ACR提供本機(jī)ID，AMR提供ID過濾時(shí)的有效位信息。接收FIFO棧用來暫存通過過濾器過濾而接收的數(shù)據(jù)。
　　發(fā)送緩沖器（TB）存儲(chǔ)欲發(fā)送的數(shù)據(jù)，CAN核心模塊從發(fā)送緩沖器讀數(shù)，依照CAN2．0B協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。
3　系統(tǒng)功能及硬件實(shí)現(xiàn)
　　此系統(tǒng)除了常規(guī)系統(tǒng)提供的功能之外，還具有模塊優(yōu)先級(jí)可調(diào)（ID可調(diào)）、報(bào)警限值可調(diào)、報(bào)警歷史數(shù)據(jù)的保存等功能。
　　工作現(xiàn)場(chǎng)由多個(gè)模擬儀表和一些開關(guān)信號(hào)組成，每一個(gè)儀表配一塊數(shù)據(jù)采集板，開關(guān)量的采集由一個(gè)和模擬量采集板相似的單獨(dú)模塊完成。下位機(jī)采用ATMEL公司的AT89C51微型單片機(jī)，主要做通信數(shù)據(jù)的采集、簡(jiǎn)單判斷和數(shù)據(jù)發(fā)送的準(zhǔn)備工作；通信部分由總線控制器SJA1000及其配套的驅(qū)動(dòng)器PCA82C250構(gòu)成，它們可以完成數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的所有工作；另有上位工控機(jī)，帶有5M字節(jié)的閃存E2PROM，能提供10萬次擦除和10年的數(shù)據(jù)保存期，用以存儲(chǔ)各個(gè)采集模塊報(bào)警前、后1min的數(shù)據(jù)，機(jī)車每個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束后，就將E2PROM中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，以備日后的性能分析；監(jiān)控報(bào)警模塊，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及報(bào)警，為了防止上位機(jī)出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象，各模塊的報(bào)警任務(wù)分散給下位機(jī)完成，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)只需將報(bào)警標(biāo)志位置復(fù)位即可；總線終端接100Ω～120Ω電阻以抑制信號(hào)反射，保證通信可靠性。雙絞線連接各個(gè)模塊節(jié)點(diǎn)，形成多主控制的局域網(wǎng)。另外，為了防止系統(tǒng)運(yùn)行意外，還加了X25045（美國(guó)Xicor公司的外圍器件，集成了Watchdog、復(fù)位控制器、帶Block鎖的CMOS串行E2PROM陣列三種功能）作看門狗，4KB的SPI（Serial Peripheral Interface）E2PROM可以存儲(chǔ)此節(jié)點(diǎn)的報(bào)警限值等一些重要數(shù)據(jù)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。 4　上位／下位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊
　　SJA1000支持CAN2．0B規(guī)范協(xié)議，且有2種工作方式：BasicCAN和PeliCAN，本系統(tǒng)采用BasicCAN。
　　各AT89C51單片機(jī)每隔0．05s主動(dòng)給上位機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，下位機(jī)的CPU相對(duì)上位機(jī)來說不太忙，因此，為了防止外部干擾信號(hào)引起錯(cuò)誤報(bào)警，下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波：0．05s分為5次采集，取其平均值發(fā)送，這樣就可以避免對(duì)瞬間高頻干擾信號(hào)的誤報(bào)警。
　　而上位工控機(jī)發(fā)給下位機(jī)的數(shù)據(jù)一般都是針對(duì)某個(gè)下位機(jī)的命令，下位單片機(jī)接收數(shù)據(jù)是用外部中斷INT0完成的。上位機(jī)時(shí)刻監(jiān)聽所有下位單片機(jī)，下位機(jī)也時(shí)時(shí)監(jiān)聽上位機(jī)，接收發(fā)給自己的命令。
　　SJA1000以BasicCAN工作模式接收數(shù)據(jù)時(shí)，先裝入到過濾器中，順序如下：

　　其中，ID的高八位接收AMR碼屏蔽之后，與ACR八位接收碼進(jìn)行比較，符合則傳入接收FIFO，否則不予接收。因CAN2．0B協(xié)議中ID越小的優(yōu)先級(jí)越高，所以，可以將ID最高位ID10設(shè)為報(bào)警數(shù)據(jù)的標(biāo)志（數(shù)據(jù)超限時(shí)此位為零），以保證有報(bào)警的模塊數(shù)據(jù)優(yōu)先傳送。而對(duì)于上位機(jī)，要接收所有下位單片微機(jī)的數(shù)　　據(jù)，ID高八位應(yīng)全部屏蔽，而低三位ID2～I(xiàn)D0用來作為上位工控機(jī)向下位單片機(jī)發(fā)送命令（如修改報(bào)警限值等）的標(biāo)志位，因此，在系統(tǒng)工作期間各個(gè)模塊的限值可以由上位機(jī)發(fā)送命令加以調(diào)節(jié)。
　　下位機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先從寄存器讀入限值，判斷是否超限，如超限，ID10置0，否則置1。然后在ID9～I(xiàn)D3填入本模塊的ID號(hào)，將發(fā)送命令位置位，之后單片機(jī)就不參與此次數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)程了，其他工作就由SJA1000和PCA82C250完成。由于ID也可以決定數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，單片機(jī)復(fù)位時(shí)總是先從P2口上讀入外部8位撥動(dòng)開關(guān)作為ID，這樣，各個(gè)模塊的優(yōu)先級(jí)就可以人為改變，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。
　　AT89C51在主程序中向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，在0＃外部中斷程序中接收上位機(jī)的命令，利用ID低三位判斷約定命令的意義，在此不再細(xì)述，只給出主程序和SJA1000的初始化程序流程，其中，在各個(gè)主程序開始，為了防止網(wǎng)絡(luò)由于所有下位機(jī)復(fù)位的時(shí)間、采集周期、軟件均一致而導(dǎo)致BUS上負(fù)荷不均勻，上位機(jī)工作量時(shí)而很大的問題，各個(gè)下位機(jī)每次復(fù)位時(shí)主程序特意安排不同時(shí)間長(zhǎng)短的延時(shí)，這樣，各模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻就能均勻分布。

　　上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，先查看報(bào)警標(biāo)志位，判斷是否報(bào)警，若是，將寄存器中前1分鐘的數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間向E2PROM中寫入，并且繼續(xù)寫入接收到的報(bào)警實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，直到報(bào)警停止以后一分鐘。否則，將數(shù)據(jù)加上當(dāng)前時(shí)間以隊(duì)列方式存入寄存器，寄存器滿，將最舊的數(shù)據(jù)刷掉。
　　監(jiān)控報(bào)警模塊和上位工控機(jī)一樣接收數(shù)據(jù)，只是每個(gè)儀表模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)報(bào)警裝置，n個(gè)報(bào)警裝置實(shí)時(shí)顯示各個(gè)儀表的超限狀態(tài)，另有液晶屏一塊，顯示有報(bào)警模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，無報(bào)警時(shí)顯示ID最小的模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
　　以上介紹的就是一個(gè)單獨(dú)的下位采集模塊和上位機(jī)通訊的基本過程和原理，整個(gè)系統(tǒng)由若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的、相似的下位模塊和一個(gè)上位機(jī)組成，下位機(jī)之間暫時(shí)無通信。
5　結(jié)束語
　　此系統(tǒng)是為西安某公司改進(jìn)機(jī)車控制臺(tái)開發(fā)的，經(jīng)過試驗(yàn)、軟件調(diào)試直到試車運(yùn)行（采集模塊20個(gè)）表明，性能穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)的波動(dòng)幅度小于0．05％，試車時(shí)數(shù)據(jù)傳輸率設(shè)為125kbps，無數(shù)據(jù)丟失，上位機(jī)和下位機(jī)間無數(shù)據(jù)傳送出錯(cuò)現(xiàn)象，最高比特率可達(dá)1Mb／s，抗干擾能力、抗高溫能力（－40℃～＋120℃）、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性都令人滿意，充分體現(xiàn)了CAN總線的優(yōu)越性。遺憾的是，機(jī)車儀表報(bào)警以后，目前還只能以人工方式解決問題。
　　下一步還會(huì)考慮更高一層的上位機(jī)與次系統(tǒng)的通信（仍會(huì)采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線），若能實(shí)現(xiàn)，車站及相關(guān)部門與各列車的聯(lián)絡(luò)、運(yùn)行情況的及時(shí)匯報(bào)和監(jiān)控等問題都將迎刃而解。

1　何立民．單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999
2　鄔寬明．單片機(jī)外圍器件實(shí)用手冊(cè)——數(shù)據(jù)傳輸接口器件分冊(cè)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998
3　鄔寬明．CAN總線原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996