基于CAN总线的指挥车辆控制系统设计_卫颖.pdf

新技术新工艺 年第期 新技术新工艺 设计与计算基于 总线的指挥车辆控制系统设计卫颖，施新（中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏 南京 ）摘要：指挥车辆上装设备增多，控制越来越复杂，为了对指挥车辆上装设备进行集中统一的管理和控制，设计了一种基于 总线的综合控制系统。对控制系统进行软硬件设计，软件采用 架构，硬件中控制主机采用瑞芯微 芯片，具有 通信接口，通过 收发模块将指挥车辆中的设备采用分布式结构挂接在 总线上，根据车辆上装设备通信要求，进行总线通信速率设计、通信协议设计，从而对设备的重要参数进行实时采集、处理、传输和存储，通过设计的控制系统最终能够实现智能化控制，并且能将处理后的数据发送给上位机。实际应用表明，基于 总线的指挥车辆控制系统具有较强的灵活性和易操作性。关键词：总线；芯片；控制系统；指挥车辆中图分类号：文献标志码：，（，）：，：，指挥车辆控制系统是指对车辆本身及上装设备进行集中管理的综合控制系统。近年来，上装设备的种类和数量越来越多，控制方式和指令各不相同，集中管控不仅造成控制线路复杂，线束增多，而且开发难度增大。本文研究一种基于 总线的分布式控制方式，能够优化电路设计，有效减少线缆用量，节省车内空间，提高系统控制能力和控制系统的可靠性。控制器局域网络（）是为解决现代汽车中众多电子设备之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。总线是一种多主方式串行通信协议，具有较高的通信速率，使用差分电压进行传送，具有较强的抗电磁干扰能力，广泛应用于各种控制系统中。总线使用报文在各个节点（模块）之间进行数据传输，各个节点并没有传统的总线通信中采用的地址，而是通过报文中的 来进行总线仲裁和数据的接收，使得控制系统数据传输的可靠性和模块的可扩展性很好。指挥车辆控制系统 组成指挥车辆控制系统组成包括车辆控制中心、监控终端和若干被控子系统或设备。通过控制中心完成对车载平台、车内设备、辅助设备等的状态监视和管控，上传监控信息，同时接受上级下发的控制指令；对下实施控制并接收状态反馈，系统结构框图如图所示。图中，虚框内为基于 总线的指挥车辆的控制系统，由监控终端、控制中心、总线和被控节点组成；其中，控制中心为中心节点，由微处理器和 收发模块构成；控制线路为 总线，被控节点挂接于 总线之上，由导线、控制器、收发器和终端电阻个部分构成。DOI:10.16635/ki.1003-5311.2023.02.003设计计算 新技术新工艺 设计与计算 图车辆控制系统结构框图 总线拓扑直线型拓扑结构是 总线布线规范中最为常用的布线形式（见图），即主干的条线上分出支线到各个节点。主干的两端配置合适的终端电阻实现阻抗匹配（内通常为 ），支线长度建议不大于 ，最长不超过 。上述综合布线可以衍生出典型的布线方法有种：手拉手和型分支。在指挥车辆中被控设备众多，接口形式各不相同，为了便于维护和接线，一般采用型分支结构（见图），即在总线上设置多个 三通，设备接在各个三通节点之上。图直线型拓扑图型分支拓扑 总线传输媒介为了减小总线上信号传输的衰减，抵抗信号干扰，采用特征阻抗约为 的传输线，传输线采用双绞线；另外，需要电缆的电阻应尽量小，以避免线路压降过大，影响位于总线末端的接收器件，因此推荐使用线芯不低于 的双绞线，常用 和 双绞线。根据实际测试结果，使用 双绞线进行传输，终端接 匹配电阻情况下，总线实用通信距离见表。表 总线通信距离通信距离最高波特率 新技术新工艺 年第期 新技术新工艺 设计与计算软件设计基于 总线的控制系统所设计的控制软件为架构，所用 服务器采用 ，研制专用网页程序实现前台人机交互界面，前台网页通过 方式与集控主机程序进行数据通信，上级通过 方式与集控主机程序进行数据通信，实现对系统的配置管理和设备监控。控制软件设计架构如图所示。图控制软件架构控制软件主要采用控制软件数据库实现基础信息访问、查询、处理和存储相关的数据，并通过软件界面编程，实现设备通过 总线能够进行可视化的监视和控制。硬件设计 控制系统电路控制系统由核心处理器、电源模块、存储芯片和接口 芯 片 组 成，其 中，接 口 芯 片 就 包 括 串 口、网络和 口芯片。电路结构图如图所示。核心处理器集中控制设备控制主板采用国产芯片品牌“瑞芯微”，具体 型号为 ，该芯片内置个频率 的 内核，内核架构成熟；控制主板运行内存，控制主板上配置 的 存储空间；配置 路 总线接口、路 接口和个网络接口，能够满足设备硬件性能需求。将主控芯片加设 收发器就可以进行对外的数据收发，收发器通过引脚直接连接到总线上。收发模块 收发器通过 和 引脚与 总线连接，它可以对总线上的节点设备传送来的数据进行滤波验证，从而决定是否对其接收，同时它也可以控制报文向总线的发送。此外，由于 控制器可能会受到总线上信号的干扰，所以要对 收发模块进行抗干扰的处理。设计计算 新技术新工艺 设计与计算 图控制系统主板电路结构图采用 芯片来设计 收发模块，这是一款带光电隔离作用的 收发芯片，采用供电，有很强的抗电磁干扰（，）能力的差动接收器。总线节点上的 收发模块电路图如图所示。图 收发模块电路图 总线设计 通信流程本文设计一种通信流程，数据发送流程（见图）中，发送程序就根据该帧的类型置位该数据帧已发送标志，启动应用程序等待该数据帧的应答帧。即把数据的发送和确认并发处理，使得通过更加高效和安全。数据接收过程（见图）相对比较简单，可以让接收驱动将接收到的数据存入数据缓冲区，应用程序从数据缓冲区中捕获数据帧，并进行相应的处理。传输速率同一条通信总线上的 节点设备波特率必须相同，通常推荐使用 波特率；但是对于总线数据量较大、通信距离较短的场合可以采用 波特率。各个节点对外通信的 不图数据发送流程图数据接收流程新技术新工艺 年第期 新技术新工艺 设计与计算可 以 相 同，推 荐 采 用 扩 展 帧 ，例 如 ，数值越小通信优先级越高。假设使用 波特率，一帧设置为 个字节，则传输一帧需要的时间约为：（）考虑到总线上挂接设备众多，推荐各个 节点设备定时上报自身相关状态信息（不推荐“查询回复”模式），对于状态信息报送频率没有特殊要求的场合建议 上报一次，对于信息内容较多的节点建议增大节点报送状态信息的时间间隔。通信协议本系统设计的传输数据包采用基于字符的帧格式，利用特定的字符来判断帧传输的起始和结束。帧起始符和停止符之间的字节则为数据。报文的帧结构见表。）上位机（集控设备运维设备）发送给受控设备的控制指令参考格式见表。）受控设备返回给上位机（集控设备运维设备）的状态数据参考格式（周期次）见表。表 报文的帧结构帧起始仲裁段控制端数据域帧校验 命令号 帧 数据体 循环校验码表控制指令参考格式字节序号字节定义示例帧头数据包编号 参数控制参数符号（负东经北纬；正西经南纬；参数无效）整数部分字节数整数部分数据小数部分数据预留预留帧尾 表状态数据参考格式字节序号字节定义示例帧头 数据包 动作状态架设中；撤收中；架设到位；撤收到位；中间停止态参数状态信息参数符号（负东经北纬；正西经南纬；参数无效）整数部分字节数整数部分数据小数部分数据帧尾应用验证 总线应用指挥车辆使用本文所述控制系统进行设计，被控设备采用统一的波特率和通信协议，在实际布线中，使用若干 三通接头，将所有需要控制的设备连接至根 总线上，只需要在总线两端加 电阻来防止信号反射即可（见图）。该系统中被控设备包括车辆底盘、机电设备、电源设备、环境设备和系统设备等。图指挥车辆 总线设计计算 新技术新工艺 设计与计算 系统应用 总线控制与传统中心控制方式的对比见表。表中心控制与 总线控制方式对比表控制方式布线总长度灵活性可靠性传统中心控制方式 增加设备受主机端口限制有被控设备故障，可能影响其他设备通信 总线控制约 可在任意节点增加被控设备，不受主机端口限制有被控设备故障，不影响其他设备通信综上所述，本文所述 总线控制方式，线缆布设数量可减少约一半，布设复杂度大大降低。被控设备数量不受控制主机端口限制，设备要加入总线，可以在任意节点进行增加，如有设备需要退出总线或者发生故障，则直接拆除不影响其他设备通信，因此系统具有较好的灵活性和可靠性。系统测试按照上文所述软硬件设计方法进行系统设计，进行控制中心硬件电路设计、结构设计，硬件设备布局图如图 所示。编制系统控制软件，并通过界面进行呈现，图 所示为机电设备控制界面图。图 硬件布局图图 机电设备控制界面图通过界面上的按钮可以实时发送控制设备动作的指令给控制中心，下达给相应设备执行动作，设备执行后会返回相应状态或故障信息给控制中心，在界面上进行显示。新技术新工艺 年第期 新技术新工艺 设计与计算在软件中设置设备配置算法函数，并设置相关的配置界面，点击左侧导航栏中的“设备信息管理”页，切换到设备信息管理界面（见图）。图 设备信息管理界面点击“新增”按钮，弹出“新增设备信息”对话框（见图）。填写“设备编号”“设备类型”“设备名称”“是否监听”“接口类型”等信息，点击“确定”按钮，成功新增设备信息。图 新增设备信息对话框操作员通过可视化界面实现一键操作，集中管控，在软件界面上通过新增、删除、修改功能对被控设备进行增改、删除等操作，可扩展性强，操作方便，大大减少了操作员的控制复杂度。结语本文所用控制系统包含可视化控制软件、控制主机和 总线，实现了对指挥车辆被控设备的控制，设置合适的通信协议可以对设备的重要参数进行实时的采集、处理、传输和存储，从而实现智能化控制，并且在任意 节点出现故障时，具有自动关闭的功能，不会影响到总线上其他节点的通信，保证系统正常工作。实例应用表明，基于 总线的指挥车辆控制系统布线简单，使用统一的控制协议，软件开发量减小，整个系统使用灵活，软硬件扩展性强，适合复杂的车载控制系统，也可拓展至其他系统，使用前景广泛。参考文献凌海军，余晶晶，杜青玲机动指挥通信车设备集中控制系统设计指挥信息系统与技术，（）：张家洪基于 总线的船舶电站监控系统及数据融合路径智能城市，（）：过怡，孟令康，钟宇辉，等基于 总线的智能车控制系统的设计电脑与信息技术，（）：秦学珍，高童迪基于 的 总线生产车间环境检测系统的构建和实现电子世界，（）：杨佳，赵汉武，代永朝基于微控制器的车辆底盘集中润滑系统新技术新工艺，（）：戴明基于 总线的温度监控系统南京：南京理工大学，谢勤 基于 总线的智能微仓数据控制采集系统 西安：西安工业大学，凌海军，张健 多端口通信协议交换技术的设计与实现指挥信息系统与技术，（）：作者简介：卫颖（），女，硕士，主要从事机动式指挥系统集成及机电一体化设计等方面的研究。收稿日期：责任编辑郑练