基于CAN總線的柴油機通信模塊設(shè)計與實現(xiàn)

代宏澤

摘? ?要：開發(fā)了一種基于CAN總線的內(nèi)燃機車柴油機控制模塊，重點介紹了硬件的模塊化設(shè)計、功能的實現(xiàn)方式及CAN總線在模塊中的應(yīng)用。該模塊實現(xiàn)了機車微機與柴油機控制器相互間的數(shù)據(jù)交換，能夠完成包括4～20mA電流、PWM脈沖頻率、PWM占空比等多種方式的柴油機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、數(shù)字信號采集、觸點輸出等多種功能，已驗證應(yīng)用，具有良好的可靠性。

關(guān)鍵詞：CAN總線? 硬件設(shè)計? 機車控制? 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)? 柴油機

中圖分類號：TN919? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0092-03

柴油機是內(nèi)燃機車的核心部件，目前，大部分柴油機控制器ECU都是通過CAN總線與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換。內(nèi)燃微機控制系統(tǒng)LCS是整車控制系統(tǒng)，它的主CPU通過背板并行總線與各種IO模塊進行數(shù)據(jù)交換，并通過Lonworks或者MVB總線與機車上的顯示器通信，所以，柴油機ECU和機車控制系統(tǒng)、顯示器之間沒有直接的數(shù)據(jù)交換方式。因此，如何實現(xiàn)機車控制系統(tǒng)LCS對柴油機的控制？如何將柴油機的各種參數(shù)人機交互至顯示器上？本文開發(fā)的柴油機通信模塊就能夠解決上述問題。

1? 系統(tǒng)概述

柴油機通信模塊是基于機車控制系統(tǒng)LCS開發(fā)的，它放置于控制機箱中，與主控CPU通過系統(tǒng)背板并行總線進行數(shù)據(jù)交換，在模塊中開發(fā)CAN通信接口，與ECU之間通過CAN接口通信。它的作用就是在柴油機控制器ECU與機車控制系統(tǒng)LCS之間架起一座橋梁，實現(xiàn)ECU與LCS、顯示器之間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 功能描述

2.1 模塊功能需求

根據(jù)柴油機ECU的對外接口和LCS微機對外接口要求，對該模塊做了如下功能要求。

（1）并行總線接口。

與微機主控板之間通過并行總線通信進行數(shù)據(jù)傳輸，并行總線包括數(shù)據(jù)總線DB[7：0]、地址總線AB[15：0]、控制總線如RD、WR、CS等信號。

（2）CAN總線接口。

具有2路CAN總線接口，與柴油機控制器ECU之間通過CAN總線實時通信交互控制，進行運行參數(shù)及故障信息的傳遞。

（3）IO處理。

對柴油機上的24V數(shù)字開關(guān)量進行采集并能夠觸點輸出。檢測24V司機手柄輸入信號，并通過驅(qū)動常閉數(shù)字觸點斷開實現(xiàn)保護。

（4）柴油機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

接收來自司控器的檔位編碼信號，將檔位編碼信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的柴油機轉(zhuǎn)速給定信號，通過4～20mA電流信號控制柴油機轉(zhuǎn)速，最終由柴油機控制器實現(xiàn)柴油機的調(diào)速。

（5）PWM信號驅(qū)動。

由微機CPU產(chǎn)生PWM波，驅(qū)動外部設(shè)備，如（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、勵磁控制等）。

2.2 總體設(shè)計

根據(jù)模塊的功能設(shè)計，對硬件電路做規(guī)劃，主要包括：電源電路、CAN控制器及隔離電路、單片機控制電路、雙口RAM電路、邏輯處理電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和 PWM處理電路。硬件總體框圖如圖3所示。

3? 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 CAN總線接口

（1）CAN總線簡介。

CAN（Control Area Network）是控制局域網(wǎng)的簡稱，CAN是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的穿行通信網(wǎng)絡(luò)，最初由德國Bosch公司80年代用于汽車內(nèi)部測試盒控制儀器之間的數(shù)據(jù)通信。目前CAN總線規(guī)范已被國際標準化組織ISO制定為國際標準ISO11898，并得到Motorola，Intel，Philips等大型半導體器件生產(chǎn)廠家的支持，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，CAN得到了廣泛的應(yīng)用。

CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點不分主從，任一節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息，通信方式靈活，可以方便的組成多機備份系統(tǒng)。

CAN只需要通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等方式傳送收發(fā)數(shù)據(jù)，最遠傳輸距離可達10km。CAN上的節(jié)點主要決定與總線驅(qū)動電路，目前可達110個，報文標識符可達2032中（CAN2.0A），而擴展標準（CAN2.0B）的報文標識符基本不受限制。

（2）CAN接口實現(xiàn)。

CAN總線接口電路主要包括：單片機、控制器、總線收發(fā)器、看門口電路、光耦隔離電路和安全防護電路等。采用Philips公司的SJA1000控制器與其配套的總線收發(fā)器82C250，考慮到SJA1000支持CAN2.0A/B規(guī)約，按照CAN總線物理層協(xié)議選擇總線介質(zhì)，設(shè)計布線方案，連接成CAN網(wǎng)絡(luò)。

硬件電路的設(shè)計主要是CAN控制器與微機之間和CAN總線收發(fā)器與物理總線之間的接口電路設(shè)計，CAN控制器是接口電路的核心，主要完成CAN通信協(xié)議，而CAN總線收發(fā)器的主要作用是增大通信距離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾等。電源監(jiān)視電路主要實現(xiàn)電路的監(jiān)控和復位作用，防護電路主要是用TVS二極管保護外部靜電破壞接口芯片。接口電路框圖如圖3所示。

柴油機控制器ECU采集柴油機內(nèi)部的各項參數(shù)指標，如各種燃油壓力、滑油壓力、水溫等柴油機參數(shù)，根據(jù)CAN傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)送到柴油機通信模塊上的雙口RAM中，微機系統(tǒng)再從雙口RAM中取出這些參數(shù)，結(jié)合控制規(guī)范對柴油機及整個機車系統(tǒng)做出相應(yīng)的切除和保護。

3.2? IO采集

IO采集分數(shù)字輸入開光量的采集和觸點輸出控制，數(shù)字輸入開關(guān)量的采集部分負責采集柴油機或者機車其他部分送入的24V開關(guān)量，采集處理為邏輯高電平‘1和邏輯低電平‘0，再將邏輯信號送入微機參與整車控制。

觸點輸出是微機送入邏輯電平信號‘0或者‘1去驅(qū)動控制外部的器件。

3.3 柴油機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

柴油機的轉(zhuǎn)速是由柴油機控制器ECU來調(diào)節(jié)的，通過接收4～20mA的電流信號來調(diào)節(jié)不同的轉(zhuǎn)速，而柴油機的轉(zhuǎn)速與其輸出的功率是有相對應(yīng)的關(guān)系，機車整車控制中，司機的手柄檔位是與柴油機的轉(zhuǎn)速對應(yīng)的。 因此，不同的司機手柄位對應(yīng)這不同的轉(zhuǎn)速，同時對應(yīng)不對的輸出功率，如何根據(jù)司機的手柄信號來輸出柴油機調(diào)速電流信號，是通信模塊要解決的問題。

微機檢測來自司控器的檔位編碼信號，將檔位編碼信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的柴油機轉(zhuǎn)速給定信號，通過4～20mA電流信號控制柴油機轉(zhuǎn)速，最終由柴油機控制器實現(xiàn)柴油機的調(diào)速，具體結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

微機CPU檢測不同的手柄信號位給出對應(yīng)的柴油機轉(zhuǎn)速信號，通過并行總線將數(shù)據(jù)送入通信模塊，經(jīng)過總線反沖器后，轉(zhuǎn)速信號存放在雙口RAM中，單片機根據(jù)雙口RAM中的轉(zhuǎn)速信號輸出對應(yīng)的數(shù)字信號送給CPLD ，經(jīng)過CPLD的邏輯時序匹配后送入D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，其中一路隔離后V/I轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的4～20mA信號來調(diào)速，另外3路用作其他模擬輸出控制或預(yù)留。

3.4 PWM驅(qū)動

Pwm_in信號由外部微機CPU產(chǎn)生，經(jīng)邏輯器件整形后，送給光耦隔離，隔離后送給MOSFET驅(qū)動芯片驅(qū)動輸出，如圖6所示。

4? 模塊功能測試驗證

柴油機通信模塊安裝在微機控制箱內(nèi)，利用微機及測試系統(tǒng)和微機測試軟件對模塊做功能驗證，驗證內(nèi)容如下。

（1）CAN功能驗證。

將2路CAN總線接口之間構(gòu)成閉環(huán)連接，測試CAN總線的收發(fā)功能，若模塊上CAN接口有數(shù)據(jù)交換，對應(yīng)指示燈就會閃爍，證明功能正常。

（2）數(shù)字輸入和觸點輸出。

將測試系統(tǒng)的數(shù)字輸出與模塊的數(shù)字輸入的各個通道互聯(lián)，利用PC機測試軟件驅(qū)動測試臺數(shù)字輸出，檢測模塊的反饋情況。

（3）PWM輸出。

由微機測試系統(tǒng)發(fā)出PWM波信號（占空比可調(diào)），測試模塊的PWM輸出情況，調(diào)節(jié)占空比，觀察PWM輸出的變化。

（4）模擬輸出。

通過PC機給定額定U_OUT和I_OUT的值，然后將模塊的實際輸出值接入到微機進行檢測，構(gòu)成閉環(huán)，驗證給定值與實際值是否一致。

具體驗證測試方案接口如圖7所示。

5? 結(jié)語

本文的柴油機通信模塊是基于內(nèi)燃機車整車控制系統(tǒng)設(shè)計的，兼顧了功能性和可靠性設(shè)計，同時在接口方面做了一定的擴展，為以后的應(yīng)用做了預(yù)留。該模塊通過了功能調(diào)試，符合設(shè)計要求，能夠?qū)崿F(xiàn)微機與ECU之間的數(shù)據(jù)通信交換，能準確及時地采集輸入信號和輸出控制信號，能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，已在多個具體項目中實施應(yīng)用，具有良好的可靠性。

參考文獻

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