1 引言 傳統(tǒng)機車監(jiān)控裝置通過轉存將機車運行過程中所記錄的數(shù)據(jù)轉存到地面二次開發(fā)平臺，在地面進行機車運行數(shù)據(jù)分析和故障診斷，這樣的檢測設備實時性不強，不能實時監(jiān)測機車的運行狀態(tài);隨著鐵路信息化數(shù)字化的發(fā)展，提出了機車在線實時監(jiān)控以及機車檢修應向狀態(tài)修發(fā)展。近年來國內現(xiàn)場總線技術的成熟和不斷發(fā)展以及移動通信gprs（通用分組無線業(yè)務general packet radioservice）的無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務的成熟，使機車車輛的實時監(jiān)測成為可能。為此,筆者根據(jù)自己實踐，介紹一種基于can（controller area network）總線的機車實時監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過gprs的短信息業(yè)務，實現(xiàn)車載數(shù)據(jù)采集模塊與地面監(jiān)控系統(tǒng)的實時通信，實現(xiàn)地面監(jiān)控中心實時監(jiān)控列車運行狀態(tài)。 can總線是眾多現(xiàn)場總線標準之一，具有使用簡單、性能可靠以及系統(tǒng)可擴展性能好等優(yōu)點。can總線有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網(wǎng)絡，采用短報文幀及gsma/cd-amp（帶有信息優(yōu)先權及沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問）的mac（媒介訪問控制）方式，在工業(yè)自動控制化領域得到廣泛應用。特別適用于做優(yōu)化、分析及維護的系統(tǒng)。90年代，國內開始對can總線應用進行研究,目前已在諸多領域中應用can總線技術。 2 基本原理 [align=center] 圖1 機車監(jiān)控系統(tǒng)結構圖[/align] 圖1為機車實時監(jiān)控系統(tǒng)結構圖。包括三個數(shù)據(jù)采集模塊、一個存貯發(fā)射模塊和地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面系統(tǒng)部分圖中未示）。數(shù)據(jù)采集模塊負責采集牽引電機電樞電壓、電樞電流、勵磁電流等重要模擬量數(shù)據(jù);各種風機接觸器的開閉狀態(tài)的開關量;機車基本信息（包括機車速度、機車位置、機車車號等）數(shù)字編碼量。存貯發(fā)射模塊負責各數(shù)據(jù)采集模塊的協(xié)調工作，通過gprs將各采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面監(jiān)控系統(tǒng)。地面系統(tǒng)由pc機與gprs無線天線等模塊組成，通過gprs天線向車載系統(tǒng)發(fā)送指令，指示車載模塊按地面要求進行工作。地面系統(tǒng)同時接收存貯發(fā)射模塊發(fā)送來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按gprs的短信息業(yè)務格式發(fā)送接收。地面系統(tǒng)軟件采用visual c++軟件編寫。軟件使用友好人機對話界面實時顯示、跟蹤、監(jiān)控列車運行狀態(tài)，實現(xiàn)對機車實時在線故障檢測與診斷，機車出現(xiàn)故障時，還可以及時向司機提供操作建議，在機車庫檢時，系統(tǒng)還提供檢修指導，限于篇幅所限本文將重點介紹車載部分。 3 硬件結構設計 本系統(tǒng)是一個依照can2.0b構建的控制局域網(wǎng)（controller area network），總線控制器采用philips公司p87c591微控器內置的can控制器。p8xc591是一個單片8位高性能微控制器，具有片內can控制器，采用強大的80c51指令集并成功的包括了半導體 sja1000 can控制器的pelican功能。can總線驅動器采用與sja1000 can控制器相匹配的pca82c250，下位機和上位機通過canh、canl屏蔽雙絞線進行雙向通信?？偩€終端需跨接100ω～120ω電阻以抑制信號反射，保證通信可靠性。雙絞線連接各個模塊節(jié)點，形成多主控制的局域網(wǎng)。為增強can總線節(jié)點的抗干擾能力，p87c591的rxdc和txdc腳，通過高速光耦6n173后與82c250相連，保證總線上各can節(jié)點間的電氣隔離，光耦部份電路所采用的兩個電源必須完全隔離。圖2為各節(jié)點和can總線間的接口電路圖。 [align=center] 圖2 can總線接口電路圖[/align] 模擬量采集單元主要功能可以劃分為微處理器及其控制部分、can通訊接口部分、多路模擬量輸入通道選擇開關、模數(shù)轉換芯片等。模擬量直接由機車微機柜內引入，信號在微機柜內已調理成適合a/d轉換的電平。模擬量信號的采樣和量化工作由一片ads774完成。ads774是美國burr-brown公司生產的12位逐次逼近并行a/d轉換器，典型轉換時間為8.5μs。選擇mcp506a作為16路信號通道轉換開關，分時對16路模擬信號采樣及a/d轉換。 開關量采集單元采集的信號均來自機車電氣控制柜，采集板需采用光電隔離，增強抗干擾能力，實現(xiàn)與采樣電路的電氣隔離。系統(tǒng)采用兩片8255a擴展p0口以對48路開關信號采樣，兩片8255a的a,b,c口設定為模式0和輸入方式。四個模塊結構基本相似，在此不一一綴述。 存貯發(fā)射模塊包括:閃存、帶斷電保護的時鐘芯片ds12887以及gprs天線組成。閃存具有斷電后保存數(shù)據(jù)特點，作為存放機車數(shù)據(jù)的黑匣子。gprs天線和單片機通過rs-232相聯(lián)接，單片機通過讀寫串行口實現(xiàn)和中國移動網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。用一片64kb的hm6264ram存儲有關控制信息并作為與中國移動網(wǎng)絡和存貯發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)交換區(qū)。 4 系統(tǒng)軟件設計 4.1 can初始化子程序 can控制器的初始化是系統(tǒng)設計工作中極為重要的部分，它是can總線正常工作的前提，關系整個車載系統(tǒng)能否正常工作，初始化工作既是一個重點，也是一個難點。can通信初始化包括操作模式的設置、驗收濾波器的設置、總線定時器的設置等。驗收濾波器的設置決定了節(jié)點所接收的信息的格式;定時器設置確定can總線數(shù)據(jù)傳輸波特率。80c51cpu接口將pelican與p87c591微控制器內部總線相連，通過5個特殊功能寄存器canadr、candat、canmod、cansta和cancon對pelican寄存器和ram區(qū)進行快捷的訪問。對can進行初始化實際就是對以上5個特殊功能寄存器的進行讀寫訪問。以下是用c語言編寫的初始化子程序代碼。 void init_can（void） ｛ canmod=0x01; //將can控制器設置為復位模式以啟動初始化 p1m2=p1m2|0x02; //p1m2.1=｀1｀,p1m1.1=｀0｀（默認） canadr=btr0; //btr0和btr1編程為125kbit/s@12mhz candat=0x45; canadr=btr1; //tseg1=12,tseg2=3,sjw=2 candat=0x2b; //sample=1->sample point～81% canadr=acr10; //將地址設置到驗收代碼寄存器0（bank1） candat=0x40; //驗收濾波代碼 candat=0xe0; //驗收濾波代碼 canadr=amr10; //將地址設置到驗收屏蔽寄存器0（bank1） candat=0x00; //bank1:驗收屏蔽0 candat=0x0f; //bank1:驗收屏蔽1無關 candat=0xff; //bank1:驗收屏蔽2無關 candat=0xff; //bank1:驗收屏蔽3無關 canadr=acfmod; //將地址設置到acf模式寄存器 candat=0x55; //單驗收濾波器使用11位id（sff） canadr=acfprio; //將地址設置到acf優(yōu)先級寄存器 candat=0xff; //所有濾波器都為高優(yōu)先級 canadr=acfen; //將地址設置到acf使能寄存器 candat=0x01; //使能bank1的驗收濾波器 canmod=0x00; //選擇操作模式，退出can控制器復位模式 ｝ 4.2 can接收發(fā)送子程序 can總線通信采用單濾波器標準幀:使用包括rtr位的完整的識別碼和頭兩個數(shù)據(jù)字節(jié)進行驗收濾波（濾波器設置見can初始化程序代碼）。標準幀共13個字節(jié)，包括:3個字節(jié)幀頭（同步字） ,以保證每次接收端都能夠正確的找到幀頭;一個字節(jié)的命令/數(shù)據(jù)標識位，該標識位在本系統(tǒng)中作為包代碼的身份識別信息（包括數(shù)據(jù)類型、指令類型等），這樣就把命令和數(shù)據(jù)分開處理便于接收端對命令和數(shù)據(jù)的正確區(qū)分和處理;接著7個字節(jié)為can數(shù)據(jù)包所包含的具體數(shù)據(jù)或指令最后2個字節(jié)在標準幀中作備用。各模塊根據(jù)接收到包的標識位的不同來對數(shù)據(jù)包進行分解、判斷，各模塊根據(jù)包代碼的身分識別號將數(shù)據(jù)存放到相應的緩沖區(qū),等該源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)全部正確接收完畢后，再一起送入公用緩沖區(qū),以便控制處理子程序根據(jù)收到的數(shù)據(jù)進行控制處理。以下是用c語言編寫的can接收程序基本代碼。 void rec_can（void） //接收子程序 ｛ uchar length; //can數(shù)據(jù)長度代碼 uchar i; bit ff; //ff=0（標準can幀）;ff=1（擴展can幀） while（rbs==0）rbs=0; //檢查rbs是否為1，如不為1說明rbf中沒有可讀的數(shù)據(jù) canadr=rbf; //地址指向can接收緩沖區(qū)地址 receivemessage[0]=candat; //讀取并保存幀信息字節(jié) ff=receivemessage[0]&0x80; //取出幀格式 length=receivemessage[0]&0x0f; //取出幀長度dlc if（length>0x08）length=0x08; receivemessage[1]=candat; //讀取并保存rx識別碼1 receivemessage[2]=candat; //讀取并保存rx識別碼2 if（ff） ｛receivemessage[3]=candat;eceivemessage[4]=candat;｝ for（i=0;i｛if（ff） receivemessage[i+5]=candat; else receivemessage[i+3]=candat; //標準幀 ｝ cancon=0x04; //釋放接收緩沖區(qū) ｝ can控制器的發(fā)送程序也是模塊間通信的基本程序，下面是用can節(jié)點通信的發(fā)送子程序。 void send_can（void） //發(fā)送子程序 ｛uchar i; if（tbs==1）//發(fā)送緩沖區(qū)狀態(tài)=釋放? ｛canadr=tbf;//地址指向591tx緩沖區(qū), candat=message[0]; //寫tx幀信息 candat=message[1]; //寫tx識別碼1 candat=message[2]; //寫tx識別碼2 for（i=0;i<8;i++） //寫數(shù)據(jù)字節(jié) ｛candat=message[i+3];｝ cancon=0x01; //置位發(fā)送請求位 ｝ else｛//p8xc591發(fā)送緩沖區(qū)未釋放，運行其它程序｝ ｝ 4.3 系統(tǒng)軟件結構 存貯發(fā)射模塊和三個數(shù)據(jù)采集模塊按如下協(xié)議工作:數(shù)字量采集單元通過rs485總線接收機車基本信息，rs485總線數(shù)據(jù)按一包數(shù)據(jù)共40個字節(jié)，第一個字節(jié)為節(jié)點地址，最后一個字節(jié)為校驗字節(jié)，中間38個字節(jié)為傳送的機車基本信息量。數(shù)字量采集單元對數(shù)據(jù)包解包，取出當前機車速度、位置、機車號、線路狀態(tài)等基本信息，將數(shù)據(jù)按can標準幀格式發(fā)給存貯發(fā)射模塊;存貯發(fā)射模塊等待、接收數(shù)字量采集單元采集的數(shù)據(jù)后，向其余模塊發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，采用在運行中改變?yōu)V波參數(shù)方式接收各個模塊發(fā)給存貯發(fā)射的數(shù)據(jù)采集結果。把接收到數(shù)據(jù)按和地面監(jiān)控系統(tǒng)約定格式存貯在閃存存貯器內，最后寫串口，把一次采集的數(shù)據(jù)通過gprs天線發(fā)往地面監(jiān)控系統(tǒng)。地面系統(tǒng)收到車載系統(tǒng)數(shù)據(jù)時，發(fā)送一幀確認幀給車載系統(tǒng)。圖3所示為存貯發(fā)送模塊基本工作流程圖。 模擬量采集模塊和開關量采集模塊工作流程相似，模擬量單元初始化后等待存貯發(fā)送模塊發(fā)來的a/d轉換指令后，依次啟動16路a/d轉換，轉換完成后將16路a/d轉換結果按can標準幀格式打包發(fā)送給存貯發(fā)送模塊。開關量采集單元初始化后等待上位機的數(shù)據(jù)采集請求指令后，讀取48路繼電器通斷信號，轉換完成后將數(shù)據(jù)按can標準幀格式打包發(fā)送給存貯發(fā)送模塊。 5 結束語 系統(tǒng)經過實驗室內部聯(lián)調, 性能穩(wěn)定, 抗干擾能力強，充分體現(xiàn)了can 總線的優(yōu)越性。目前系統(tǒng)已在裝車運行，取得了以下良好效益: [align=center] 圖3 存貯發(fā)送模塊程序流程[/align] （1） 實時監(jiān)控機車運行狀態(tài),保障列車行車安全。機車在任何時間、任何地點產生的運行數(shù)據(jù)都可以被地面監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)控;車載存貯發(fā)送單元實時將運行數(shù)據(jù)發(fā)送地面監(jiān)控系統(tǒng)，當機車出現(xiàn)故障時，該系統(tǒng)可以為機務和電務部門及時提供原始分析數(shù)據(jù)。 （2） 裝備該系統(tǒng)后減輕了轉儲人員的勞動強度,提高了生產效率,節(jié)省了勞動力。