基于现场总线的车辆控制系统设计及应用
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关 键 词 ：Ａ Ｃ Ｎ总 线 ； 制 系统 ； 控 通信 协 议
ｄ ｉ ０３６ ／ｉ ｎ１０ － ５ ４２ １ ． ． ９ ｏ： ． ９ ．ｓ． ６ ８５ ． ０ ２ １ ９ ｊｓ ０ ０１７ ０
Ｏ 引 言
通过Ｃ Ｎ Ａ 总线 网和各个控制节 点之 间进行实时通信 ， 并显示 电 源电压 、 驱动 电流 、 车辆速度等状态 ， 实现轨道交通车辆的分布 式驱动和集 中监控。 控制 系统 中的驱动 节点 由微处 理器 、 Ａ 控制器 、 Ａ ＣＮ Ｃ Ｎ收 发器和外 围电路 （ 如信号调理 、 光耦 隔离 、２ 拨码开关 等 ） ＩＣ、 组 成。 监控计算机可以选用普通Ｐ 或工控机ＩＣ Ｐ — Ａ 适配卡 Ｃ Ｐ 。ＣＣ Ｎ 用来完成Ｃ Ｎ Ａ 总线 和监控计算机之 间的协议 转换 ，可 以选用 ＰＩ Ｃ 总线适配卡 、 Ａ Ｉ 总线适配卡或Ｒ ２ ２ Ｓ Ｓ ３ 串行通信适 配器。操
进行 数据传输 时的总线竞争 ， 是一种非破 坏性 的总线 仲裁 的协
议。 当具有相 同基本标识码 的两种不 同格式的信息在总线上传 送时， 标准格式帧优先于扩展格式帧。 按Ｃ Ｎ Ａ 总线协议 ， 的数据需要一个 网络 内唯一 的标识 传输 码来 指定信 息内容 和信息 的优先级 。表 １ 用扩展版 的Ｃ Ｎ 为采 Ａ
ＣＮ Ａ 总线协议控制器 可根 据标识码 的大 小对总线进行 仲
图 １ 车辆 分 布 式 控 制 系 统 总体 结构
裁， 并允许优先级高 的节点 占用总线 ， 避免 了多节 点同时要求
技术与市场
第１ ： ８ ￣ ７ ０ 期２ １ 年 １
技术 研发
据长度０～８ 并将 接收的数 据从 Ｃ Ｎ ， Ａ 控制器读 取并存储 于单 片
分布式实时控制 ， 其通信介质 可以是双绞线 、 电缆或光纤 。 同轴
汽车上的各种电子装置通过Ｃ Ｎ Ａ 控制器连接到简便廉价的双绞
线上 ， 设备之 间通过双绞线进行数据通信和数据共享 ， 从而大大
减少了汽车上的线束。Ｃ Ｎ Ａ 总线结构独特 ， 性能可靠 ， 被公认为
是最有前途的现场控制总线 之一 。现场总线控制系统 （ Ｃ ） Ｆ Ｓ 是
传统 汽车上 的电控系统大多采用点对点的单一通信方式 ， 相互之间很少有联 系， 这样必然造成庞大的布线 系统。 现在国内
外许多整车制造厂和汽车电器制造厂都采用 了总线技术。Ｃ Ｎ Ａ
总线由德 国Ｂ Ｓ Ｈ公司提 出， ＯＣ 是为 了解决现代汽车中众 多的控 制与测试仪器之间的数据交换的一种通信协议 。Ｃ Ｎ Ａ 总线支持
继直接数字 控制（ Ｄ ）集散ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ制 系统 （ Ｃ ） Ｄ Ｃ、 Ｄ Ｓ 之后 的一 种新 型
的控制系统 ， 是一种全开放 、 全数字 、 多点通信的底层控制网络 ， 具有全分散 陛 控的体 系结构。其显著特点是通过开放性总线把
现场设备连接成网络，各智能设备能够完成 自动控制和运行状
ＣＮ Ａ 总线协议作为一种极具应用 潜力 的控 制器局域 网总
线， 被广泛应用 于车辆系统 中。
２１ 最 小 系统 节 点的 构 成 ．
态的 自 行诊断， 并且能够通过总线实现设备之间的通信 ， 简化系
统结构 ， 提高可靠性 。笔者提 出了一种基于Ｃ Ｎ Ｃ ｎ ｏ ｅ Ａｅ Ａ （ ｏｔ ｌ ｒ ｒａ ｒｌ Ｎ ｔｏｋ 总线控制 系统的设计方案 ， ｅ ｒ） ｗ 将计算机通讯 、 现场总线技 术很好地结合起来 ， 设计出了一套结构简单 、 时陛高 、 实 扩展性 强 的分布式监控系统 ， 实现了多电机控制与监测的实时调节 、 设
网（ Ａ ） Ｃ Ｎ 的高集成度独立控制器 ， 具有完成高性能通信协议所
要求 的全部必要特性 ，可完成物理层和数据链路 层的所有功
能 。８ Ｃ ５ 为Ｃ Ｎ ２ ２ ０ Ａ 总线收发器 ， 于Ｃ Ｎ 用 Ａ 器件 与物理总线 间的 连接 。
２２ ＣＡＮ总 线 通 信 协议 的 实现 ．
微 处理 器 ． ｒ
●
皇
ｌＣ Ｎ Ａ 总线 图２ 最 小 系统 节 点 的 电气 原 理 框 架 图
指令 ， 对驱动电机进行智 能控制 ， 并采集车载 电源的电压 、 电流
和温度信号 ， 经过处理后发送给监控 计算机 ； 控计 算机可 以 监 该 节点 以８ Ｃ ９ Ｋ 微控制 器和ＳＡ１０ Ｃ Ｎ 制器为 核 ０ １６ Ｃ Ｊ ００ Ａ 控 心 。其 中，Ｊ ０ ０ ＳＡ１０ 是适用 于车辆 和一般工业环境控制 器局域
作 台节点用于车辆运行方 向与运行 速度 的控制 。 各个控制节点 之 间通过屏蔽 双绞线互联构成Ｃ 总线网络 ，总线 两端连接 ＡＮ １０Ｑ的阻抗 匹配电阻 ， 来提高 系统的稳定性 、 强系统 的 ２ 用 增 抗干扰能力。
２ Ｃ 总 线 在 车 辆 控 制 系统 中应 用 ＡＮ
技 术 研 发
Ｔ Ｃ ＮｏＬ Ｅ Ｈ ｏＧＹ Ａ ＮＤⅣＡＲ ＥＴ 【 Ｋ
Ｖ０．８Ｎｏ７２ １１ ， ．，０１ １
基 于现场总线的车辆控制 系统设计及应用
严 凡
（ 港铁 轨道 交通 （ 深圳 ） 限公 司 ， 东 深圳 ５ ８ １ ） 有 广 １０ ９
摘 要 ： 介 绍控 制 系统 整 体 设 计 方 法 的基 础 上 ． 出 了基 于Ｃ 总 线 的 车辆 控 制 系统 的 最 小 系统 节点 电 气 原理 框 架 在 给 ＡＮ 图￣Ｃ Ｎ 线 通 信 协议 的 实现 过 程 。 经 过 台架和 实 车试 验 ， 证 了 系统 设 计 的 正确 性 和 可 靠 性 。 Ｌ Ａ 总 验
图２ 出了用于车辆 控制系统 的最小 系统节点 电原理 框 给
图。
ＥＰＲＯＭ
一 — —
— —
备状态的数字化和图形化显示。
１ 控 制 系统 整 体 方 案 设 计
８ Ｃ１ ６ ０ ９ ＫＣ
ｌ ———— ——一
整个控制 系统 由监控计算机 、 Ｃ Ｃ Ｎ 口卡 、操作 台节 Ｐ —Ａ 接 点、 智能 驱动节点（ ＜ ）Ｃ Ｎ总线 网络组成 ， ｎ １０ 、Ａ １ 其系统结 构如 图１ 所示 。分布在整个 车辆 的驱动节点接收操作 台发来的控制
ｄ ｉ ０３６ ／ｉ ｎ１０ － ５ ４２ １ ． ． ９ ｏ： ． ９ ．ｓ． ６ ８５ ． ０ ２ １ ９ ｊｓ ０ ０１７ ０
Ｏ 引 言
通过Ｃ Ｎ Ａ 总线 网和各个控制节 点之 间进行实时通信 ， 并显示 电 源电压 、 驱动 电流 、 车辆速度等状态 ， 实现轨道交通车辆的分布 式驱动和集 中监控。 控制 系统 中的驱动 节点 由微处 理器 、 Ａ 控制器 、 Ａ ＣＮ Ｃ Ｎ收 发器和外 围电路 （ 如信号调理 、 光耦 隔离 、２ 拨码开关 等 ） ＩＣ、 组 成。 监控计算机可以选用普通Ｐ 或工控机ＩＣ Ｐ — Ａ 适配卡 Ｃ Ｐ 。ＣＣ Ｎ 用来完成Ｃ Ｎ Ａ 总线 和监控计算机之 间的协议 转换 ，可 以选用 ＰＩ Ｃ 总线适配卡 、 Ａ Ｉ 总线适配卡或Ｒ ２ ２ Ｓ Ｓ ３ 串行通信适 配器。操
进行 数据传输 时的总线竞争 ， 是一种非破 坏性 的总线 仲裁 的协
议。 当具有相 同基本标识码 的两种不 同格式的信息在总线上传 送时， 标准格式帧优先于扩展格式帧。 按Ｃ Ｎ Ａ 总线协议 ， 的数据需要一个 网络 内唯一 的标识 传输 码来 指定信 息内容 和信息 的优先级 。表 １ 用扩展版 的Ｃ Ｎ 为采 Ａ
ＣＮ Ａ 总线协议控制器 可根 据标识码 的大 小对总线进行 仲
图 １ 车辆 分 布 式 控 制 系 统 总体 结构
裁， 并允许优先级高 的节点 占用总线 ， 避免 了多节 点同时要求
技术与市场
第１ ： ８ ￣ ７ ０ 期２ １ 年 １
技术 研发
据长度０～８ 并将 接收的数 据从 Ｃ Ｎ ， Ａ 控制器读 取并存储 于单 片
分布式实时控制 ， 其通信介质 可以是双绞线 、 电缆或光纤 。 同轴
汽车上的各种电子装置通过Ｃ Ｎ Ａ 控制器连接到简便廉价的双绞
线上 ， 设备之 间通过双绞线进行数据通信和数据共享 ， 从而大大
减少了汽车上的线束。Ｃ Ｎ Ａ 总线结构独特 ， 性能可靠 ， 被公认为
是最有前途的现场控制总线 之一 。现场总线控制系统 （ Ｃ ） Ｆ Ｓ 是
传统 汽车上 的电控系统大多采用点对点的单一通信方式 ， 相互之间很少有联 系， 这样必然造成庞大的布线 系统。 现在国内
外许多整车制造厂和汽车电器制造厂都采用 了总线技术。Ｃ Ｎ Ａ
总线由德 国Ｂ Ｓ Ｈ公司提 出， ＯＣ 是为 了解决现代汽车中众 多的控 制与测试仪器之间的数据交换的一种通信协议 。Ｃ Ｎ Ａ 总线支持
继直接数字 控制（ Ｄ ）集散ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ制 系统 （ Ｃ ） Ｄ Ｃ、 Ｄ Ｓ 之后 的一 种新 型
的控制系统 ， 是一种全开放 、 全数字 、 多点通信的底层控制网络 ， 具有全分散 陛 控的体 系结构。其显著特点是通过开放性总线把
现场设备连接成网络，各智能设备能够完成 自动控制和运行状
ＣＮ Ａ 总线协议作为一种极具应用 潜力 的控 制器局域 网总
线， 被广泛应用 于车辆系统 中。
２１ 最 小 系统 节 点的 构 成 ．
态的 自 行诊断， 并且能够通过总线实现设备之间的通信 ， 简化系
统结构 ， 提高可靠性 。笔者提 出了一种基于Ｃ Ｎ Ｃ ｎ ｏ ｅ Ａｅ Ａ （ ｏｔ ｌ ｒ ｒａ ｒｌ Ｎ ｔｏｋ 总线控制 系统的设计方案 ， ｅ ｒ） ｗ 将计算机通讯 、 现场总线技 术很好地结合起来 ， 设计出了一套结构简单 、 时陛高 、 实 扩展性 强 的分布式监控系统 ， 实现了多电机控制与监测的实时调节 、 设
网（ Ａ ） Ｃ Ｎ 的高集成度独立控制器 ， 具有完成高性能通信协议所
要求 的全部必要特性 ，可完成物理层和数据链路 层的所有功
能 。８ Ｃ ５ 为Ｃ Ｎ ２ ２ ０ Ａ 总线收发器 ， 于Ｃ Ｎ 用 Ａ 器件 与物理总线 间的 连接 。
２２ ＣＡＮ总 线 通 信 协议 的 实现 ．
微 处理 器 ． ｒ
●
皇
ｌＣ Ｎ Ａ 总线 图２ 最 小 系统 节 点 的 电气 原 理 框 架 图
指令 ， 对驱动电机进行智 能控制 ， 并采集车载 电源的电压 、 电流
和温度信号 ， 经过处理后发送给监控 计算机 ； 控计 算机可 以 监 该 节点 以８ Ｃ ９ Ｋ 微控制 器和ＳＡ１０ Ｃ Ｎ 制器为 核 ０ １６ Ｃ Ｊ ００ Ａ 控 心 。其 中，Ｊ ０ ０ ＳＡ１０ 是适用 于车辆 和一般工业环境控制 器局域
作 台节点用于车辆运行方 向与运行 速度 的控制 。 各个控制节点 之 间通过屏蔽 双绞线互联构成Ｃ 总线网络 ，总线 两端连接 ＡＮ １０Ｑ的阻抗 匹配电阻 ， 来提高 系统的稳定性 、 强系统 的 ２ 用 增 抗干扰能力。
２ Ｃ 总 线 在 车 辆 控 制 系统 中应 用 ＡＮ
技 术 研 发
Ｔ Ｃ ＮｏＬ Ｅ Ｈ ｏＧＹ Ａ ＮＤⅣＡＲ ＥＴ 【 Ｋ
Ｖ０．８Ｎｏ７２ １１ ， ．，０１ １
基 于现场总线的车辆控制 系统设计及应用
严 凡
（ 港铁 轨道 交通 （ 深圳 ） 限公 司 ， 东 深圳 ５ ８ １ ） 有 广 １０ ９
摘 要 ： 介 绍控 制 系统 整 体 设 计 方 法 的基 础 上 ． 出 了基 于Ｃ 总 线 的 车辆 控 制 系统 的 最 小 系统 节点 电 气 原理 框 架 在 给 ＡＮ 图￣Ｃ Ｎ 线 通 信 协议 的 实现 过 程 。 经 过 台架和 实 车试 验 ， 证 了 系统 设 计 的 正确 性 和 可 靠 性 。 Ｌ Ａ 总 验
图２ 出了用于车辆 控制系统 的最小 系统节点 电原理 框 给
图。
ＥＰＲＯＭ
一 — —
— —
备状态的数字化和图形化显示。
１ 控 制 系统 整 体 方 案 设 计
８ Ｃ１ ６ ０ ９ ＫＣ
ｌ ———— ——一
整个控制 系统 由监控计算机 、 Ｃ Ｃ Ｎ 口卡 、操作 台节 Ｐ —Ａ 接 点、 智能 驱动节点（ ＜ ）Ｃ Ｎ总线 网络组成 ， ｎ １０ 、Ａ １ 其系统结 构如 图１ 所示 。分布在整个 车辆 的驱动节点接收操作 台发来的控制