基于現(xiàn)場(chǎng)總線的磁浮列車(chē)懸浮控制調(diào)試系統(tǒng)

徐俊起 榮立軍 吳小東

（上海磁浮交通發(fā)展有限公司，201204，上海∥第一作者，工程師）

最高速度為100 km／h的電磁吸力型（EMS）中低速磁浮列車(chē)，依靠列車(chē)下部懸浮轉(zhuǎn)向架的電磁鐵通電后與軌道間產(chǎn)生的吸引力實(shí)現(xiàn)懸浮，每組電磁鐵都由對(duì)應(yīng)的獨(dú)立懸浮控制器控制其懸浮和下落［1－2］。本文中描述的磁浮車(chē)輛含有5個(gè)轉(zhuǎn)向架，每個(gè)轉(zhuǎn)向架的懸浮由4組電磁鐵實(shí)現(xiàn)，每節(jié)車(chē)共有20臺(tái)懸浮控制器。

由于列車(chē)懸浮控制的復(fù)雜性，在調(diào)試過(guò)程中控制參數(shù)不可能一次性達(dá)到最優(yōu)，需要逐漸逼近，因此有必要構(gòu)建一套穩(wěn)定可靠的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試系統(tǒng)，把20臺(tái)懸浮控制器與上位機(jī)連接起來(lái)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)一方面通過(guò)上位機(jī)監(jiān)測(cè)懸浮控制器上傳的軌道與電磁鐵之間的間隙、電磁鐵垂向運(yùn)動(dòng)加速度、電磁鐵工作電流以及懸浮控制器狀態(tài)等參數(shù)，另一方面根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)上位機(jī)調(diào)整懸浮控制參數(shù)，使列車(chē)懸浮狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)。

1 調(diào)試系統(tǒng)構(gòu)建

CAN（控制器局域網(wǎng)）總線是德國(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車(chē)中多傳感器和控制器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行總線。由于CAN總線的通信速率高、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，以及能夠有效地支持具有很高安全等級(jí)的分布式實(shí)時(shí)控制，目前已廣泛應(yīng)用于背景干擾較強(qiáng)的控制系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)通信中［3］。

中低速磁浮車(chē)輛的20臺(tái)懸浮控制器吊掛在車(chē)廂底部，控制器附近裝有牽引變流器、DC／DC電源等大功率設(shè)備，所處電磁環(huán)境惡劣，控制器和上位機(jī)之間距離遠(yuǎn)，而實(shí)時(shí)控制需要較高的通信速率，因此，使用CAN總線作為通信網(wǎng)絡(luò)是比較理想的選擇。

懸浮控制器所使用的控制芯片具有豐富的對(duì)外接口，內(nèi)部集成了兼容CAN 2.0B標(biāo)準(zhǔn)的CAN控制器［4］，這為基于CAN總線的調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了先決條件，使懸浮控制器端的CAN節(jié)點(diǎn)硬件和軟件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。

懸浮調(diào)試過(guò)程中，上位機(jī)通常為筆記本電腦，而USB接口是筆記本電腦常見(jiàn)的通用串行接口。為此，提出了一種基于USB－CAN的調(diào)試系統(tǒng)。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于USB－CAN接口的調(diào)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中，USB－CAN接口卡采用的是成熟市場(chǎng)產(chǎn)品，在此不再贅述；上位機(jī)人機(jī)界面采用高級(jí)編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，文中程序采用C#編寫(xiě)。

對(duì)于每一個(gè)懸浮點(diǎn)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控的參數(shù)一般包括間隙、加速度、電流以及控制器狀態(tài)參數(shù)等數(shù)據(jù)。調(diào)試過(guò)程中，調(diào)試人員可以根據(jù)需要，通過(guò)上位機(jī)的USB總線向某懸浮節(jié)點(diǎn)或所有懸浮節(jié)點(diǎn)發(fā)出、發(fā)送允許命令。該命令數(shù)據(jù)通過(guò)USB－CAN接口自動(dòng)轉(zhuǎn)換為約定的CAN協(xié)議包，通過(guò)CAN總線傳送到懸浮節(jié)點(diǎn)。懸浮節(jié)點(diǎn)在接收到該命令后，定時(shí)將懸浮傳感器和控制器的當(dāng)前參數(shù)打包發(fā)送到CAN總線上，然后再通過(guò)USB－CAN接口自動(dòng)轉(zhuǎn)換為約定的USB協(xié)議包，上傳到上位機(jī)保存，并將接收到的參數(shù)在人機(jī)界面上顯示，用于對(duì)懸浮狀態(tài)的評(píng)估。如需要對(duì)當(dāng)前控制器的某些參數(shù)進(jìn)行修改，也可以通過(guò)上位機(jī)人機(jī)接口向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送參數(shù)修改命令。

2 CAN接口電路設(shè)計(jì)

懸浮控制芯片所集成的CAN控制器簡(jiǎn)化了CAN節(jié)點(diǎn)的接口設(shè)計(jì)，只需在控制芯片的CANTX和CANRX引腳上接一個(gè)CAN驅(qū)動(dòng)芯片即可。這里選用的CAN驅(qū)動(dòng)芯片是PCA82C250，它提供向總線的差動(dòng)發(fā)送功能和對(duì)CAN總線控制器的差動(dòng)接收功能。接口電路如圖2所示。圖中CANH和CANL為CAN總線的兩根差分信號(hào)線。為增加電路的抗干擾能力，對(duì)輸入輸出信號(hào)采取了光耦隔離技術(shù)，選用的高速光耦隔離芯片為HCPL－0611，設(shè)計(jì)過(guò)程中注意使用單獨(dú)的CAN隔離電源供電。

圖2 CAN接口電路圖

3 USB－CAN通信設(shè)計(jì)

懸浮控制器上的CAN總線端口要完成兩項(xiàng)工作：（1）向上位機(jī)上傳控制器的間隙、加速度、電流以及控制器狀態(tài)等參數(shù)；（2）讀取上位機(jī)下傳的控制命令和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的在線修改等功能。

3.1 通信協(xié)議

為實(shí)現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)傳送，需定義參數(shù)包和命令包兩類傳送數(shù)據(jù)包。每一個(gè)數(shù)據(jù)幀需定義的標(biāo)識(shí)有數(shù)據(jù)包類型、數(shù)據(jù)傳送方向和懸浮控制節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

CAN 2.0B協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。每一個(gè)數(shù)據(jù)幀能夠傳送8個(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù)。為充分利用數(shù)據(jù)區(qū)傳送有效數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)包類型、數(shù)據(jù)傳送方向和懸浮控制節(jié)點(diǎn)編號(hào)等標(biāo)識(shí)定義在11位標(biāo)識(shí)符區(qū)。其中11位標(biāo)識(shí)符中，第10位表示數(shù)據(jù)傳送方向，1表示懸浮控制器給上位機(jī)發(fā)送信息，0表示上位機(jī)給懸浮控制器發(fā)送信息；第9～6位，表示數(shù)據(jù)包類型，包括參數(shù)包和命令包；第5～0位表示懸浮控制器節(jié)點(diǎn)編號(hào)（編號(hào)從0x01開(kāi)始）。

懸浮控制器節(jié)點(diǎn)上傳的參數(shù)包數(shù)據(jù)有懸浮間隙值、加速度值、電流值和控制器狀態(tài)值，懸浮控制器上傳的命令包數(shù)據(jù)有控制器節(jié)點(diǎn)對(duì)上位機(jī)命令的響應(yīng)值；上位機(jī)下傳的參數(shù)包數(shù)據(jù)有懸浮控制參數(shù)調(diào)整值，上位機(jī)下傳的命令包數(shù)據(jù)有懸浮或降落命令值、復(fù)位命令值、屏蔽命令值等。

圖3 CAN2.0B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀

3.2 通信軟件

通信軟件包括懸浮控制器節(jié)點(diǎn)中CAN通信程序和上位機(jī)通信程序。每次主程序循環(huán)中，控制器都向調(diào)試系統(tǒng)發(fā)送當(dāng)前間隙、加速度、電流以及控制器狀態(tài)等信息；一旦接收到調(diào)試系統(tǒng)下傳的信息，控制器便分析下傳信息的性質(zhì)，對(duì)它們分別進(jìn)行判別、執(zhí)行與應(yīng)答。控制器CAN通信程序框圖如圖4所示。

圖5為上位機(jī)通信程序框圖。程序中實(shí)現(xiàn)了USB接口的數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)根據(jù)約定的通信協(xié)議打包后通過(guò)USB下傳等功能。

4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

圖6為基于USB－CAN接口的調(diào)試系統(tǒng)人機(jī)界面。該界面由三部分組成。

（1）發(fā)送控制：包括自由選擇要進(jìn)行控制的控制器，CAN接口的打開(kāi)、關(guān)閉，懸浮、降落命令發(fā)送，屏蔽、復(fù)位命令發(fā)送。

（2）狀態(tài)顯示：顯示各控制器的懸浮狀態(tài)，如懸浮間隙S、加速度值A(chǔ)、電流值I。

（3）參數(shù)設(shè)定：設(shè)定K1至K8等8個(gè)控制參數(shù)并發(fā)送。

圖4 懸浮控制器CAN節(jié)點(diǎn)通信程序

圖5 上位機(jī)USB通信程序

5 結(jié)語(yǔ)

圖6 基于USB－CAN接口的調(diào)試系統(tǒng)人機(jī)界面

根據(jù)中低速磁浮列車(chē)懸浮控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)建了一種基于USB－CAN接口的懸浮控制調(diào)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了通信協(xié)議和軟硬件，并予以實(shí)現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用證明，這套調(diào)試系統(tǒng)不僅能夠簡(jiǎn)化懸浮控制調(diào)試過(guò)程，縮短調(diào)試時(shí)間，并且能夠幫助調(diào)試人員通過(guò)上傳的狀態(tài)信息判斷列車(chē)的懸浮狀態(tài)快速尋找最優(yōu)控制參數(shù)，是調(diào)試過(guò)程中的一種有效輔助工具。另外，所設(shè)計(jì)的基于USB－CAN接口的通信系統(tǒng)也可以應(yīng)用在其他分布式控制系統(tǒng)的控制和調(diào)試中。

［1］吳祥明.磁浮列車(chē)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

［2］劉華清.德國(guó)磁懸浮列車(chē)Transrapid［M］.成都：電子科技大學(xué)出版社，1999.

［3］饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［4］徐科軍，張瀚，陳智淵.TMS320X281XDSP原理與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［5］吳汶麒.自動(dòng)控制原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1998.