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摘 要：开发了一种基于CAN总线的内燃机车柴油机控制模块，重点介绍了硬件的模块化设计、功能的实现方式及CAN总线在模块中的应用。该模块实现了机车微机与柴油机控制器相互间的数据交换，能够完成包括4～20mA电流、PWM脉冲频率、PWM占空比等多种方式的柴油机转速调节、数字信号采集、触点输出等多种功能，已验证应用，具有良好的可靠性。
关键词：CAN总线 硬件设计 机车控制 转速调节 柴油机
中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）06（c）-0092-03
柴油机是内燃机车的核心部件，目前，大部分柴油机控制器ECU都是通过CAN总线与外部设备进行数据交换。内燃微机控制系统LCS是整车控制系统，它的主CPU通过背板并行总线与各种IO模块进行数据交换，并通过Lonworks或者MVB总线与机车上的显示器通信，所以，柴油机ECU和机车控制系统、显示器之间没有直接的数据交换方式。因此，如何实现机车控制系统LCS对柴油机的控制？如何将柴油机的各种参数人机交互至显示器上？本文开发的柴油机通信模块就能够解决上述问题。
1 系统概述
柴油机通信模块是基于机车控制系统LCS开发的，它放置于控制机箱中，与主控CPU通过系统背板并行总线进行数据交换，在模块中开发CAN通信接口，与ECU之间通过CAN接口通信。它的作用就是在柴油机控制器ECU与机车控制系统LCS之间架起一座桥梁，实现ECU与LCS、显示器之间的数据交换，系统结构如图1所示。
2 功能描述
2.1 模块功能需求
根据柴油机ECU的对外接口和LCS微机对外接口要求，对该模块做了如下功能要求。
（1）并行总线接口。
与微机主控板之间通过并行总线通信进行数据传输，并行总线包括数据总线DB[7：0]、地址总线AB[15：0]、控制总线如RD、WR、CS等信号。
（2）CAN总线接口。
具有2路CAN总线接口，与柴油机控制器ECU之间通过CAN总线实时通信交互控制，进行运行参数及故障信息的传递。
（3）IO处理。
对柴油机上的24V数字开关量进行采集并能够触点输出。检测24V司机手柄输入信号，并通过驱动常闭数字触点断开实现保护。
（4）柴油机转速调节。
接收来自司控器的档位编码信号，将档位编码信号转换为对应的柴油机转速给定信号，通过4～20mA电流信号控制柴油机转速，最终由柴油机控制器实现柴油机的调速。
（5）PWM信号驱动。
由微机CPU产生PWM波，驱动外部设备，如（转速调节、励磁控制等）。
2.2 总体设计
根据模块的功能设计，对硬件电路做规划，主要包括：电源电路、CAN控制器及隔离电路、单片机控制电路、双口RAM电路、逻辑处理电路、D/A转换电路和 PWM处理电路。硬件總体框图如图3所示。
3 硬件设计与实现
3.1 CAN总线接口
（1）CAN总线简介。
CAN（Control Area Network）是控制局域网的简称，CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的穿行通信网络，最初由德国Bosch公司80年代用于汽车内部测试盒控制仪器之间的数据通信。目前CAN总线规范已被国际标准化组织ISO制定为国际标准ISO11898，并得到Motorola，Intel，Philips等大型半导体器件生产厂家的支持，在工业过程控制领域，CAN得到了广泛的应用。
CAN网络上的节点不分主从，任一节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活，可以方便的组成多机备份系统。
CAN只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等方式传送收发数据，最远传输距离可达10km。CAN上的节点主要决定与总线驱动电路，目前可达110个，报文标识符可达2032中（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符基本不受限制。
（2）CAN接口实现。
CAN总线接口电路主要包括：单片机、控制器、总线收发器、看门口电路、光耦隔离电路和安全防护电路等。采用Philips公司的SJA1000控制器与其配套的总线收发器82C250，考虑到SJA1000支持CAN2.0A/B规约，按照CAN总线物理层协议选择总线介质，设计布线方案，连接成CAN网络。
硬件电路的设计主要是CAN控制器与微机之间和CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路设计，CAN控制器是接口电路的核心，主要完成CAN通信协议，而CAN总线收发器的主要作用是增大通信距离，提高系统的抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰等。电源监视电路主要实现电路的监控和复位作用，防护电路主要是用TVS二极管保护外部静电破坏接口芯片。接口电路框图如图3所示。
柴油机控制器ECU采集柴油机内部的各项参数指标，如各种燃油压力、滑油压力、水温等柴油机参数，根据CAN传输协议将数据送到柴油机通信模块上的双口RAM中，微机系统再从双口RAM中取出这些参数，结合控制规范对柴油机及整个机车系统做出相应的切除和保护。 3.2 IO采集
IO采集分数字输入开光量的采集和触点输出控制，数字输入开关量的采集部分负责采集柴油机或者机车其他部分送入的24V开关量，采集处理为逻辑高电平‘1’和逻辑低电平‘0’，再将逻辑信号送入微机参与整车控制。
觸点输出是微机送入逻辑电平信号‘0’或者‘1’去驱动控制外部的器件。
3.3 柴油机转速调节
柴油机的转速是由柴油机控制器ECU来调节的，通过接收4～20mA的电流信号来调节不同的转速，而柴油机的转速与其输出的功率是有相对应的关系，机车整车控制中，司机的手柄档位是与柴油机的转速对应的。 因此，不同的司机手柄位对应这不同的转速，同时对应不对的输出功率，如何根据司机的手柄信号来输出柴油机调速电流信号，是通信模块要解决的问题。
微机检测来自司控器的档位编码信号，将档位编码信号转换为对应的柴油机转速给定信号，通过4～20mA电流信号控制柴油机转速，最终由柴油机控制器实现柴油机的调速，具体结构原理如图5所示。
微机CPU检测不同的手柄信号位给出对应的柴油机转速信号，通过并行总线将数据送入通信模块，经过总线反冲器后，转速信号存放在双口RAM中，单片机根据双口RAM中的转速信号输出对应的数字信号送给CPLD ，经过CPLD的逻辑时序匹配后送入D/A转换成模拟电压信号，其中一路隔离后V/I转换成对应的4～20mA信号来调速，另外3路用作其他模拟输出控制或预留。
3.4 PWM驱动
Pwm_in信号由外部微机CPU产生，经逻辑器件整形后，送给光耦隔离，隔离后送给MOSFET驱动芯片驱动输出，如图6所示。
4 模块功能测试验证
柴油机通信模块安装在微机控制箱内，利用微机及测试系统和微机测试软件对模块做功能验证，验证内容如下。
（1）CAN功能验证。
将2路CAN总线接口之间构成闭环连接，测试CAN总线的收发功能，若模块上CAN接口有数据交换，对应指示灯就会闪烁，证明功能正常。
（2）数字输入和触点输出。
将测试系统的数字输出与模块的数字输入的各个通道互联，利用PC机测试软件驱动测试台数字输出，检测模块的反馈情况。
（3）PWM输出。
由微机测试系统发出PWM波信号（占空比可调），测试模块的PWM输出情况，调节占空比，观察PWM输出的变化。
（4）模拟输出。
通过PC机给定额定U_OUT和I_OUT的值，然后将模块的实际输出值接入到微机进行检测，构成闭环，验证给定值与实际值是否一致。
具体验证测试方案接口如图7所示。
5 结语
本文的柴油机通信模块是基于内燃机车整车控制系统设计的，兼顾了功能性和可靠性设计，同时在接口方面做了一定的扩展，为以后的应用做了预留。该模块通过了功能调试，符合设计要求，能够实现微机与ECU之间的数据通信交换，能准确及时地采集输入信号和输出控制信号，能够实现柴油机转速的调节，已在多个具体项目中实施应用，具有良好的可靠性。
参考文献
[1] 单政华，张筠，冯静，等.新型电控柴油机标定系统通信模块的设计[J].车用发动机，2002（2）：1-4.
[2] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].第1版.北京：北京航空航天大学出版社，1996.
[3] 黄鹤，张平.基于CAN总线的智能柴油机转速传感器的研究[J].铁道机车车辆，2003（S1）：179-180，194.
[4] 谭文春，张金龙，唐航波，等.基于MC68376的高压共轨柴油机电控单元的设计[J].内燃机工程，2005（1）：11-15.
关键词：CAN总线 硬件设计 机车控制 转速调节 柴油机
中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）06（c）-0092-03
柴油机是内燃机车的核心部件，目前，大部分柴油机控制器ECU都是通过CAN总线与外部设备进行数据交换。内燃微机控制系统LCS是整车控制系统，它的主CPU通过背板并行总线与各种IO模块进行数据交换，并通过Lonworks或者MVB总线与机车上的显示器通信，所以，柴油机ECU和机车控制系统、显示器之间没有直接的数据交换方式。因此，如何实现机车控制系统LCS对柴油机的控制？如何将柴油机的各种参数人机交互至显示器上？本文开发的柴油机通信模块就能够解决上述问题。
1 系统概述
柴油机通信模块是基于机车控制系统LCS开发的，它放置于控制机箱中，与主控CPU通过系统背板并行总线进行数据交换，在模块中开发CAN通信接口，与ECU之间通过CAN接口通信。它的作用就是在柴油机控制器ECU与机车控制系统LCS之间架起一座桥梁，实现ECU与LCS、显示器之间的数据交换，系统结构如图1所示。
2 功能描述
2.1 模块功能需求
根据柴油机ECU的对外接口和LCS微机对外接口要求，对该模块做了如下功能要求。
（1）并行总线接口。
与微机主控板之间通过并行总线通信进行数据传输，并行总线包括数据总线DB[7：0]、地址总线AB[15：0]、控制总线如RD、WR、CS等信号。
（2）CAN总线接口。
具有2路CAN总线接口，与柴油机控制器ECU之间通过CAN总线实时通信交互控制，进行运行参数及故障信息的传递。
（3）IO处理。
对柴油机上的24V数字开关量进行采集并能够触点输出。检测24V司机手柄输入信号，并通过驱动常闭数字触点断开实现保护。
（4）柴油机转速调节。
接收来自司控器的档位编码信号，将档位编码信号转换为对应的柴油机转速给定信号，通过4～20mA电流信号控制柴油机转速，最终由柴油机控制器实现柴油机的调速。
（5）PWM信号驱动。
由微机CPU产生PWM波，驱动外部设备，如（转速调节、励磁控制等）。
2.2 总体设计
根据模块的功能设计，对硬件电路做规划，主要包括：电源电路、CAN控制器及隔离电路、单片机控制电路、双口RAM电路、逻辑处理电路、D/A转换电路和 PWM处理电路。硬件總体框图如图3所示。
3 硬件设计与实现
3.1 CAN总线接口
（1）CAN总线简介。
CAN（Control Area Network）是控制局域网的简称，CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的穿行通信网络，最初由德国Bosch公司80年代用于汽车内部测试盒控制仪器之间的数据通信。目前CAN总线规范已被国际标准化组织ISO制定为国际标准ISO11898，并得到Motorola，Intel，Philips等大型半导体器件生产厂家的支持，在工业过程控制领域，CAN得到了广泛的应用。
CAN网络上的节点不分主从，任一节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活，可以方便的组成多机备份系统。
CAN只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等方式传送收发数据，最远传输距离可达10km。CAN上的节点主要决定与总线驱动电路，目前可达110个，报文标识符可达2032中（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符基本不受限制。
（2）CAN接口实现。
CAN总线接口电路主要包括：单片机、控制器、总线收发器、看门口电路、光耦隔离电路和安全防护电路等。采用Philips公司的SJA1000控制器与其配套的总线收发器82C250，考虑到SJA1000支持CAN2.0A/B规约，按照CAN总线物理层协议选择总线介质，设计布线方案，连接成CAN网络。
硬件电路的设计主要是CAN控制器与微机之间和CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路设计，CAN控制器是接口电路的核心，主要完成CAN通信协议，而CAN总线收发器的主要作用是增大通信距离，提高系统的抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰等。电源监视电路主要实现电路的监控和复位作用，防护电路主要是用TVS二极管保护外部静电破坏接口芯片。接口电路框图如图3所示。
柴油机控制器ECU采集柴油机内部的各项参数指标，如各种燃油压力、滑油压力、水温等柴油机参数，根据CAN传输协议将数据送到柴油机通信模块上的双口RAM中，微机系统再从双口RAM中取出这些参数，结合控制规范对柴油机及整个机车系统做出相应的切除和保护。 3.2 IO采集
IO采集分数字输入开光量的采集和触点输出控制，数字输入开关量的采集部分负责采集柴油机或者机车其他部分送入的24V开关量，采集处理为逻辑高电平‘1’和逻辑低电平‘0’，再将逻辑信号送入微机参与整车控制。
觸点输出是微机送入逻辑电平信号‘0’或者‘1’去驱动控制外部的器件。
3.3 柴油机转速调节
柴油机的转速是由柴油机控制器ECU来调节的，通过接收4～20mA的电流信号来调节不同的转速，而柴油机的转速与其输出的功率是有相对应的关系，机车整车控制中，司机的手柄档位是与柴油机的转速对应的。 因此，不同的司机手柄位对应这不同的转速，同时对应不对的输出功率，如何根据司机的手柄信号来输出柴油机调速电流信号，是通信模块要解决的问题。
微机检测来自司控器的档位编码信号，将档位编码信号转换为对应的柴油机转速给定信号，通过4～20mA电流信号控制柴油机转速，最终由柴油机控制器实现柴油机的调速，具体结构原理如图5所示。
微机CPU检测不同的手柄信号位给出对应的柴油机转速信号，通过并行总线将数据送入通信模块，经过总线反冲器后，转速信号存放在双口RAM中，单片机根据双口RAM中的转速信号输出对应的数字信号送给CPLD ，经过CPLD的逻辑时序匹配后送入D/A转换成模拟电压信号，其中一路隔离后V/I转换成对应的4～20mA信号来调速，另外3路用作其他模拟输出控制或预留。
3.4 PWM驱动
Pwm_in信号由外部微机CPU产生，经逻辑器件整形后，送给光耦隔离，隔离后送给MOSFET驱动芯片驱动输出，如图6所示。
4 模块功能测试验证
柴油机通信模块安装在微机控制箱内，利用微机及测试系统和微机测试软件对模块做功能验证，验证内容如下。
（1）CAN功能验证。
将2路CAN总线接口之间构成闭环连接，测试CAN总线的收发功能，若模块上CAN接口有数据交换，对应指示灯就会闪烁，证明功能正常。
（2）数字输入和触点输出。
将测试系统的数字输出与模块的数字输入的各个通道互联，利用PC机测试软件驱动测试台数字输出，检测模块的反馈情况。
（3）PWM输出。
由微机测试系统发出PWM波信号（占空比可调），测试模块的PWM输出情况，调节占空比，观察PWM输出的变化。
（4）模拟输出。
通过PC机给定额定U_OUT和I_OUT的值，然后将模块的实际输出值接入到微机进行检测，构成闭环，验证给定值与实际值是否一致。
具体验证测试方案接口如图7所示。
5 结语
本文的柴油机通信模块是基于内燃机车整车控制系统设计的，兼顾了功能性和可靠性设计，同时在接口方面做了一定的扩展，为以后的应用做了预留。该模块通过了功能调试，符合设计要求，能够实现微机与ECU之间的数据通信交换，能准确及时地采集输入信号和输出控制信号，能够实现柴油机转速的调节，已在多个具体项目中实施应用，具有良好的可靠性。
参考文献
[1] 单政华，张筠，冯静，等.新型电控柴油机标定系统通信模块的设计[J].车用发动机，2002（2）：1-4.
[2] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].第1版.北京：北京航空航天大学出版社，1996.
[3] 黄鹤，张平.基于CAN总线的智能柴油机转速传感器的研究[J].铁道机车车辆，2003（S1）：179-180，194.
[4] 谭文春，张金龙，唐航波，等.基于MC68376的高压共轨柴油机电控单元的设计[J].内燃机工程，2005（1）：11-15.