canopen總線(xiàn)協(xié)議在地鐵通信網(wǎng)絡(luò )中的應用

1 引言

　　為了保障城軌列車(chē)的正常運行，必須有一套智能化、網(wǎng)絡(luò )化的系統專(zhuān)門(mén)負責列車(chē)各模塊的數據采集、分析，并對列車(chē)各設備實(shí)施監測，以降低操作的復雜度，提高列車(chē)的安全性。為滿(mǎn)足上述需求，作為城軌列車(chē)車(chē)輛核心技術(shù)的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )監測技術(shù)應運而生。

　　列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )對列車(chē)的運行監測、狀態(tài)監測、故障診斷以及旅客服務(wù)信息服務(wù)進(jìn)行綜合處理。它應用多種總線(xiàn)技術(shù)把分布于各車(chē)廂內部、獨立完成特定功能的計算機互連起來(lái)形成一種工業(yè)局域網(wǎng)，以實(shí)現資源共享、協(xié)同工作、分散監測和集中操作等目的。

　　在眾多應用于軌道交通車(chē)輛的現場(chǎng)總線(xiàn)中，can是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )，具有很高的時(shí)效性、可靠性、抗干擾能力和檢錯能力，且開(kāi)發(fā)費用低[1]。但它只對網(wǎng)絡(luò )的物理層和數據鏈路層進(jìn)行了規范，沒(méi)有對應用層做相應的說(shuō)明。本文通過(guò)配置canopen網(wǎng)絡(luò )的數據接口，將現場(chǎng)控制級將地鐵各個(gè)部分如空調控制器、牽引控制單元、制動(dòng)控制單元、門(mén)控單元等的主要參數采集并通過(guò)canopen總線(xiàn)發(fā)送到服務(wù)器。

2 canopen總體設計

　　can總線(xiàn)最初是由德國bosch公司為汽車(chē)監控、控制電子系統的數據通信應用開(kāi)發(fā)的，現已成為國際標準iso5011898(高速應用)和is011519(低速應用)，獲得了非常廣泛的應用。如果把can總線(xiàn)用作列車(chē)總線(xiàn)，需要合理定義can總線(xiàn)應用層協(xié)議，以便滿(mǎn)足列車(chē)總線(xiàn)的通信要求。由于can缺乏長(cháng)報文大數據量消息傳輸能力和傳輸距離受限，所以在用作列車(chē)總線(xiàn)時(shí)需做一定的處理。

　　2.1 can總線(xiàn)應用層協(xié)議canopen描述

　　canopen的核心概念是設備對象字典 (object dictionary, od)，在其它現場(chǎng)總線(xiàn)(profibus，interbus-s)系統中也使用這種設備描述形式。注意，對象字典不是can的一部分，而是在canopen中實(shí)現的。

　　(1) 對象字典od:對象詞典位于通信層和用戶(hù)層之間，作用主要是為用戶(hù)提供服務(wù)接口(見(jiàn)圖1)。

圖1 canopen設備模型

　　(2)canopen通訊(通訊接口):canopen協(xié)議中將通訊對象分為四種：網(wǎng)絡(luò )管理對象(network management object, nmt)，服務(wù)數據對象(sdo)，過(guò)程數據對象(pdo)和預定義報文/特殊功能對象。網(wǎng)絡(luò )管理對象(nmt)：負責層管理，網(wǎng)絡(luò )管理和id分配。服務(wù)數據對象用于對象詞典中的項進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，此類(lèi)報文可以工作在預操作狀態(tài)和正常狀態(tài)。過(guò)程數據對象工作在正常操作狀態(tài)，可以傳送8個(gè)數據字節，也就是64個(gè)狀態(tài)位。通常用于實(shí)時(shí)數據傳送。

　　(3) canopen id描述:在canopen中，can報文id的配置存在以下三種形式：使用預定義的主/從連接模式，上電后當節點(diǎn)處于預設置狀態(tài)時(shí)，使用can應用層發(fā)行者(can application layer distributor, cal dbt)服務(wù)。

　　(4) canopen啟動(dòng)機制:網(wǎng)絡(luò )初始化過(guò)程中，canopen支持最小boot-up機制和擴展boot-up機制，其中擴展boot-up是可選的，而所有canopen設備和節點(diǎn)都必須支持最小boot-up機制。

　　(5)總線(xiàn)仲裁機制:兩個(gè)或更多的結點(diǎn)在同時(shí)發(fā)送時(shí)產(chǎn)生的數據沖突問(wèn)題使得總線(xiàn)必須有一個(gè)仲裁機制，如果發(fā)生沖突，可以可靠地分配總線(xiàn)給一個(gè)預備發(fā)送的結點(diǎn)。這個(gè)策略叫做總線(xiàn)仲裁。can總線(xiàn)使用一位一位的總線(xiàn)仲裁。當兩個(gè)can站同時(shí)發(fā)送時(shí)，顯性總線(xiàn)狀態(tài)決定了發(fā)送權力。通過(guò)監視總線(xiàn)，當一個(gè)結點(diǎn)失去了總線(xiàn)仲裁時(shí)它立即偵察到并停止發(fā)送。當所有的結點(diǎn)都發(fā)送一個(gè)隱性位時(shí)總線(xiàn)只在隱性狀態(tài)。只要至少一個(gè)結點(diǎn)發(fā)送一個(gè)顯性位，整個(gè)總線(xiàn)電平就是顯性的。

3 網(wǎng)絡(luò )系統設計方案

　　3.1 列車(chē)現場(chǎng)控制級通信網(wǎng)絡(luò )

　　列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )設計以4輛地鐵列車(chē)車(chē)廂編組為對象，由兩個(gè)車(chē)輛單元組成，每一單元包含帶司機室的拖車(chē)(trail car with cab, tc)和帶受電弓的動(dòng)車(chē)(motor car with pantograph, mp)。系統can總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設計如圖2所示。

圖2 canopen列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

　　列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )系統參照tcn配置，采用can總線(xiàn)，列車(chē)編組單元內車(chē)輛總線(xiàn)采用canopen協(xié)議。所設計的地鐵列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )系統是基于輕型、模塊化和分布式設計列車(chē)網(wǎng)絡(luò )采用兩級總線(xiàn)的層次結構。系統采用兩路can總線(xiàn)，將各子系統的控制單元合理分配到這兩路can總線(xiàn)上。每路can總線(xiàn)在mp(帶受電弓的動(dòng)車(chē))車(chē)上有一個(gè)中繼器，各個(gè)子系統提供的canopen接口連接到列車(chē)總線(xiàn)，傳遞控制數據和狀態(tài)數據。列車(chē)控制監控系統監視各個(gè)子系統設備，接收各個(gè)子系統的故障和狀態(tài)數據等，并可通過(guò)總線(xiàn)控制子系統完成相應的功能。該設計使得此網(wǎng)絡(luò )具有一定的通用性、可擴展性、高可靠性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。

　　網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的選擇要考慮網(wǎng)絡(luò )的適應性、可靠性、可擴充性和性能，選擇合理的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，可實(shí)現機車(chē)設備級can總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )物理層的高可靠性。為了利用總線(xiàn)結構電纜長(cháng)度短、布線(xiàn)容易、可靠性高、易于擴充等優(yōu)點(diǎn)，本文can總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )選擇了總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，它能夠更好地運行列車(chē)自動(dòng)系統。

　　列車(chē)自動(dòng)保護系統(automatic train protection, atp)，它保障地鐵列車(chē)運行的安全，檢測列車(chē)實(shí)際運行位置，自動(dòng)確定列車(chē)最大安全運行速度，連續不間斷地實(shí)行速度監督和超速防護，監測列車(chē)運行間隔，以保證實(shí)現規定的行車(chē)間隔。

　　列車(chē)自動(dòng)運行系統(automatic train operation, ato)，它代替司機自動(dòng)駕駛，包括平滑加速、調速和車(chē)站程序定點(diǎn)停車(chē)。ato輔助atp工作，接受來(lái)自atp的信息，其中有atp速度指令、列車(chē)實(shí)際速度和列車(chē)運行距離。根據以上信息，ato通過(guò)牽引、制動(dòng)線(xiàn)控制列車(chē)，使其維持在一個(gè)參考速度上運行；并在設有屏蔽門(mén)的站臺準確地停車(chē)[2]。

　　3.2 can總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的冗余設計

　　為了提高can總線(xiàn)在機車(chē)惡劣電磁環(huán)境中通信的可靠性，最有效的方法就是總線(xiàn)冗余，總線(xiàn)冗余的方法可分為完全冗余和部分冗余。在整車(chē)層面即列車(chē)級can總線(xiàn)結構上，列車(chē)總線(xiàn)采用了兩路can總線(xiàn)，vcu也采用了互為主從的冗余結構[3]。即使一個(gè)主控vcu出現故障狀態(tài)，作為備用的從vcu也能將采集的數據送至司機顯示器(driver display unit, ddu)進(jìn)行顯示，同時(shí)能將相應的控制指令發(fā)送到列車(chē)的各個(gè)設備。

　　在設備總級總線(xiàn)結構中，本文設計了一種can總線(xiàn)冗余方案，該方案采用了包括高速光耦、can收發(fā)芯片和cpu的兩套同樣的總線(xiàn)通信接口設備以及兩塊相同的cpu，但是兩塊cpu有主從之分，從功能和接口電路上講都有著(zhù)很大的區別。同時(shí)，通過(guò)軟件上的設計實(shí)現錯誤判斷和競爭判斷所需的硬件電路，從而更加高效穩妥地保證了總線(xiàn)通信的穩定性。其原理圖如圖3所示。