基于CAN總線的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖通信系統(tǒng)研究

蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 馬龍珠

1.引言

鐵路信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是一種以計(jì)算機(jī)為主要技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)車站聯(lián)鎖的系統(tǒng)，是保障行車安全的基礎(chǔ)設(shè)備之一。

全電子化連鎖系統(tǒng)把現(xiàn)代最新技術(shù)，如計(jì)算機(jī)硬軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電力電子控制技術(shù)、現(xiàn)場總線等融為一體。通過監(jiān)測并記錄信號(hào)設(shè)備的主要運(yùn)狀態(tài)，為電務(wù)部門掌握設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)和進(jìn)行事故分析提供科學(xué)依據(jù)。鑒于此系統(tǒng)對安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性的高要求。CAN總線具有通信速率高、可靠性強(qiáng)、連接方便、性能價(jià)格比高等諸多特點(diǎn)，此系統(tǒng)采用了CAN總線作為現(xiàn)場總線進(jìn)行聯(lián)鎖系統(tǒng)數(shù)據(jù)間的通信。

2.CAN總線

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，與一般通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的性能，可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性好。其特點(diǎn)可以概括如下：

(1)通信方式靈活。CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)的向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，且無需占地址等節(jié)點(diǎn)信息。利用這一點(diǎn)可以方便的構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。

(2)CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求。

(3)CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地推出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間，尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。

(4)CAN總線通信格式采用短幀格式，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，每幀信息都有都有CRC校驗(yàn)及其他校驗(yàn)措施，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

(5)CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等多項(xiàng)工作。

3.CAN總線協(xié)議的實(shí)時(shí)性

CAN通信協(xié)議是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型基礎(chǔ)上，只包含其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層主要是網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)間的物理數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)鏈路層又分為邏輯鏈路控制子層（LLC）和媒體訪問控制子層（MAC）。MAC子層主要完成傳送的功能，可進(jìn)行消息成幀、總線仲裁、幀應(yīng)答、錯(cuò)誤檢錯(cuò)與標(biāo)定。LLC子層的主要功能是消息的邏輯管理，如幀濾波、超載通知和恢復(fù)管理等。

當(dāng)總線上同時(shí)出現(xiàn)多條報(bào)文競爭發(fā)送的情況時(shí)，CAN總線協(xié)議將逐位進(jìn)行比較，根據(jù)顯性位和隱性位的仲裁原則，顯性位得到發(fā)送。這樣，高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文可以在仲裁的過程中一邊比較一邊進(jìn)行傳輸，而不需要等到仲裁完成后才決定哪條報(bào)文能夠發(fā)送。與其他總線相比，這種機(jī)制大大提高了CAN總線通訊系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

4.CAN總線在全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CAN總線通過安全型協(xié)議實(shí)現(xiàn)與聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)和電子執(zhí)行單元之間的通信，主要實(shí)現(xiàn)將聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)下達(dá)的聯(lián)鎖命令向電子執(zhí)行單元下發(fā)和將電子執(zhí)行單元采集到的鐵路信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)上傳至聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)，如果通信傳輸發(fā)生錯(cuò)誤引起數(shù)據(jù)畸變，使執(zhí)行機(jī)錯(cuò)誤輸出造成道岔錯(cuò)誤動(dòng)作或信號(hào)機(jī)錯(cuò)誤開放，就會(huì)危及到行車的安全，故采用雙機(jī)熱備方式進(jìn)行工作，聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)與電子執(zhí)行單元之間采用兩路CAN總線通信。聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)主系與電子執(zhí)行單元之間通信故障但聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)備系與電子執(zhí)行單元之間通信正常時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)主備切換。

全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1：

4.2 聯(lián)鎖通信系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容如圖2：

信號(hào)設(shè)備狀態(tài)信息包括信號(hào)機(jī)、道岔、區(qū)段、進(jìn)路的狀態(tài)信息，其中信號(hào)機(jī)的狀態(tài)信息包括信號(hào)顯示，燈絲狀態(tài)，道岔的狀態(tài)信息有定位、反位、四開、擠岔、封鎖、單鎖，區(qū)段的狀態(tài)信息為占用狀態(tài)，進(jìn)路為鎖閉狀態(tài)。

聯(lián)鎖控制命令包括道岔轉(zhuǎn)換命令、道岔單鎖命令、道岔單解命令、道岔封鎖命令、道岔封解命令、信號(hào)顯示改變命令。

4.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

聯(lián)鎖機(jī)采用研華CPCI高可靠工業(yè)計(jì)算機(jī)，CAN通信協(xié)議主要由CAN控制器完成，本系統(tǒng)的CAN控制器采用SJA1000，是由Philips公司生產(chǎn)的高集成度的總線通信控制器。SJA1000具有BasicCAN和PeliCAN兩種工作方式。其中PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN2.0b協(xié)議。它可以和多種CPU接口構(gòu)成CAN節(jié)點(diǎn)，并利用CAN通信協(xié)議控制局域網(wǎng)的通信。

4.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)

操作系統(tǒng)采用Wind River公司的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks5.5.1，該操作系統(tǒng)可靠性好，實(shí)時(shí)性高。

系統(tǒng)通信要求：聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)能夠及時(shí)的接收電子執(zhí)行單元的狀態(tài)信息，定時(shí)向電子執(zhí)行單元發(fā)送聯(lián)鎖控制命令。電子執(zhí)行單元能夠及時(shí)的接收聯(lián)鎖機(jī)的控制命令，定時(shí)向聯(lián)鎖機(jī)發(fā)送信號(hào)設(shè)備狀態(tài)信息。系統(tǒng)通信周期為250ms。

圖1 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 聯(lián)鎖通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容

圖3 數(shù)據(jù)使用和轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)軟件主要完成各種通信參數(shù)、任務(wù)、定時(shí)器等初始化后實(shí)現(xiàn)三方面的功能：與聯(lián)鎖機(jī)的CAN通信接口實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖命令的接收和執(zhí)行單元狀態(tài)的發(fā)送，與電子執(zhí)行單元的CAN通信接口實(shí)現(xiàn)執(zhí)行單元聯(lián)鎖命令的發(fā)送和執(zhí)行單元狀態(tài)的接收功能，雙機(jī)熱備的同步和切換功能。因此系統(tǒng)的主要功能模塊有：

(1)聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)通信接口模塊：接收聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)命令和發(fā)送執(zhí)行單元狀態(tài)；

(2)電子執(zhí)行單元通信接口模塊：向執(zhí)行單元發(fā)送聯(lián)鎖命令和接收并校核來自執(zhí)行單元的狀態(tài)；

(3)雙機(jī)熱備同步與切換模塊：實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備的同步與切換。

系統(tǒng)工作采用多任務(wù)實(shí)現(xiàn)：

聯(lián)鎖命令發(fā)送任務(wù)(tCmdSend)：實(shí)現(xiàn)對接收到的聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)的安全數(shù)據(jù)進(jìn)行解析；然后根據(jù)系統(tǒng)主備工作狀態(tài)判斷是否向執(zhí)行單元發(fā)送聯(lián)鎖命令，若發(fā)送則將解析后的命令，生成安全CAN命令幀，利用兩路CAN通道逐個(gè)下發(fā)到電子執(zhí)行單元。

執(zhí)行單元狀態(tài)接收任務(wù)(tStatRcv)：對兩路CAN通道分別建立一個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行單元狀態(tài)的接收，并將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全校核，校核通過的狀態(tài)數(shù)據(jù)寫入執(zhí)行單元狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)的使用和轉(zhuǎn)換如圖3所示。

5.結(jié)束語

綜上所述，在全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中利用CAN總線進(jìn)行通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足其高可靠性和實(shí)時(shí)性的要求。為鐵路信號(hào)產(chǎn)品的升級(jí)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

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