CANopen總線在地鐵車輛中的應(yīng)用

【摘要】分析了地鐵車輛級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用NI（美國國家儀器）硬件，自主開發(fā)CANopen應(yīng)用層協(xié)議。測試效果表明總線通訊數(shù)據(jù)正常，未出現(xiàn)錯誤幀，誤碼率低，通訊質(zhì)量好。

【關(guān)鍵詞】地鐵網(wǎng)絡(luò)；CANopen；Labview

一、概述

為提高主機廠系統(tǒng)集成能力和對部件供應(yīng)商的控制能力，自主研發(fā)國產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。依托NI（美國國家儀器）公司強大的硬件實力，自主開發(fā)軟件，搭建有自主知識產(chǎn)權(quán)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

車輛級的網(wǎng)絡(luò)采用CANopen以及HDLC485，分別負擔(dān)不同的設(shè)備，這部分CANopen是在標(biāo)準(zhǔn)的CAN模塊上進行的二次開發(fā)，適應(yīng)范圍相對更廣范。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)見圖1：

本系統(tǒng)CANopen總線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

二、CANopen總線概述

CAN（Controller Area Network）現(xiàn)場總線僅僅定義了第1層、第2層（見ISO11898標(biāo)準(zhǔn)）；實際設(shè)計中，這兩層完全由硬件實現(xiàn)，設(shè)計人員無需再為此開發(fā)相關(guān)軟件（Software）或固件（Firmware）。CANopen是在CAN基礎(chǔ)上開發(fā)的，使用了CAN通訊和服務(wù)協(xié)議子集，提供了分布式控制系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方案。CANopen在保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點互用性的同時允許節(jié)點的功能隨意擴展。

CAN（Controller area network）最初是由德國BOSCH公司于1986年為解決現(xiàn)代汽車中眾多測量控制部件之間的數(shù)據(jù)交換問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線?，F(xiàn)已成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898（高速應(yīng)用）和ISO11519（低速應(yīng)用），獲得了非常廣泛的應(yīng)用，CAN總線在列車通信中也得到了應(yīng)用。CAN作為數(shù)字式串行通信技術(shù)，在可靠性、實時性和靈活性方面具有獨特的優(yōu)勢。

三、CANopen總線系統(tǒng)設(shè)計

（一）系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件選用NI（美國國家儀器）公司的CompactRIO系列產(chǎn)品，質(zhì)量可靠，振動沖擊和電磁兼容等參數(shù)均符合地鐵車輛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)要求，可靠性高。控制器選用CompactRIO9074，其帶有8個擴展槽，用來擴展模塊。擴展模塊9853是專用的標(biāo)準(zhǔn)高速CAN模塊（包括兩路獨立的CAN接口），在CAN的基礎(chǔ)上自主開發(fā)CANopen系統(tǒng)。

NI CompactRIO是一款工業(yè)級嵌入式測控系統(tǒng)，集成了嵌入式實時（Real-time）控制器、可編程硬件邏輯（FPGA）和可重配置的I/O模塊。由于采用嵌入式設(shè)計，整個系統(tǒng)具有低功耗的優(yōu)點，而創(chuàng)新的集成FPGA更使系統(tǒng)具備高速并行的運算能力。NI CompactRIO系統(tǒng)設(shè)計精巧而堅固，支持熱插拔的I/O模塊內(nèi)置了信號調(diào)理和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，可直接與外部的傳感器/驅(qū)動器互聯(lián)。NI CompactRIO和Labview開發(fā)環(huán)境無縫連接是用戶可以輕松的通過圖形化開發(fā)環(huán)境訪問底層硬件，快速建立嵌入式系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，可大大縮短設(shè)計系統(tǒng)原型的時間，降低系統(tǒng)開發(fā)、生產(chǎn)的技術(shù)風(fēng)險。實時控制器和FPGA具備以下功能特點：

1.實時控制器（Real-Time Control，RT）

（1）內(nèi)置主頻高達800M的微處理器和VxWorks實時操作系統(tǒng)；

（2）系統(tǒng)進程調(diào)度完全按照優(yōu)先級進行，不會“死機”；

（3）系統(tǒng)確定性、可靠性高，循環(huán)周期抖動在微秒量級；

（4）可通過USB接口、SD存儲模塊或網(wǎng)絡(luò)硬盤等方式擴展數(shù)據(jù)存儲容量。

2.FPGA

（1）提供大容量的可編程邏輯陣列，40MHZ基準(zhǔn)時鐘，可滿足復(fù)雜的高速并行處理要求；

（2）以25ns時間分辨率執(zhí)行定時、觸發(fā)和自定義控制循環(huán)，實現(xiàn)高確定、高可靠性的硬件決策；

（3）FPGA直接與IO模塊互聯(lián)，可進行高速的數(shù)據(jù)采集、計算和控制操作PID控制速率高達200KHZ。

（二）系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件使用Labview編程實現(xiàn)。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。

LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。前面板創(chuàng)建完畢后，便可使用圖形化的函數(shù)添加源代碼來控制前面板上的對象。在程序框圖上添加圖形化代碼，即G代碼或程序框圖代碼。因此又被稱作程序框圖代碼。

軟件設(shè)計又分為FPGA編程和RT編程。由于FPGA的運行速度快，在FPGA上主要實現(xiàn)對CAN端口的讀寫和數(shù)據(jù)存儲工作；在RT上主要實現(xiàn)CANopen應(yīng)用層的協(xié)議。

由于車輛上的子系統(tǒng)應(yīng)用的是非標(biāo)準(zhǔn)的CANopen協(xié)議，根據(jù)給出的通訊規(guī)格書編寫軟件。軟件流程圖如圖2所示。

四、應(yīng)用測試

（一）總線物理層測試

CAN總線節(jié)點的收發(fā)環(huán)節(jié)通過CAN-High（CANH）和CAN-Low（CANL）兩條線路被動的連接到總線電纜上。實際的數(shù)據(jù)傳輸采用具有良好干擾免疫性的差分電壓信號。在這個過程中，兩條總線電纜之間的電壓差被計算。為了表示總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，ISO1898中定義了兩個不同的差分電壓范圍，也就是隱形和顯性的總線等級。

由以上波形可以看出，總線電壓波形正常，電壓等級符合ISO1898標(biāo)準(zhǔn)。

（二）總線應(yīng)用層測試

用以確定從站工作正常，通訊周期正常，總線干擾情況：

1.用CANalyzer記錄總線通訊數(shù)據(jù)

選取其中部分?jǐn)?shù)據(jù)（如圖6所示）。

2.誤碼率測試

由CANalyzer分析總線數(shù)據(jù)得出：

由以上數(shù)據(jù)可以看出，總線通訊數(shù)據(jù)正常，未出現(xiàn)錯誤幀，誤碼率低，通訊狀態(tài)良好。

五、結(jié)束語

自主開發(fā)的CANopen總線能正常有效的工作，總線負載率低，總線干擾對通訊影響小，在測試期間未出現(xiàn)錯誤幀，總線運行狀態(tài)良好。

自主開發(fā)的CANopen總線有以下幾個優(yōu)勢：

（1）靈活性高，可以與標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)的CAN-open總線通訊，更能適用于現(xiàn)車實際情況（現(xiàn)車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的并不是標(biāo)準(zhǔn)CANopen總線），可以方便的與第三方非標(biāo)準(zhǔn)的CANopen接口連接。

（2）自主性高，可以及時快速的響應(yīng)通訊協(xié)議內(nèi)容改動，及時更新軟件版本。

參考文獻

[1]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計從入門到精通[M].清華大學(xué)出版社，2007.

[2]饒運濤.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]CIA，CANopen Application Layer and Communication Profile[M].1-312.

作者簡介：

尹法偉（1981—），男，山東青島人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于南車青島四方機車車輛股份有限公司。

王云飛（1982—），男，山東齊河人，碩士，工程師，現(xiàn)供職于南車青島四方機車車輛股份有限公司。

楊朝青（1983—），男，吉林長春人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于南車青島四方機車車輛股份有限公司。