CAN總線通信在全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳 真 王鎖平 梁慧娟

(上海亨鈞科技股份有限公司，上海 200949)

CAN總線通信在全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳 真 王鎖平 梁慧娟

(上海亨鈞科技股份有限公司，上海 200949)

CAN總線通信在鐵路信號相關(guān)系統(tǒng)中被普遍采用，但受通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量和通信速率限制，其應(yīng)用受到一定限制。在全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用二級CAN總線架構(gòu)模式和排隊(duì)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)CAN總線在多節(jié)點(diǎn)、實(shí)時性應(yīng)用條件下的穩(wěn)定通信，并在冗余線路的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高可靠性的數(shù)據(jù)通信。

CAN總線；多通信節(jié)點(diǎn)；全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)

1 概述

CAN總線是一種廣泛應(yīng)用于高可靠性場合的串行現(xiàn)場總線，具備高實(shí)時性、強(qiáng)抗干擾能力和保證數(shù)據(jù)可達(dá)等特點(diǎn)。在鐵路領(lǐng)域中，廣泛應(yīng)用在車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、微機(jī)監(jiān)測、機(jī)車車輛等系統(tǒng)中。隨著信號系統(tǒng)產(chǎn)品在智能化方向的快速發(fā)展，系統(tǒng)中的通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量大幅增加，尤其在全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖應(yīng)用環(huán)境下，通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量已遠(yuǎn)超過CAN總線110個節(jié)點(diǎn)的上限。因此，合理的通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多節(jié)點(diǎn)下的通信實(shí)時性保證，是CAN總線在全電子聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)用中重點(diǎn)考慮的問題。

2 全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明

圖1是全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，其中聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算部分采用冗余二取二結(jié)構(gòu)安全平臺，安全平臺之間通過冗余光纖通道同步；執(zhí)行部分采用全電子執(zhí)行單元，執(zhí)行單元的種類包括道岔模塊、信號模塊、軌道模塊、零散模塊和通信網(wǎng)關(guān)。模塊控制對象數(shù)量如下：

圖1 全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

道岔模塊：一組道岔；

信號模塊：一架列車/兩架調(diào)車；

軌道模塊：兩條軌道電路；

網(wǎng)關(guān)模塊：一個插箱放置16個模塊，配置兩個獨(dú)立網(wǎng)關(guān)模塊。

模塊按照站場設(shè)計(jì)，靈活安裝在獨(dú)立插箱中，安全平臺和執(zhí)行單元之間的通信采用冗余CAN總線通信。另外，電子模塊通過專屬電務(wù)維護(hù)CAN總線，將模擬量和診斷信息發(fā)送至電務(wù)維修機(jī)監(jiān)測機(jī)。

3 通信設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

在全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖應(yīng)用環(huán)境下，需要重點(diǎn)考慮CAN總線的多節(jié)點(diǎn)通信問題，以及由其引起的通信實(shí)時性、數(shù)據(jù)傳輸可靠性等關(guān)聯(lián)問題。下面針對這些問題重點(diǎn)描述。

3.1 多通信節(jié)點(diǎn)問題處理

CAN總線的通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量在理論上不受限制，但實(shí)際應(yīng)用為不超過110個節(jié)點(diǎn)。對于多節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用需求，通常的做法是在滿足應(yīng)用要求的情況下，劃分為多層網(wǎng)絡(luò)。在全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，充分考慮聯(lián)鎖系統(tǒng)的實(shí)時性要求，并依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量，將聯(lián)鎖安全平臺和全電子執(zhí)行單元之間的CAN通信網(wǎng)絡(luò)劃分為二級網(wǎng)絡(luò)。第一級從聯(lián)鎖安全平臺到通信網(wǎng)關(guān)，第二級從通信網(wǎng)關(guān)到電子模塊。

將全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量設(shè)定為150組道岔規(guī)模的站場，道岔、信號、軌道數(shù)量按照1∶2∶2的比例估算，最多可接入500個電子模塊，約為32個插箱。

通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 安全平臺和執(zhí)行單元之間的通信結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)分為32×16的兩層網(wǎng)絡(luò)，以滿足設(shè)計(jì)容量需求。第一層為聯(lián)鎖安全平臺和通信網(wǎng)關(guān)之間的通信，采用冗余配置，如圖2中CAN1、CAN2所示，聯(lián)鎖安全平臺接入兩條總線，通信網(wǎng)關(guān)只接入單條總線；第二層為插箱內(nèi)部通信網(wǎng)關(guān)和電子模塊之間的通信，冗余配置，插箱之間彼此隔離，如圖2中CAN3、CAN4所示，電子模塊和網(wǎng)關(guān)模塊均接入兩條總線。圖中各總線之間彼此隔離。

通信過程中，網(wǎng)關(guān)模塊緩沖16個全電子執(zhí)行單元的實(shí)時數(shù)據(jù)，當(dāng)通信網(wǎng)關(guān)收到來自聯(lián)鎖安全平臺的數(shù)據(jù)輪詢幀后，將16個模塊的數(shù)據(jù)一次性發(fā)送給聯(lián)鎖安全平臺。反之，通信網(wǎng)關(guān)將聯(lián)鎖安全平臺的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給電子模塊。

3.2 通信實(shí)時性、可靠性問題

3.2.1 實(shí)時性設(shè)計(jì)

CAN總線自身具備仲裁機(jī)制和沖突檢測機(jī)制，常規(guī)而言，不需要進(jìn)行額外的通信沖突消解措施，就能確保通信數(shù)據(jù)的可達(dá)性。但在多節(jié)點(diǎn)情況下，容易引起數(shù)據(jù)傳輸延遲和數(shù)據(jù)丟失情況的出現(xiàn)。原因是受限于總線通信吞吐總量的制約和通信線路長度的影響，導(dǎo)致通信節(jié)點(diǎn)由于優(yōu)先級別低而無法及時搶占總線的情況發(fā)生，以至于引發(fā)通信數(shù)據(jù)延遲。更甚者，當(dāng)新聯(lián)鎖周期到來時，會把上個周期因?yàn)檠舆t沒有發(fā)送成功的數(shù)據(jù)丟棄，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。因此，在周期性實(shí)時系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要通過優(yōu)化通信以杜絕此類情況的出現(xiàn)。

在實(shí)時以太網(wǎng)中，為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目蛇_(dá)性，在以太網(wǎng)沖突檢測機(jī)制的基礎(chǔ)上，對通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，并在通信過程中，以該排隊(duì)順序依次收發(fā)數(shù)據(jù)，從而徹底解決數(shù)據(jù)沖突和傳輸延遲問題，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時通信。全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的CAN總線通信采用了類似的做法：以CAN節(jié)點(diǎn)ID劃分通信網(wǎng)關(guān)優(yōu)先級，組成順序的收發(fā)數(shù)據(jù)隊(duì)列。當(dāng)通信網(wǎng)關(guān)收到聯(lián)鎖安全平臺廣播發(fā)送的數(shù)據(jù)輪詢幀之后，各個網(wǎng)關(guān)首先進(jìn)行時間同步，之后按照順序，以5 ms為間隔順序排隊(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)。如此一來，CAN總線中的每個通信節(jié)點(diǎn)，都獲得了均等的通信機(jī)會，同時實(shí)現(xiàn)通信延遲時間的確定性，達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸限時可達(dá)的效果。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)周期為200～400 ms，經(jīng)過排隊(duì)優(yōu)化后的通信機(jī)制，完全符合聯(lián)鎖系統(tǒng)的實(shí)時性要求。

3.2.2 可靠性設(shè)計(jì)

此外，在全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，通過以下措施提高通信可靠性：

1）降額設(shè)計(jì)。全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的通信應(yīng)用條件符合CAN總線1 M的速度環(huán)境要求，出于可靠性考慮，采用降額設(shè)計(jì)，將通信速率設(shè)置為500 kbit/s。同時，經(jīng)過排隊(duì)機(jī)制處理后，在某一確定時刻，確保只有一個節(jié)點(diǎn)獨(dú)占總線，凈化總線環(huán)境，降低了位級別錯誤發(fā)生的概率。

2）隔離冗余網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。聯(lián)鎖安全平臺和全電子執(zhí)行單元之間為隔離的雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，其中通信網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了雙網(wǎng)絡(luò)的物理隔離，有效避免了電子模塊插箱的通信共因故障。插箱中的每一個模塊通過冗余CAN總線同時收發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了線路冗余和數(shù)據(jù)冗余。

3）數(shù)據(jù)冗余和時間冗余設(shè)計(jì)。受CAN總線通信帶寬和聯(lián)鎖周期高實(shí)時性限制，當(dāng)發(fā)生節(jié)點(diǎn)通信失敗后，很難實(shí)現(xiàn)單一周期內(nèi)的數(shù)據(jù)重傳機(jī)制。因此，采用數(shù)據(jù)冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)一條線路的數(shù)據(jù)錯誤時，采用第二條冗余線路的數(shù)據(jù)。如果兩條線路的數(shù)據(jù)均錯誤，則在聯(lián)鎖處理中采用時間冗余的處理方式，丟棄本周期數(shù)據(jù)，等待接收下一周期數(shù)據(jù)。

4）優(yōu)化布局布線。嚴(yán)格遵循CAN總線布線規(guī)范，做到最優(yōu)的阻抗匹配，分支線路最短，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電分線槽隔離等。

另外，通信協(xié)議按照EN50159設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了安全通信。

4 總結(jié)

CAN總線通信非常適合高可靠性的應(yīng)用場景，特別是其數(shù)據(jù)傳輸?shù)目蛇_(dá)性，以及故障后自動脫離總線的特性，尤其適合計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、列控等安全相關(guān)的應(yīng)用場景。通過分層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、排隊(duì)機(jī)制和增強(qiáng)的可靠性措施，可以有效突破CAN總線通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)量限制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，確保在全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)用條件下通信的高可靠性。采用該通信機(jī)制的全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)已在現(xiàn)場成功應(yīng)用，從實(shí)踐效果看，CAN總線在十幾組道岔規(guī)模的小站，以及一百多道岔規(guī)模的大站，運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB/T 3027-2002計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件[S].北京：中國鐵道出版社，2002.

[2]歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會.EN 50129 鐵路應(yīng)用—通信、信號和處理系統(tǒng)—與安全相關(guān)的電子信號系統(tǒng)[S].2003.

[3]歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會.EN 50159 鐵路應(yīng)用—通信、信號和處理系統(tǒng)—封閉通信系統(tǒng)中的安全通信[S].2010.

CAN bus is widely used in railway signal-related systems, but its applications are restricted by the limitation of the maximum number of communication nodes and communication rate. In the design of the full electronic computer interlocking system, the stability of CAN bus communication in multinode and real-time application condition is realized by two-level CAN bus architecture model and queuing mechanism, and the high reliability of data communication based on the redundant lines is also realized.

CAN bus; multiple communication nodes; full electronic computer interlocking system

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.006

2016-10-24）