基于CAN總線與以太網(wǎng)的地鐵車輛運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)研究*

王 爽

(遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 遼寧錦州 121000)

在故障診斷技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及控制技術(shù)的融合下衍生出了地鐵車輛診斷、檢測和控制系統(tǒng)，其主要的技術(shù)手段就是車載微機(jī)，通過在車輛內(nèi)部進(jìn)行應(yīng)用地鐵車輛總線就可以綜合處理服務(wù)信息、機(jī)車狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、運(yùn)行控制、車輛控制等[1-2]。

目前主流的地鐵車輛監(jiān)控系統(tǒng)的總線有MVB和WTB專用總線和CAN通用總線等。作為專門為通信網(wǎng)所指定的兩種標(biāo)準(zhǔn)，在最初制定MVB和WTB的過程中從車輛級和列車級兩個方面進(jìn)行了具體和明確的定義，由于這種開發(fā)產(chǎn)品只在通信網(wǎng)中應(yīng)用，因此相比于其他幾種通用總線，其經(jīng)濟(jì)性、供貨商以及使用范圍存在著一定的缺陷[3]。作為始終能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時控制和分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，在開發(fā)費(fèi)用上相比于其他現(xiàn)場總線CAN總線比較低，因此在連接一些分布式控制應(yīng)用設(shè)備時能夠發(fā)揮比較好的效果，因此在地鐵通信網(wǎng)絡(luò)中有比較大的應(yīng)用優(yōu)勢[4]。

因此，研究一種基于CAN總線和以太網(wǎng)的地鐵車輛監(jiān)控系統(tǒng)，并使用雙CAN驅(qū)動器進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。

1 運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

塞拉門故障、塞拉門工況、照明和供電工況、空調(diào)的采暖工況以及溫度顯示等都屬于車輛的監(jiān)控對象。作為一種面向工業(yè)底層控制的通信網(wǎng)絡(luò)，CAN總線所具有的特點(diǎn)和性質(zhì)對于車輛總線的通信是比較合適的，所以在布置總線的過程中既可以采集到數(shù)字量的數(shù)據(jù)變量，也可以采集到模擬量的數(shù)據(jù)變量[5-6]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通常情況下車輛具有比較多的監(jiān)控對象以及較大的網(wǎng)絡(luò)通信量。同時，由于車輛編組是隨時變化的，在動態(tài)配置網(wǎng)絡(luò)的過程中網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)必須要嚴(yán)格按照設(shè)定器中設(shè)定的編組和車號來進(jìn)行，這樣才能夠適用于編組經(jīng)常變化的情況。由于拓?fù)湫詮?qiáng)以及傳輸速率高是以太網(wǎng)所具有的主要特點(diǎn)，因此在總線網(wǎng)中應(yīng)用比較廣泛[7]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

CAN總線是本系統(tǒng)底層通信網(wǎng)絡(luò)所采用的主要通信方式，實(shí)現(xiàn)與電氣控制設(shè)備的連接。通過工業(yè)以太網(wǎng)上層網(wǎng)絡(luò)可以與遠(yuǎn)程的監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行連接，所以在所有的車廂中都需要通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)上層網(wǎng)絡(luò)和底層網(wǎng)絡(luò)之間的連接。Ethernet監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以及CAN現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)可以通過CAN/Ethernet網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行連接，在轉(zhuǎn)換完成工業(yè)與總線的協(xié)議以后就能夠?qū)崟r的監(jiān)控[8]。

1.2 雙CAN總線冗余

為保證車輛運(yùn)行安全，要求監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€車輛進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，為防止單條CAN總線故障導(dǎo)致整個監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓，文中研究的車輛運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)采用雙CAN總線冗余設(shè)計(jì)。兩個CAN總線控制器。兩個CAN總線驅(qū)動器以及兩條CAN總線是CAN控制器冗余的主要部分,兩個CAN控制器由不同的端口和中斷進(jìn)行控制[9-10]。CAN冗余控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CAN冗余控制器

利用CAN驅(qū)動器和控制器能夠?qū)崿F(xiàn)CAN通信,其中數(shù)據(jù)鏈路層CAN的交換可以通過CAN控制器來實(shí)現(xiàn),物理信號的交換可以通過驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)。冷冗余和熱冗余是兩種主要的工作方式。在熱冗余操作的過程中同時運(yùn)行冗余的備份系統(tǒng),這樣能夠有效保證無擾通信的實(shí)現(xiàn),具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高以及切換延遲小的優(yōu)點(diǎn),但是功耗比較大;當(dāng)采用冷冗余方式時,一系統(tǒng)工作正常,本分系統(tǒng)不上電,如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障就想備份系統(tǒng)工作方式進(jìn)行切換,采用這種方法雖然消耗的能量較小,但是會出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失[11]。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

主要針對基于CAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)控制器的硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，底層的傳感器與CAN控制器的連接不在此贅述。

2.1 監(jiān)測裝置硬件

車輛監(jiān)測裝置總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由CPU單元、傳感模塊、控制模塊和供電模塊以及通信模塊組成。CPU單元主要由STM32核心處理器、數(shù)據(jù)存儲器和A/D轉(zhuǎn)換電路等組成。傳感模塊包括溫濕度檢測、煙霧檢測、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測等多種檢測模塊?？刂颇K主要由隔離電路和各個被控對象組成。

圖3 監(jiān)測裝置總體結(jié)構(gòu)

2.2 CAN控制器硬件

使用LPC2294芯片實(shí)現(xiàn)雙CAN總線冗余的硬件結(jié)構(gòu)。兩路 CAN寄存器的尋址可以通過接收 CPU 的指令來進(jìn)行控制，這樣狀態(tài)信息和中斷信息就可以提供給CPU，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)過濾器和寄存器的驗(yàn)收。利用查找表的方式RAM就能夠提供相應(yīng)的報文過濾機(jī)制。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用CAN 控制器的微控制器能夠?qū)ο到y(tǒng)抗干擾能力進(jìn)行增強(qiáng)、對系統(tǒng)功耗進(jìn)行降低，同時還能夠減少制版面積[12]。雙CAN總線冗余的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 雙CAN總線冗余的硬件結(jié)構(gòu)

CAN收發(fā)器接口電路如圖5所示。作為CAN收發(fā)器，TJA1050就能夠轉(zhuǎn)換微控制器輸出的TTL電平，這樣總線就能夠獲得不同的接收和發(fā)送性能，其中一個大小為 5 Ω的電阻與CAN_L和CAN_H分別串聯(lián)，能夠發(fā)揮限流的效果，這樣過大的電流就不會過流沖擊TJA1050[13]。另外一方面，CAN 收發(fā)器所使用的環(huán)境具有較大的干擾，因此為了達(dá)到防電磁輻射以及濾出高頻干擾的作用，可以將兩個30 PF的小電容分別并聯(lián)在地與CAN_L和CAN_H之間。

圖5 CAN收發(fā)器接口電路

2.3 以太網(wǎng)接口硬件電路

以太網(wǎng)接口電路圖如圖6所示。使用DM9000A實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口。將RJ-45連接器于變壓器放置在貼近的地方，在DM9000A的RX+和TX+的附近放置50 Ω的電阻，將變壓器與兩個引腳之間連接，這樣就可以避免使用過孔，不要將電源和地平面放置在變壓器和RJ-45之間，保證機(jī)架和所有信號線都具有較遠(yuǎn)的距離[14]。通過2 kV的旁路電容以及電阻就可以將機(jī)架地與所有沒有使用的引腳級RJ-45連接器連接起來。通過靜態(tài)總線FSMC可以實(shí)現(xiàn)處理器和DM9000A之間的連接。

圖6 以太網(wǎng)接口電路

3 CAN冗余收發(fā)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)

3.1 CAN總線數(shù)據(jù)接收

如果系統(tǒng)中的兩個CAN控制器都在接收狀態(tài)下進(jìn)行工作就會出現(xiàn)以下3種情況：首先是正常工作的情況，這樣兩個控制器都能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，丟棄CAN控制器數(shù)據(jù)的同時可以取用CAN控制器數(shù)據(jù)；然后是主CAN控制器沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，數(shù)據(jù)主要是從控制器接收，另外主CAN控制器的狀態(tài)寄存器并沒與出現(xiàn)錯誤的標(biāo)志，這是主CAN通道無法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)前工作通道替代了CAN通道，然后向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)；最后，雖然主CAN設(shè)備可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，但是錯誤標(biāo)志在狀態(tài)寄存器中出現(xiàn)，主要原因是通道上數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，當(dāng)前工作通道替代CAN進(jìn)行通道，并向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)[15]。這是主CAN通道轉(zhuǎn)變?yōu)榱藗溆猛ǖ?。CAN總線冗余數(shù)據(jù)接收流程如圖7所示。

3.2 CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送

如果系統(tǒng)中的兩個CAN控制器都在發(fā)送狀態(tài)下工作,就會出現(xiàn)以下兩種情況:首先,正常工作狀態(tài)下數(shù)據(jù)只在主CAN設(shè)備中發(fā)送,當(dāng)CAN設(shè)備處于偵聽狀態(tài)時就開始進(jìn)行工作;然后如果在主CAN控制器的狀態(tài)寄存器中存在錯誤標(biāo)志,工作狀態(tài)就會替代CAN設(shè)備,然后向總線傳輸數(shù)據(jù)[16]。CAN總線冗余數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖8所示。

圖7 CAN總線冗余數(shù)據(jù)接收流程

圖8 CAN總線冗余數(shù)據(jù)發(fā)送流程

3.3 主從CAN總線切換機(jī)制

采用文獻(xiàn)[17]中所述的通過定時發(fā)送廣播幀的方法判別總線故障。通過網(wǎng)關(guān)向主CAN定時發(fā)送特定的廣播幀，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)中N個CAN節(jié)點(diǎn)收到特定廣播幀后響應(yīng)的應(yīng)答幀數(shù)量，設(shè)定為N1，通過比較網(wǎng)絡(luò)中CAN節(jié)點(diǎn)個數(shù)N和收到應(yīng)答幀數(shù)N1來確定主CAN和從CAN的切換。在從CAN工作時，再次通過網(wǎng)關(guān)向從CAN定時發(fā)送特定的廣播幀，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)中N個CAN節(jié)點(diǎn)收到特定廣播幀后響應(yīng)的應(yīng)答幀數(shù)量，設(shè)定為N2，通過比較N2與N1來確定主CAN和從CAN的切換。當(dāng)使用從CAN總線后，要重啟主CAN控制器，再次通過比較N2與N1來確定主CAN總線是否工作正常，以此來消除由于短暫干擾引起的主CAN總線故障誤判。主CAN總線和從CAN總線切換機(jī)制如圖9所示。

4 監(jiān)控系統(tǒng)通訊測試

在試驗(yàn)室模擬車輛運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信測試。通信測試主要針對CAN節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控上位機(jī)的通信，實(shí)物如圖10所示。

通訊測試主要由監(jiān)控上位機(jī)、路由器、通信網(wǎng)關(guān)、CAN收發(fā)模塊、CAN節(jié)點(diǎn)控制器組成。試驗(yàn)主要分為3類：試驗(yàn)1，單CAN總線通信；試驗(yàn)2，雙CAN總線通信；試驗(yàn)3，雙CAN總線通信，期間突然斷掉其中一條總線。

圖9 主CAN總線和從CAN總線切換機(jī)制

圖10 通訊測試實(shí)物

試驗(yàn)1和試驗(yàn)2主要對比單雙CAN總線通信的可靠性。單雙CAN總線通信的可靠性Rs1(t)和Rs2(t)計(jì)算方法如下：

Rs1(t)=Rw(t)×Rc(t)

Rs2(t)=Rw(t)×[1-(1-Rc(t))2]

式中Rw(t)和Rc(t)分別為CAN節(jié)點(diǎn)控制器和驅(qū)動器的可靠度。

分別使用單、雙CAN總線系統(tǒng)發(fā)送10節(jié)車廂的監(jiān)控信息，并由監(jiān)控上位機(jī)采集消息的響應(yīng)時間，若響應(yīng)時間低于25 ms，則認(rèn)為消息是可靠的。試驗(yàn)時長設(shè)定為1 000 min，得到的單、雙CAN總線系統(tǒng)可靠度曲線如圖11所示。

從單、雙CAN總線系統(tǒng)可靠度曲線可以看出，每個時間段雙總線冗余系統(tǒng)的可靠度要優(yōu)于單總線系統(tǒng)。如果加長試驗(yàn)時間，則單、雙CAN總線系統(tǒng)可靠度區(qū)別將更加明顯。

在進(jìn)行試驗(yàn)3時，首先使用雙CAN總線進(jìn)行通信，CAN節(jié)點(diǎn)的顯示屏上顯示出節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)為主CAN總線通信中，如圖12(a)所示。當(dāng)突然斷開其中一條總線，CAN節(jié)點(diǎn)的顯示屏上顯示出節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)為從CAN總線通信中，如圖12(b)所示。說明該節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)依然有效，驗(yàn)證了雙CAN總線冗余系統(tǒng)的可靠性。

圖11 單、雙CAN總線系統(tǒng)可靠度曲線

圖12 CAN總線通信試驗(yàn)3

5 結(jié) 論

研究一種基于CAN總線和以太網(wǎng)的地鐵車輛監(jiān)控系統(tǒng)，并使用雙CAN驅(qū)動器進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。主要針對基于CAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)控制器的雙總線CAN控制器和以太網(wǎng)接口硬件電路以及CAN冗余收發(fā)數(shù)據(jù)軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后通過試驗(yàn)方法對基于雙CAN總線冗余系統(tǒng)的車輛運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：各個時間段雙總線冗余系統(tǒng)的可靠度要優(yōu)于單總線系統(tǒng)。如果加長試驗(yàn)時間，則單、雙CAN總線系統(tǒng)可靠度區(qū)別將更加明顯。當(dāng)突然斷開系統(tǒng)中主CAN總線，節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)依然有效，驗(yàn)證了雙CAN總線冗余系統(tǒng)的可靠性。

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