基于CAN-bus現(xiàn)場總線智能門控器的動態(tài)ID配置

徐華

摘要：目前應(yīng)用于地鐵站臺門的門控器（DCU）多采用CAN-bus現(xiàn)場總線進(jìn)行通訊?，F(xiàn)在國內(nèi)外市場中，各品牌DCU產(chǎn)品多采用手動方式逐個設(shè)置ID，這種設(shè)置方式調(diào)試效率低下、人工成本高。本文提出了一種可動態(tài)配置CAN總線節(jié)點ID的技術(shù)：只需要整側(cè)DCU全部上電即可實現(xiàn)所有DCU的ID自動配置。該技術(shù)摒棄了以往DCU逐個設(shè)置ID的缺點，可有效提高調(diào)試人員的調(diào)試效率。

Abstract： At present， The door controllers （DCU） used in subway platform doors mostly use CAN-bus field bus for communication.At present in domestic and foreign markets， each brand of DCU products uses manual methods to set the ID one by one，which results in low debugging efficiency and high labor costs. This paper proposes a technology that can dynamically configure the CAN bus node ID： all the DCU need to be powered on to realize the automatic ID configuration of all DCU.This technology abandons the shortcomings of setting ID one by one in the DCU in the past， which can effectively improve the debugging efficiency of the debugger.

關(guān)鍵詞：DCU;CAN-bus;動態(tài)ID

Key words： DCU;CAN-bus;Dynamic ID

0 ?引言

目前，越來越多的城市正在嘗試構(gòu)建智能城市軌道交通系統(tǒng)，大力推廣無人駕駛等新型智能技術(shù)。而地鐵車輛門與站臺門系統(tǒng)作為城市軌道交通的重要組成部分，探尋一種更為安全有效可靠的智能門控器具有重要意義。本文針對目前市場中大部分基于CAN現(xiàn)場總線進(jìn)行通訊的DCU在安裝調(diào)試時需要調(diào)試人員逐個進(jìn)行節(jié)點ID配置這一現(xiàn)狀，提出一種可動態(tài)智能配置ID的技術(shù)。該技術(shù)采用基于CAN總線的硬線時間片時序控制技術(shù)來實現(xiàn)ID動態(tài)分配。

1 ?門控器ID配置現(xiàn)狀

1.1 應(yīng)用環(huán)境

目前，國內(nèi)外應(yīng)用于地鐵車輛門和站臺門的DCU基本采用CAN總線進(jìn)行通訊。國內(nèi)地鐵車輛多為6節(jié)車輛編組，共48扇車輛門，對應(yīng)的地鐵站上下行站臺門各24扇，即每一側(cè)需24個DCU進(jìn)行控制，該24個DCU使用一條CAN總線進(jìn)行通訊。

1.2 CAN特性

根據(jù)CAN總線協(xié)議可知，CAN總線有以下幾個特點：多主工作方式、節(jié)點分優(yōu)先級、非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機(jī)制、廣播方式傳送數(shù)據(jù)等等。單一CAN總線可以接入多個節(jié)點。當(dāng)CAN總線空閑時，所有節(jié)點都可以發(fā)送消息，當(dāng)多個節(jié)點同時發(fā)送消息時，根據(jù)節(jié)點ID值進(jìn)行判斷，ID值最小的節(jié)點獲得優(yōu)先權(quán)。另外，CAN總線上的消息時是以廣播的形式進(jìn)行傳送的，所有的節(jié)點都可以監(jiān)聽到發(fā)送方發(fā)送到總線上的數(shù)據(jù)。

正是CAN的這些特性，使用兩根線就能組網(wǎng)眾多節(jié)點，布線簡單，很適用于節(jié)點多、對實時性要求高、數(shù)據(jù)量又不大的場合。同時，可以看到，CAN節(jié)點的ID非常重要，它是系統(tǒng)正常通信的前提。不僅表明節(jié)點的身份，更是影響仲裁優(yōu)先級。

1.3 ID配置方式

1.3.1 撥碼開關(guān)方式

CAN節(jié)點（本文為DCU）在進(jìn)行硬件設(shè)計時，加入撥碼開關(guān)。后期使用時，人工通過設(shè)置撥碼開關(guān)來逐個配置CAN的ID。

優(yōu)點：設(shè)計簡單，操作門檻低。

缺點：人工配置，容易配錯ID，導(dǎo)致節(jié)點ID重復(fù);撥碼開關(guān)對外開放，無私密性，任何人都可以操作，容易被誤改。

成本：需要撥碼開關(guān)和多路輸入電路。

1.3.2 硬線配置方式

CAN節(jié)點在進(jìn)行硬件設(shè)計時，預(yù)留多路硬線輸入接口。后期使用時，通過硬線高低電平來配置CAN的ID。

優(yōu)點：設(shè)計簡單，且具有一定的私密性。

缺點：線纜較多，施工復(fù)雜，人工接線容易出錯。

成本：需要多路硬線輸入接口和多路電纜線，成本高。

1.3.3 地面軟件維護(hù)

在調(diào)試階段，使用串口或其他通信方式，連接電腦，人工通過專用維護(hù)軟件來逐個配置CAN的ID。

優(yōu)點：配置接口相對隱蔽，不容易被無關(guān)人員誤改。

缺點：操作需要帶電腦，并且逐一手工設(shè)置，操作不便，效率低。

成本：需要配套的通訊接口和配套的地面維護(hù)軟件，設(shè)計成本高。

1.3.4 手機(jī)軟件維護(hù)

可以看成是“地面軟件維護(hù)”的一種優(yōu)化，用手機(jī)替代筆記本電腦。

優(yōu)點：一定程度上方便了調(diào)試人員。

缺點：還是無法避免開屏蔽門的蓋板、需要手工逐個設(shè)置等問題。

成本：需要配套的通訊接口和配套的地面維護(hù)軟件，設(shè)計成本高。

1.4 小結(jié)

國內(nèi)外市場中，各品牌DCU產(chǎn)品多采用手動方式逐個設(shè)置ID，安裝好的DCU需由調(diào)試人員手動逐個進(jìn)行ID配置。而一條地鐵線往往有著數(shù)十個站點，也就是說有著成百上千個DCU需要調(diào)試人員逐個去配置，這一工作量是十分巨大和繁瑣的，人工設(shè)置方式造成施工或調(diào)試效率低下、人工成本高。

隨著城市軌道交通建設(shè)愈來愈趨向于智能化，探尋一款更為智能的DCU，由此具有了重要意義。

2 ?方案設(shè)計

基于上述現(xiàn)狀，本文提出一種基于CAN總線通訊DCU的動態(tài)ID配置設(shè)計方案：基于現(xiàn)有DCU連接方式，引入輔助硬線進(jìn)行控制的方式以實現(xiàn)動態(tài)ID配置。連接示意圖如圖1所示。

該方案原理如下：在整側(cè)DCU使用硬線串聯(lián)起來后，將初始節(jié)點端DCU1的輸入硬線0接入輸入電源;如圖2所示，當(dāng)整側(cè)DCU同時上電后，硬線0會在t0（t0根據(jù)實際情況設(shè)置，如2s）內(nèi)被置高，DCU1檢測到硬線信號0后寫入ID1，隨后DCU1通過CAN總線廣播ID2，并在t0后發(fā)出硬線信號1（高電平），DCU2同時接收到廣播信號ID2和硬線信號1后，寫入ID2;與DCU1相同，DCU2在配置完ID2后通過CAN總線廣播ID3，并在t0后發(fā)出硬線信號2（高電平），DCU3同時接收到廣播信號ID3和硬線信號2后，寫入ID3;后續(xù)DCU依次類推進(jìn)行ID配置，直至整側(cè)DCU全部配置完成。

該方案中，第一個DCU和后面其它的DCU的ID信號來源不同，為了使第一個DCU的軟件與其他DCU軟件一致，增加了t0時間。DCU在上電的t0時間內(nèi)識別到硬線信號，則認(rèn)為是DCU1，可以只憑硬線信號更改ID。其他時間內(nèi)，需要硬線信號和ID信號共同決定。

如圖3所示為本文設(shè)計方案的流程圖。

3 ?應(yīng)用驗證

3.1 實驗室測試

根據(jù)設(shè)計方案，現(xiàn)對其進(jìn)行應(yīng)用驗證，如圖4所示，測試使用四個CAN節(jié)點，現(xiàn)將該4個CAN節(jié)點連接至同一CAN總線中，并根據(jù)上述方案引入硬線，同時使用CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備將CAN總線與計算機(jī)連接，通過調(diào)試軟件進(jìn)行測試。DCU設(shè)置ID后會發(fā)出“11 22 33 44 55 66 77 88”的數(shù)據(jù)幀，上位機(jī)軟件將其轉(zhuǎn)換為“88+ID幀+數(shù)據(jù)幀”。

根據(jù)方案，對DCU進(jìn)行上電，如圖5所示，四個CAN節(jié)點分別寫入了“00 00 00 01”、“00 00 00 02”、“00 00 00 03”、“00 00 00 04”ID值。

3.2 現(xiàn)場驗證及效果比較

上電幾秒后，全部DCU自動配置ID完畢，PSA上顯示所有DCU在線（綠色），如圖6所示。

效率分析：本方案整個過程花費(fèi)幾十秒時間。如果采用以往傳統(tǒng)方式，按照一個門單元10分鐘計算，需要8個小時。顯然，本方案效率大大提高。

成本分析：本方案DCU需要增加一路輸入和一路輸出，通常DCU都有多余的輸入輸出接口，相比其他方案，也有一定優(yōu)勢。

可靠性分析：本方案ID由軟件自動配置，無需人工介入，不會出現(xiàn)因配錯ID導(dǎo)致ID重復(fù)、遺漏等問題。

4 ?結(jié)論

本文在分析現(xiàn)有地鐵站臺門等DCU其基于CAN總線上節(jié)點ID配置方案的基礎(chǔ)上，主要研究了一種更為簡便的動態(tài)ID配置方案。并通過搭建實驗平臺和現(xiàn)場調(diào)試進(jìn)行驗證。最終結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果，為以后地鐵站臺門或車輛門DCU在CAN總線ID配置時提供了一種可行方案，也為其他領(lǐng)域類似應(yīng)用提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]周立功.項目驅(qū)動：CAN-bus現(xiàn)場總線基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[2]Brochi A M， Behrens F H. Multi-Frame and Frame Streaming in a Controller Area Network（CAN） with Flexible Data-Rate （FD）：US， 9425992B2[P].2016-08-23.

[3]崔知進(jìn).現(xiàn)場總線技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].上海海事大學(xué)學(xué)報，2008，3：20-45.

[4]姜同穩(wěn).CAN總線特點與RS-485總線性能的比較分析[J].電子世界，2014（4）：271.