磁浮列車同步485通信方式的研究

　　在高速磁浮交通系統(tǒng)中，車載測速定位單元對車輛的位置和速度進(jìn)行實時測量，并將位置和速度信號通過無線電系統(tǒng)傳送至地面上的牽引控制系統(tǒng)和運(yùn)行控制系統(tǒng)，以用于長定子直線同步電機(jī)牽引的反饋控制及車輛運(yùn)行的指揮和安全防護(hù)。測速定位單元是牽引和運(yùn)控系統(tǒng)閉環(huán)控制的核心和關(guān)鍵。

　　測速定位單元緊鄰懸浮電磁鐵及長定子繞組和鐵心，處于懸浮磁場和牽引磁場中，電磁環(huán)境非常復(fù)雜，對其通信設(shè)備的電磁兼容性能提出了很高的要求。另外，為滿足牽引控制系統(tǒng)的需求，測速定位信號的精度要求相當(dāng)高。因此，對測速定位信號傳輸?shù)乃俣?、實時性及可靠性都有非常高的要求。

1同步485的實現(xiàn)方法

　　考慮到測速定位單元的工作環(huán)境及通信功能需求，在選擇其與車載無線電系統(tǒng)之間的通信方式時，經(jīng)過分析和比較，決定采用傳輸速率較高的同步通信方式，并使用屏蔽性能較好的雙絞線實現(xiàn)RS-485平衡型差分傳輸。

　　1.1 接口設(shè)計及通信協(xié)議

　　測速定位單元與車載無線電控制單元之間的通信接口關(guān)系如圖1所示。車載無線電控制單元為主控方，車輛測速與定位單元為受控方。通信雙方均由收發(fā)器和控制器構(gòu)成，收發(fā)器之間采用RS-485同步串行接口方式，每個接口有4對差分線。

圖1 通信接口關(guān)系示意圖

　　圖1中，CLK為時鐘信號，ANF為無線電請求信號，UEF為門控信號，DATA為數(shù)據(jù)信號。車輛測速定位單元每20ms向無線電控制單元發(fā)送一次數(shù)據(jù)，傳輸速率為512kbps。為了防止信號干擾的小脈沖，ANF信號的寬度為10個CLK信號;在ANF信號變?yōu)榈托盘柡螅却?0個CLK信號寬度后，UEF才開始跳變?yōu)橛行?。ANF、UEF、DATA信號均在CLK的上升沿變化，在無信號傳輸時，UEF、DATA、ANF均為低電平，時鐘信號保持傳輸。數(shù)據(jù)傳輸時，采用左移方式，即先傳高位，后傳低位。信息幀格式如表1所示：

　　表1 信息幀格式

1.2 同步485的收發(fā)器實現(xiàn)

　　在本文所論述的通信系統(tǒng)中，在車輛測速定位單元及車載無線電控制單元雙方均采用Xilinx公司的XC2S100作為通信的收發(fā)器，模擬同步485的發(fā)送與接收時序。同步485的FPGA設(shè)計主要是基于Verilog 硬件描述語言，所使用的EDA工具包括ISE（含其內(nèi)部集成工具）、Modelsim。

　?。?）時鐘及定時信號的的產(chǎn)生：

　　對于車載無線電控制單元需要產(chǎn)生512k速率的時鐘信號與20ms一次的ANF（無線電請求）信號。另外，對于該單元在串行接收定位數(shù)據(jù)時其接收時鐘應(yīng)為512k（波特率時鐘）的16倍，即8M。因此，分頻器在同步485通信方式中得到廣泛應(yīng)用。

　　1） 偶數(shù)分頻較為簡單，只需設(shè)計一個計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，待計數(shù)至分頻數(shù)的二分之一時使分頻后的時鐘電平翻轉(zhuǎn)即可;奇數(shù)分頻較為復(fù)雜，因為計數(shù)器不能對非整數(shù)進(jìn)行計數(shù)，需使用一定的算法進(jìn)行處理。對奇數(shù)分頻模塊進(jìn)行功能仿真后的波形如圖2所示：

圖2 分頻模塊仿真波形

　　2） ANF信號的產(chǎn)生：ANF信號每隔20ms發(fā)送一次，每次發(fā)送脈寬為10個時鐘周期。ANF信號的產(chǎn)生可以分成兩部分實現(xiàn)，首先產(chǎn)生每隔20ms的脈沖信號，然后把此脈沖信號的寬度變成10個時鐘周期。