canopen總線協議在地鐵通信網絡中的應用

1 引言

　　為了保障城軌列車的正常運行，必須有一套智能化、網絡化的系統專門負責列車各模塊的數據采集、分析，并對列車各設備實施監(jiān)測，以降低操作的復雜度，提高列車的安全性。為滿足上述需求，作為城軌列車車輛核心技術的列車通信網絡監(jiān)測技術應運而生。

　　列車通信網絡對列車的運行監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷以及旅客服務信息服務進行綜合處理。它應用多種總線技術把分布于各車廂內部、獨立完成特定功能的計算機互連起來形成一種工業(yè)局域網，以實現資源共享、協同工作、分散監(jiān)測和集中操作等目的。

　　在眾多應用于軌道交通車輛的現場總線中，can是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡，具有很高的時效性、可靠性、抗干擾能力和檢錯能力，且開發(fā)費用低[1]。但它只對網絡的物理層和數據鏈路層進行了規(guī)范，沒有對應用層做相應的說明。本文通過配置canopen網絡的數據接口，將現場控制級將地鐵各個部分如空調控制器、牽引控制單元、制動控制單元、門控單元等的主要參數采集并通過canopen總線發(fā)送到服務器。

2 canopen總體設計

　　can總線最初是由德國bosch公司為汽車監(jiān)控、控制電子系統的數據通信應用開發(fā)的，現已成為國際標準iso5011898(高速應用)和is011519(低速應用)，獲得了非常廣泛的應用。如果把can總線用作列車總線，需要合理定義can總線應用層協議，以便滿足列車總線的通信要求。由于can缺乏長報文大數據量消息傳輸能力和傳輸距離受限，所以在用作列車總線時需做一定的處理。

　　2.1 can總線應用層協議canopen描述

　　canopen的核心概念是設備對象字典 (object dictionary, od)，在其它現場總線(profibus，interbus-s)系統中也使用這種設備描述形式。注意，對象字典不是can的一部分，而是在canopen中實現的。

　　(1) 對象字典od:對象詞典位于通信層和用戶層之間，作用主要是為用戶提供服務接口(見圖1)。

圖1 canopen設備模型

　　(2)canopen通訊(通訊接口):canopen協議中將通訊對象分為四種：網絡管理對象(network management object, nmt)，服務數據對象(sdo)，過程數據對象(pdo)和預定義報文/特殊功能對象。網絡管理對象(nmt)：負責層管理，網絡管理和id分配。服務數據對象用于對象詞典中的項進行訪問，此類報文可以工作在預操作狀態(tài)和正常狀態(tài)。過程數據對象工作在正常操作狀態(tài)，可以傳送8個數據字節(jié)，也就是64個狀態(tài)位。通常用于實時數據傳送。

　　(3) canopen id描述:在canopen中，can報文id的配置存在以下三種形式：使用預定義的主/從連接模式，上電后當節(jié)點處于預設置狀態(tài)時，使用can應用層發(fā)行者(can application layer distributor, cal dbt)服務。

　　(4) canopen啟動機制:網絡初始化過程中，canopen支持最小boot-up機制和擴展boot-up機制，其中擴展boot-up是可選的，而所有canopen設備和節(jié)點都必須支持最小boot-up機制。

　　(5)總線仲裁機制:兩個或更多的結點在同時發(fā)送時產生的數據沖突問題使得總線必須有一個仲裁機制，如果發(fā)生沖突，可以可靠地分配總線給一個預備發(fā)送的結點。這個策略叫做總線仲裁。can總線使用一位一位的總線仲裁。當兩個can站同時發(fā)送時，顯性總線狀態(tài)決定了發(fā)送權力。通過監(jiān)視總線，當一個結點失去了總線仲裁時它立即偵察到并停止發(fā)送。當所有的結點都發(fā)送一個隱性位時總線只在隱性狀態(tài)。只要至少一個結點發(fā)送一個顯性位，整個總線電平就是顯性的。

3 網絡系統設計方案

　　3.1 列車現場控制級通信網絡

　　列車通信網絡設計以4輛地鐵列車車廂編組為對象，由兩個車輛單元組成，每一單元包含帶司機室的拖車(trail car with cab, tc)和帶受電弓的動車(motor car with pantograph, mp)。系統can總線網絡設計如圖2所示。

圖2 canopen列車通信網絡拓撲結構

　　列車通信網絡系統參照tcn配置，采用can總線，列車編組單元內車輛總線采用canopen協議。所設計的地鐵列車通信網絡系統是基于輕型、模塊化和分布式設計列車網絡采用兩級總線的層次結構。系統采用兩路can總線，將各子系統的控制單元合理分配到這兩路can總線上。每路can總線在mp(帶受電弓的動車)車上有一個中繼器，各個子系統提供的canopen接口連接到列車總線，傳遞控制數據和狀態(tài)數據。列車控制監(jiān)控系統監(jiān)視各個子系統設備，接收各個子系統的故障和狀態(tài)數據等，并可通過總線控制子系統完成相應的功能。該設計使得此網絡具有一定的通用性、可擴展性、高可靠性、實時性等特點。

　　網絡拓撲結構的選擇要考慮網絡的適應性、可靠性、可擴充性和性能，選擇合理的網絡拓撲結構，可實現機車設備級can總線網絡物理層的高可靠性。為了利用總線結構電纜長度短、布線容易、可靠性高、易于擴充等優(yōu)點，本文can總線網絡選擇了總線型網絡拓撲結構，它能夠更好地運行列車自動系統。

　　列車自動保護系統(automatic train protection, atp)，它保障地鐵列車運行的安全，檢測列車實際運行位置，自動確定列車最大安全運行速度，連續(xù)不間斷地實行速度監(jiān)督和超速防護，監(jiān)測列車運行間隔，以保證實現規(guī)定的行車間隔。

　　列車自動運行系統(automatic train operation, ato)，它代替司機自動駕駛，包括平滑加速、調速和車站程序定點停車。ato輔助atp工作，接受來自atp的信息，其中有atp速度指令、列車實際速度和列車運行距離。根據以上信息，ato通過牽引、制動線控制列車，使其維持在一個參考速度上運行；并在設有屏蔽門的站臺準確地停車[2]。

　　3.2 can總線網絡的冗余設計

　　為了提高can總線在機車惡劣電磁環(huán)境中通信的可靠性，最有效的方法就是總線冗余，總線冗余的方法可分為完全冗余和部分冗余。在整車層面即列車級can總線結構上，列車總線采用了兩路can總線，vcu也采用了互為主從的冗余結構[3]。即使一個主控vcu出現故障狀態(tài)，作為備用的從vcu也能將采集的數據送至司機顯示器(driver display unit, ddu)進行顯示，同時能將相應的控制指令發(fā)送到列車的各個設備。

　　在設備總級總線結構中，本文設計了一種can總線冗余方案，該方案采用了包括高速光耦、can收發(fā)芯片和cpu的兩套同樣的總線通信接口設備以及兩塊相同的cpu，但是兩塊cpu有主從之分，從功能和接口電路上講都有著很大的區(qū)別。同時，通過軟件上的設計實現錯誤判斷和競爭判斷所需的硬件電路，從而更加高效穩(wěn)妥地保證了總線通信的穩(wěn)定性。其原理圖如圖3所示。