基于CANopen总线协议的城市地铁数据通信网设计

该列车通信网络系统参照TCN(Topology Change Notification)配置，采用的是CAN总线，列车编组单元内的车辆总线采用CANopen协议。
所设计的地铁列车通信网络系统是基于轻型、模块化和分布式设计，列车网络采用两级总线的层次结构。本系统采用两路CAN总线来将各子系统的控制单元合理地分配到这两路CAN总线上。每路CAN总线在Mp(带受电弓的动车)车上有一个中继器，各个子系统提供的CANopen接口都连接
到列车总线，以便于传递控制数据和状态数据。列车控制监控系统可监视各子系统设备，同时接收各子系统的故障和状态数据，并通过总线控制子系统以完成相应的功能。
一般情况下，在选择网络拓扑结构时，应考虑到网络的适应性、可靠性、可扩充性等性能，以选择合理的网络拓扑结构，从而实现机车设备级CAN总线网络物理层的高可靠性。本文选择的CAN总线型网络拓扑结构能够更好地运行列车自动系统，其中包括列车自动保护系统(ATP)和列车自动运行系统(ATO)。
2．2 VCU控制单元
城市地铁列车网络的硬件系统通常由列车车辆控制单元(VCU)，远程输入输出模块(RemoteI／O Module，RIOM)，司机显示单元(DDU)，列车通信中继器(Repeater)等组成。其中列车车辆控制单元(VCU)用于通过车辆总线连接各子设备，负责列车网络中各种数据的传输和管理，列车车辆控制单元与列车各子系统通信，可以采集列车运行时各子系统的数据，并将相应的控制指令发送到各子系统，以便对列车各设备实施列车级控制。VCU可选用高性能的列车专用PLC来实现。列车上的两台VCU分为强主VCU和弱主VCU，两个VCU互为冗余。在强主VCU工作时，弱主VCU一直处于侦听状态，同时也可接收网络上传送的任何数据，但不行使网络管理和控制功能。只有当强主VCU发生故障时，弱主VCU将马上自动接替强主VCU工作，从而保证列车的正常运行。
2．3 配置过程
本设计在CANopen通信网络的基础上，以牵引系统为例来设计牵引系统与控制单元之间的通信网络接口，然后由列车主控制器VCU完成监测过程中数据的处理和虚拟仪器的工作。图3所示是由VCU完成监测控制的程序流程图。

当系统进行完网络管理状态转换之后，即可对控制系统节点启动配置过程，具体步骤是在DCU不在线时，由VCU通过SDO周期性询问DCU
是否在线；如果DCU已经连接到CAN总线上，则由DCU响应VCU的SDO请求；之后，再由VCU配置DCU的Rx PDO和Tx PDO，对象为14xxh和18xxh；之后由VCU配置DCU的消费者心跳，对象为1016h；同时由VCU配置DCU的生产者心跳，对象为1017h；最后，由VCU启动DCU系统。此时，DCU系统将处于预操作模式，之后，DCU系统将进入操作阶段，这时，PDO就能够进行交换了。
在CANopen网络对牵引的控制过程中，其传输的数据类型有过程数据(PDO)、服务数据(SDO)、网络管理数据(NMT)、时间戳(TimeStamp)和心跳数据(Heart-Beat)。其中过程数据用于传输DCU状态数据、故障数据、控制指令等；服务数据指的是DCU系统所提供的一个SDO信道，这个信道用于网络配置；网络管理表示VCU使用NMT对象来管理和控制DCU通信；时间戳的作用主要是为了同步，通常VCU会周期性地广播一个标准的时间戳到DCU，以便使DCU实时时钟与VCU同步；此外，系统中的DCU也将周期性地产生一个心跳信息，这样，VCU就可以通过检测DCU心跳信息来了解其状态；反之亦然。

3 结束语
利用CANopen总线网络拓扑结构能很好地连接城市轨道列车的各个数据模块。另外，CANopen总线强大的数据传输能力，也可以让列车通信模块变得容易扩充。应当说明的是，CANopen总线协议的接口配置对不同的应用系统各有不同，而不同的配置也会影响通信速率，因此，只有合理配置，才能保证整个列车通信系统的正常工作。