canopen总线协议在地铁通信网络中的应用

1 引言

　　为了保障城轨列车的正常运行，必须有一套智能化、网络化的系统专门负责列车各模块的数据采集、分析，并对列车各设备实施监测，以降低操作的复杂度，提高列车的安全性。为满足上述需求，作为城轨列车车辆核心技术的列车通信网络监测技术应运而生。

　　列车通信网络对列车的运行监测、状态监测、故障诊断以及旅客服务信息服务进行综合处理。它应用多种总线技术把分布于各车厢内部、独立完成特定功能的计算机互连起来形成一种工业局域网，以实现资源共享、协同工作、分散监测和集中操作等目的。

　　在众多应用于轨道交通车辆的现场总线中，can是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，具有很高的时效性、可靠性、抗干扰能力和检错能力，且开发费用低[1]。但它只对网络的物理层和数据链路层进行了规范，没有对应用层做相应的说明。本文通过配置canopen网络的数据接口，将现场控制级将地铁各个部分如空调控制器、牵引控制单元、制动控制单元、门控单元等的主要参数采集并通过canopen总线发送到服务器。

2 canopen总体设计

　　can总线最初是由德国bosch公司为汽车监控、控制电子系统的数据通信应用开发的，现已成为国际标准iso5011898(高速应用)和is011519(低速应用)，获得了非常广泛的应用。如果把can总线用作列车总线，需要合理定义can总线应用层协议，以便满足列车总线的通信要求。由于can缺乏长报文大数据量消息传输能力和传输距离受限，所以在用作列车总线时需做一定的处理。

　　2.1 can总线应用层协议canopen描述

　　canopen的核心概念是设备对象字典 (object dictionary, od)，在其它现场总线(profibus，interbus-s)系统中也使用这种设备描述形式。注意，对象字典不是can的一部分，而是在canopen中实现的。

　　(1) 对象字典od:对象词典位于通信层和用户层之间，作用主要是为用户提供服务接口(见图1)。

图1 canopen设备模型

　　(2)canopen通讯(通讯接口):canopen协议中将通讯对象分为四种：网络管理对象(network management object, nmt)，服务数据对象(sdo)，过程数据对象(pdo)和预定义报文/特殊功能对象。网络管理对象(nmt)：负责层管理，网络管理和id分配。服务数据对象用于对象词典中的项进行访问，此类报文可以工作在预操作状态和正常状态。过程数据对象工作在正常操作状态，可以传送8个数据字节，也就是64个状态位。通常用于实时数据传送。

　　(3) canopen id描述:在canopen中，can报文id的配置存在以下三种形式：使用预定义的主/从连接模式，上电后当节点处于预设置状态时，使用can应用层发行者(can application layer distributor, cal dbt)服务。

　　(4) canopen启动机制:网络初始化过程中，canopen支持最小boot-up机制和扩展boot-up机制，其中扩展boot-up是可选的，而所有canopen设备和节点都必须支持最小boot-up机制。

　　(5)总线仲裁机制:两个或更多的结点在同时发送时产生的数据冲突问题使得总线必须有一个仲裁机制，如果发生冲突，可以可靠地分配总线给一个预备发送的结点。这个策略叫做总线仲裁。can总线使用一位一位的总线仲裁。当两个can站同时发送时，显性总线状态决定了发送权力。通过监视总线，当一个结点失去了总线仲裁时它立即侦察到并停止发送。当所有的结点都发送一个隐性位时总线只在隐性状态。只要至少一个结点发送一个显性位，整个总线电平就是显性的。

3 网络系统设计方案

　　3.1 列车现场控制级通信网络

　　列车通信网络设计以4辆地铁列车车厢编组为对象，由两个车辆单元组成，每一单元包含带司机室的拖车(trail car with cab, tc)和带受电弓的动车(motor car with pantograph, mp)。系统can总线网络设计如图2所示。

图2 canopen列车通信网络拓扑结构

　　列车通信网络系统参照tcn配置，采用can总线，列车编组单元内车辆总线采用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。系统采用两路can总线，将各子系统的控制单元合理分配到这两路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接口连接到列车总线，传递控制数据和状态数据。列车控制监控系统监视各个子系统设备，接收各个子系统的故障和状态数据等，并可通过总线控制子系统完成相应的功能。该设计使得此网络具有一定的通用性、可扩展性、高可靠性、实时性等特点。

　　网络拓扑结构的选择要考虑网络的适应性、可靠性、可扩充性和性能，选择合理的网络拓扑结构，可实现机车设备级can总线网络物理层的高可靠性。为了利用总线结构电缆长度短、布线容易、可靠性高、易于扩充等优点，本文can总线网络选择了总线型网络拓扑结构，它能够更好地运行列车自动系统。

　　列车自动保护系统(automatic train protection, atp)，它保障地铁列车运行的安全，检测列车实际运行位置，自动确定列车最大安全运行速度，连续不间断地实行速度监督和超速防护，监测列车运行间隔，以保证实现规定的行车间隔。

　　列车自动运行系统(automatic train operation, ato)，它代替司机自动驾驶，包括平滑加速、调速和车站程序定点停车。ato辅助atp工作，接受来自atp的信息，其中有atp速度指令、列车实际速度和列车运行距离。根据以上信息，ato通过牵引、制动线控制列车，使其维持在一个参考速度上运行；并在设有屏蔽门的站台准确地停车[2]。

　　3.2 can总线网络的冗余设计

　　为了提高can总线在机车恶劣电磁环境中通信的可靠性，最有效的方法就是总线冗余，总线冗余的方法可分为完全冗余和部分冗余。在整车层面即列车级can总线结构上，列车总线采用了两路can总线，vcu也采用了互为主从的冗余结构[3]。即使一个主控vcu出现故障状态，作为备用的从vcu也能将采集的数据送至司机显示器(driver display unit, ddu)进行显示，同时能将相应的控制指令发送到列车的各个设备。

　　在设备总级总线结构中，本文设计了一种can总线冗余方案，该方案采用了包括高速光耦、can收发芯片和cpu的两套同样的总线通信接口设备以及两块相同的cpu，但是两块cpu有主从之分，从功能和接口电路上讲都有着很大的区别。同时，通过软件上的设计实现错误判断和竞争判断所需的硬件电路，从而更加高效稳妥地保证了总线通信的稳定性。其原理图如图3所示。