1 引言

　　為了保障城軌列車(chē)的正常運(yùn)行，必須有一套智能化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)列車(chē)各模塊的數(shù)據(jù)采集、分析，并對(duì)列車(chē)各設(shè)備實(shí)施監(jiān)測(cè)，以降低操作的復(fù)雜度，提高列車(chē)的安全性。為滿(mǎn)足上述需求，作為城軌列車(chē)車(chē)輛核心技術(shù)的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

　　列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)列車(chē)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷以及旅客服務(wù)信息服務(wù)進(jìn)行綜合處理。它應(yīng)用多種總線技術(shù)把分布于各車(chē)廂內(nèi)部、獨(dú)立完成特定功能的計(jì)算機(jī)互連起來(lái)形成一種工業(yè)局域網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)資源共享、協(xié)同工作、分散監(jiān)測(cè)和集中操作等目的。

　　在眾多應(yīng)用于軌道交通車(chē)輛的現(xiàn)場(chǎng)總線中，can是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有很高的時(shí)效性、可靠性、抗干擾能力和檢錯(cuò)能力，且開(kāi)發(fā)費(fèi)用低[1]。但它只對(duì)網(wǎng)絡(luò)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了規(guī)范，沒(méi)有對(duì)應(yīng)用層做相應(yīng)的說(shuō)明。本文通過(guò)配置canopen網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接口，將現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)將地鐵各個(gè)部分如空調(diào)控制器、牽引控制單元、制動(dòng)控制單元、門(mén)控單元等的主要參數(shù)采集并通過(guò)canopen總線發(fā)送到服務(wù)器。

2 canopen總體設(shè)計(jì)

　　can總線最初是由德國(guó)bosch公司為汽車(chē)監(jiān)控、控制電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信應(yīng)用開(kāi)發(fā)的，現(xiàn)已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)iso5011898(高速應(yīng)用)和is011519(低速應(yīng)用)，獲得了非常廣泛的應(yīng)用。如果把can總線用作列車(chē)總線，需要合理定義can總線應(yīng)用層協(xié)議，以便滿(mǎn)足列車(chē)總線的通信要求。由于can缺乏長(zhǎng)報(bào)文大數(shù)據(jù)量消息傳輸能力和傳輸距離受限，所以在用作列車(chē)總線時(shí)需做一定的處理。

　　2.1 can總線應(yīng)用層協(xié)議canopen描述

　　canopen的核心概念是設(shè)備對(duì)象字典 (object dictionary, od)，在其它現(xiàn)場(chǎng)總線(profibus，interbus-s)系統(tǒng)中也使用這種設(shè)備描述形式。注意，對(duì)象字典不是can的一部分，而是在canopen中實(shí)現(xiàn)的。

　　(1) 對(duì)象字典od:對(duì)象詞典位于通信層和用戶(hù)層之間，作用主要是為用戶(hù)提供服務(wù)接口(見(jiàn)圖1)。

圖1 canopen設(shè)備模型

　　(2)canopen通訊(通訊接口):canopen協(xié)議中將通訊對(duì)象分為四種：網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象(network management object, nmt)，服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象(sdo)，過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象(pdo)和預(yù)定義報(bào)文/特殊功能對(duì)象。網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象(nmt)：負(fù)責(zé)層管理，網(wǎng)絡(luò)管理和id分配。服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象用于對(duì)象詞典中的項(xiàng)進(jìn)行訪問(wèn)，此類(lèi)報(bào)文可以工作在預(yù)操作狀態(tài)和正常狀態(tài)。過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象工作在正常操作狀態(tài)，可以傳送8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，也就是64個(gè)狀態(tài)位。通常用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送。

　　(3) canopen id描述:在canopen中，can報(bào)文id的配置存在以下三種形式：使用預(yù)定義的主/從連接模式，上電后當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于預(yù)設(shè)置狀態(tài)時(shí)，使用can應(yīng)用層發(fā)行者(can application layer distributor, cal dbt)服務(wù)。

　　(4) canopen啟動(dòng)機(jī)制:網(wǎng)絡(luò)初始化過(guò)程中，canopen支持最小boot-up機(jī)制和擴(kuò)展boot-up機(jī)制，其中擴(kuò)展boot-up是可選的，而所有canopen設(shè)備和節(jié)點(diǎn)都必須支持最小boot-up機(jī)制。

　　(5)總線仲裁機(jī)制:兩個(gè)或更多的結(jié)點(diǎn)在同時(shí)發(fā)送時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沖突問(wèn)題使得總線必須有一個(gè)仲裁機(jī)制，如果發(fā)生沖突，可以可靠地分配總線給一個(gè)預(yù)備發(fā)送的結(jié)點(diǎn)。這個(gè)策略叫做總線仲裁。can總線使用一位一位的總線仲裁。當(dāng)兩個(gè)can站同時(shí)發(fā)送時(shí)，顯性總線狀態(tài)決定了發(fā)送權(quán)力。通過(guò)監(jiān)視總線，當(dāng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)失去了總線仲裁時(shí)它立即偵察到并停止發(fā)送。當(dāng)所有的結(jié)點(diǎn)都發(fā)送一個(gè)隱性位時(shí)總線只在隱性狀態(tài)。只要至少一個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)顯性位，整個(gè)總線電平就是顯性的。

3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　3.1 列車(chē)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)

　　列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以4輛地鐵列車(chē)車(chē)廂編組為對(duì)象，由兩個(gè)車(chē)輛單元組成，每一單元包含帶司機(jī)室的拖車(chē)(trail car with cab, tc)和帶受電弓的動(dòng)車(chē)(motor car with pantograph, mp)。系統(tǒng)can總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 canopen列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)參照tcn配置，采用can總線，列車(chē)編組單元內(nèi)車(chē)輛總線采用canopen協(xié)議。所設(shè)計(jì)的地鐵列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于輕型、模塊化和分布式設(shè)計(jì)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)采用兩級(jí)總線的層次結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用兩路can總線，將各子系統(tǒng)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(dòng)車(chē))車(chē)上有一個(gè)中繼器，各個(gè)子系統(tǒng)提供的canopen接口連接到列車(chē)總線，傳遞控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。列車(chē)控制監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)備，接收各個(gè)子系統(tǒng)的故障和狀態(tài)數(shù)據(jù)等，并可通過(guò)總線控制子系統(tǒng)完成相應(yīng)的功能。該設(shè)計(jì)使得此網(wǎng)絡(luò)具有一定的通用性、可擴(kuò)展性、高可靠性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。

　　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇要考慮網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性、可靠性、可擴(kuò)充性和性能，選擇合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)設(shè)備級(jí)can總線網(wǎng)絡(luò)物理層的高可靠性。為了利用總線結(jié)構(gòu)電纜長(zhǎng)度短、布線容易、可靠性高、易于擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)，本文can總線網(wǎng)絡(luò)選擇了總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它能夠更好地運(yùn)行列車(chē)自動(dòng)系統(tǒng)。

　　列車(chē)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)(automatic train protection, atp)，它保障地鐵列車(chē)運(yùn)行的安全，檢測(cè)列車(chē)實(shí)際運(yùn)行位置，自動(dòng)確定列車(chē)最大安全運(yùn)行速度，連續(xù)不間斷地實(shí)行速度監(jiān)督和超速防護(hù)，監(jiān)測(cè)列車(chē)運(yùn)行間隔，以保證實(shí)現(xiàn)規(guī)定的行車(chē)間隔。

　　列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)(automatic train operation, ato)，它代替司機(jī)自動(dòng)駕駛，包括平滑加速、調(diào)速和車(chē)站程序定點(diǎn)停車(chē)。ato輔助atp工作，接受來(lái)自atp的信息，其中有atp速度指令、列車(chē)實(shí)際速度和列車(chē)運(yùn)行距離。根據(jù)以上信息，ato通過(guò)牽引、制動(dòng)線控制列車(chē)，使其維持在一個(gè)參考速度上運(yùn)行；并在設(shè)有屏蔽門(mén)的站臺(tái)準(zhǔn)確地停車(chē)[2]。

　　3.2 can總線網(wǎng)絡(luò)的冗余設(shè)計(jì)

　　為了提高can總線在機(jī)車(chē)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(chē)層面即列車(chē)級(jí)can總線結(jié)構(gòu)上，列車(chē)總線采用了兩路can總線，vcu也采用了互為主從的冗余結(jié)構(gòu)[3]。即使一個(gè)主控vcu出現(xiàn)故障狀態(tài)，作為備用的從vcu也能將采集的數(shù)據(jù)送至司機(jī)顯示器(driver display unit, ddu)進(jìn)行顯示，同時(shí)能將相應(yīng)的控制指令發(fā)送到列車(chē)的各個(gè)設(shè)備。

　　在設(shè)備總級(jí)總線結(jié)構(gòu)中，本文設(shè)計(jì)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(shè)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(shí)，通過(guò)軟件上的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤判斷和競(jìng)爭(zhēng)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。