基于CAN总线与以太网的地铁车辆运行监控系统研究*

王 爽

(辽宁铁道职业技术学院， 辽宁锦州 121000)

在故障诊断技术、计算机技术、通信技术以及控制技术的融合下衍生出了地铁车辆诊断、检测和控制系统，其主要的技术手段就是车载微机，通过在车辆内部进行应用地铁车辆总线就可以综合处理服务信息、机车状态监测、故障诊断、运行控制、车辆控制等[1-2]。

目前主流的地铁车辆监控系统的总线有MVB和WTB专用总线和CAN通用总线等。作为专门为通信网所指定的两种标准，在最初制定MVB和WTB的过程中从车辆级和列车级两个方面进行了具体和明确的定义，由于这种开发产品只在通信网中应用，因此相比于其他几种通用总线，其经济性、供货商以及使用范围存在着一定的缺陷[3]。作为始终能够实现实时控制和分布式控制的串行通信网络，在开发费用上相比于其他现场总线CAN总线比较低，因此在连接一些分布式控制应用设备时能够发挥比较好的效果，因此在地铁通信网络中有比较大的应用优势[4]。

因此，研究一种基于CAN总线和以太网的地铁车辆监控系统，并使用双CAN驱动器进行冗余设计。

1 运行监控系统总体设计

1.1 系统总体架构

塞拉门故障、塞拉门工况、照明和供电工况、空调的采暖工况以及温度显示等都属于车辆的监控对象。作为一种面向工业底层控制的通信网络，CAN总线所具有的特点和性质对于车辆总线的通信是比较合适的，所以在布置总线的过程中既可以采集到数字量的数据变量，也可以采集到模拟量的数据变量[5-6]。系统总体结构如图1所示。

通常情况下车辆具有比较多的监控对象以及较大的网络通信量。同时，由于车辆编组是随时变化的，在动态配置网络的过程中网络监控系统必须要严格按照设定器中设定的编组和车号来进行，这样才能够适用于编组经常变化的情况。由于拓扑性强以及传输速率高是以太网所具有的主要特点，因此在总线网中应用比较广泛[7]。

图1 系统总体结构

CAN总线是本系统底层通信网络所采用的主要通信方式，实现与电气控制设备的连接。通过工业以太网上层网络可以与远程的监控主机进行连接，所以在所有的车厢中都需要通过网络节点来实现上层网络和底层网络之间的连接。Ethernet监控网络以及CAN现场控制网络可以通过CAN/Ethernet网关来进行连接，在转换完成工业与总线的协议以后就能够实时的监控[8]。

1.2 双CAN总线冗余

为保证车辆运行安全，要求监控系统能够对整个车辆进行实时监控，为防止单条CAN总线故障导致整个监控系统瘫痪，文中研究的车辆运行监控系统采用双CAN总线冗余设计。两个CAN总线控制器。两个CAN总线驱动器以及两条CAN总线是CAN控制器冗余的主要部分,两个CAN控制器由不同的端口和中断进行控制[9-10]。CAN冗余控制器结构如图2所示。

图2 CAN冗余控制器

利用CAN驱动器和控制器能够实现CAN通信,其中数据链路层CAN的交换可以通过CAN控制器来实现,物理信号的交换可以通过驱动器来实现。冷冗余和热冗余是两种主要的工作方式。在热冗余操作的过程中同时运行冗余的备份系统,这样能够有效保证无扰通信的实现,具有数据传输稳定性高以及切换延迟小的优点,但是功耗比较大;当采用冷冗余方式时,一系统工作正常,本分系统不上电,如果发现系统故障就想备份系统工作方式进行切换,采用这种方法虽然消耗的能量较小,但是会出现数据的丢失[11]。

2 监控系统硬件系统

主要针对基于CAN总线的监控系统中网关控制器的硬件和软件系统进行设计，底层的传感器与CAN控制器的连接不在此赘述。

2.1 监测装置硬件

车辆监测装置总体结构如图3所示，主要由CPU单元、传感模块、控制模块和供电模块以及通信模块组成。CPU单元主要由STM32核心处理器、数据存储器和A/D转换电路等组成。传感模块包括温湿度检测、烟雾检测、设备运行状态检测等多种检测模块。控制模块主要由隔离电路和各个被控对象组成。

图3 监测装置总体结构

2.2 CAN控制器硬件

使用LPC2294芯片实现双CAN总线冗余的硬件结构。两路 CAN寄存器的寻址可以通过接收 CPU 的指令来进行控制，这样状态信息和中断信息就可以提供给CPU，同时还能够实现过滤器和寄存器的验收。利用查找表的方式RAM就能够提供相应的报文过滤机制。在系统设计中利用CAN 控制器的微控制器能够对系统抗干扰能力进行增强、对系统功耗进行降低，同时还能够减少制版面积[12]。双CAN总线冗余的硬件结构如图4所示。

图4 双CAN总线冗余的硬件结构

CAN收发器接口电路如图5所示。作为CAN收发器，TJA1050就能够转换微控制器输出的TTL电平，这样总线就能够获得不同的接收和发送性能，其中一个大小为 5 Ω的电阻与CAN_L和CAN_H分别串联，能够发挥限流的效果，这样过大的电流就不会过流冲击TJA1050[13]。另外一方面，CAN 收发器所使用的环境具有较大的干扰，因此为了达到防电磁辐射以及滤出高频干扰的作用，可以将两个30 PF的小电容分别并联在地与CAN_L和CAN_H之间。

图5 CAN收发器接口电路

2.3 以太网接口硬件电路

以太网接口电路图如图6所示。使用DM9000A实现以太网接口。将RJ-45连接器于变压器放置在贴近的地方，在DM9000A的RX+和TX+的附近放置50 Ω的电阻，将变压器与两个引脚之间连接，这样就可以避免使用过孔，不要将电源和地平面放置在变压器和RJ-45之间，保证机架和所有信号线都具有较远的距离[14]。通过2 kV的旁路电容以及电阻就可以将机架地与所有没有使用的引脚级RJ-45连接器连接起来。通过静态总线FSMC可以实现处理器和DM9000A之间的连接。

图6 以太网接口电路

3 CAN冗余收发数据实现

3.1 CAN总线数据接收

如果系统中的两个CAN控制器都在接收状态下进行工作就会出现以下3种情况：首先是正常工作的情况，这样两个控制器都能够进行数据的接收，丢弃CAN控制器数据的同时可以取用CAN控制器数据；然后是主CAN控制器没有进行数据的接收，数据主要是从控制器接收，另外主CAN控制器的状态寄存器并没与出现错误的标志，这是主CAN通道无法进行数据传输，当前工作通道替代了CAN通道，然后向系统发送数据；最后，虽然主CAN设备可以进行数据的接收，但是错误标志在状态寄存器中出现，主要原因是通道上数据出现错误，当前工作通道替代CAN进行通道，并向系统发送数据[15]。这是主CAN通道转变为了备用通道。CAN总线冗余数据接收流程如图7所示。

3.2 CAN总线数据发送

如果系统中的两个CAN控制器都在发送状态下工作,就会出现以下两种情况:首先,正常工作状态下数据只在主CAN设备中发送,当CAN设备处于侦听状态时就开始进行工作;然后如果在主CAN控制器的状态寄存器中存在错误标志,工作状态就会替代CAN设备,然后向总线传输数据[16]。CAN总线冗余数据发送流程如图8所示。

图7 CAN总线冗余数据接收流程

图8 CAN总线冗余数据发送流程

3.3 主从CAN总线切换机制

采用文献[17]中所述的通过定时发送广播帧的方法判别总线故障。通过网关向主CAN定时发送特定的广播帧，统计网络中N个CAN节点收到特定广播帧后响应的应答帧数量，设定为N1，通过比较网络中CAN节点个数N和收到应答帧数N1来确定主CAN和从CAN的切换。在从CAN工作时，再次通过网关向从CAN定时发送特定的广播帧，统计网络中N个CAN节点收到特定广播帧后响应的应答帧数量，设定为N2，通过比较N2与N1来确定主CAN和从CAN的切换。当使用从CAN总线后，要重启主CAN控制器，再次通过比较N2与N1来确定主CAN总线是否工作正常，以此来消除由于短暂干扰引起的主CAN总线故障误判。主CAN总线和从CAN总线切换机制如图9所示。

4 监控系统通讯测试

在试验室模拟车辆运行监控系统，实现监控网络通信测试。通信测试主要针对CAN节点与监控上位机的通信，实物如图10所示。

通讯测试主要由监控上位机、路由器、通信网关、CAN收发模块、CAN节点控制器组成。试验主要分为3类：试验1，单CAN总线通信；试验2，双CAN总线通信；试验3，双CAN总线通信，期间突然断掉其中一条总线。

图9 主CAN总线和从CAN总线切换机制

图10 通讯测试实物

试验1和试验2主要对比单双CAN总线通信的可靠性。单双CAN总线通信的可靠性Rs1(t)和Rs2(t)计算方法如下：

Rs1(t)=Rw(t)×Rc(t)

Rs2(t)=Rw(t)×[1-(1-Rc(t))2]

式中Rw(t)和Rc(t)分别为CAN节点控制器和驱动器的可靠度。

分别使用单、双CAN总线系统发送10节车厢的监控信息，并由监控上位机采集消息的响应时间，若响应时间低于25 ms，则认为消息是可靠的。试验时长设定为1 000 min，得到的单、双CAN总线系统可靠度曲线如图11所示。

从单、双CAN总线系统可靠度曲线可以看出，每个时间段双总线冗余系统的可靠度要优于单总线系统。如果加长试验时间，则单、双CAN总线系统可靠度区别将更加明显。

在进行试验3时，首先使用双CAN总线进行通信，CAN节点的显示屏上显示出节点的通信状态为主CAN总线通信中，如图12(a)所示。当突然断开其中一条总线，CAN节点的显示屏上显示出节点的通信状态为从CAN总线通信中，如图12(b)所示。说明该节点的通信状态依然有效，验证了双CAN总线冗余系统的可靠性。

图11 单、双CAN总线系统可靠度曲线

图12 CAN总线通信试验3

5 结 论

研究一种基于CAN总线和以太网的地铁车辆监控系统，并使用双CAN驱动器进行冗余设计。主要针对基于CAN总线的监控系统中网关控制器的双总线CAN控制器和以太网接口硬件电路以及CAN冗余收发数据软件系统进行设计。最后通过试验方法对基于双CAN总线冗余系统的车辆运行监控系统的可靠性进行验证，结果表明：各个时间段双总线冗余系统的可靠度要优于单总线系统。如果加长试验时间，则单、双CAN总线系统可靠度区别将更加明显。当突然断开系统中主CAN总线，节点的通信状态依然有效，验证了双CAN总线冗余系统的可靠性。

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