CAN通信在微機(jī)聯(lián)鎖中的應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯CAN通信在微機(jī)聯(lián)鎖中的應(yīng)用摘要:為保證微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的高安全性和高可靠性,可將CAN總線運(yùn)用到微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中來(lái)。本文從CAN總線的特征入手,介紹CAN總線在微機(jī)聯(lián)鎖中應(yīng)用的設(shè)計(jì)方案,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)應(yīng)用后的系統(tǒng)進(jìn)行安全性與可靠性分析。

關(guān)鍵詞:CAN總線微機(jī)聯(lián)鎖通信安全性可靠性

DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2022.10.048

國(guó)內(nèi)鐵路采用的微機(jī)聯(lián)鎖車站信號(hào)控制系統(tǒng)是一種集散式的控制系統(tǒng)。隨著列車時(shí)速的逐步提高和分布式控制系統(tǒng)的完善,這一系統(tǒng)中各信號(hào)采集和處理與通信主模塊間采用共享存儲(chǔ)區(qū)并行通信技術(shù),造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,連線多、可靠性不高,系統(tǒng)可擴(kuò)展性和通用性不強(qiáng)。并且,數(shù)據(jù)量的采集仍然是采用一根線與一個(gè)數(shù)據(jù)量對(duì)應(yīng)的采集方式,這樣布線起來(lái)便非常繁瑣,因布線繁、亂,線與線之間必定會(huì)有些許干擾。另外,通信主模塊與上位機(jī)之間采用串行通信,不可避免地會(huì)造成通信距離短,通信速度低,抗干擾能力弱,嚴(yán)重影響了整個(gè)控制系統(tǒng)的效率,由此提出基于CAN總線的分布式的微機(jī)聯(lián)鎖測(cè)控系統(tǒng).

1、CAN總線的特征

CAN(ControllerAreaNetwork)總線的主要特征是采用多種工作方式和非破壞性的總線促裁方式,一方面能夠保證通信方式靈活,另一方面也可以減少總線的沖突時(shí)間。另外,在傳播和接受數(shù)據(jù)方面,也不用經(jīng)過(guò)專門的“調(diào)度”,只需通過(guò)報(bào)文濾波,即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳播接收效果。CAN的最高通信速率能夠達(dá)到1Mbps。直接通信的最遠(yuǎn)距離也可達(dá)到10km。為保證CAN通信數(shù)據(jù)的正確率,CAN的每幀信息都需經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)措施的檢驗(yàn),如可利用CRC進(jìn)行檢驗(yàn)。同時(shí),CAN總線還具有另一個(gè)特點(diǎn):若某一CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤,在這種情形下,該節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉數(shù)據(jù)輸出功能,以避免其他CAN節(jié)點(diǎn)受到影響。正是由于CAN的這些特點(diǎn),它能夠很好地改進(jìn)鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)的通信能力,減少線與線之間的電磁干擾,以便適應(yīng)鐵路高安全性的要求。

2、CAN總線在微機(jī)聯(lián)鎖中應(yīng)用的設(shè)計(jì)方案

(1)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)是由控制器、局域網(wǎng)、下位機(jī)和上位機(jī)組成的。各組成部分有各自不同的功能?？刂破骱途钟蚓W(wǎng)的主要作用是為了完成通信功能。下位機(jī)的主要作用是完成對(duì)信號(hào)機(jī)、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)和軌道電路的數(shù)據(jù)采集以及負(fù)責(zé)一些控制任務(wù)。而上位機(jī)便是負(fù)責(zé)系統(tǒng)的命令和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的測(cè)試和監(jiān)控。

(2)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

在該系統(tǒng)中,一般使用工控機(jī)作為其上位機(jī),同時(shí)將CAN通信適配卡插入上位機(jī)的擴(kuò)展槽中,這樣做的目的是想用CAN通信適配卡將CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)。系統(tǒng)中的控制器主要是用來(lái)處理CAN卡的通信數(shù)據(jù)。而系統(tǒng)中的下位機(jī),以單片機(jī)為主,同時(shí)輔以FPGA(可編程邏輯門陣列),這樣便可組成標(biāo)準(zhǔn)控制模塊PLC(可編程邏輯控制器)。標(biāo)準(zhǔn)控制模塊PLC在該系統(tǒng)中具有十分重大的意義,因?yàn)殍F路上車站信號(hào)控制系統(tǒng)的制式大致相同,這樣在該系統(tǒng)中便可通過(guò)CAN用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)控制模塊將整個(gè)控制系統(tǒng)連接起來(lái)。

(3)系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)包括很多的程序功能模塊,其中也涉及到下位機(jī)數(shù)據(jù)的采集程序、數(shù)據(jù)的收集程序以及信號(hào)控制命令執(zhí)行程序等等。當(dāng)然,最重要的軟件設(shè)計(jì)程序體現(xiàn)在通信功能的設(shè)計(jì)上,在設(shè)計(jì)通信功能時(shí),必須嚴(yán)格遵守CAN總線的通信協(xié)議規(guī)定進(jìn)行編程。首先要對(duì)IPC與CAN通信卡之間的通信接口及CAN控制器進(jìn)行初始化。前者包括對(duì)雙端口RAM訪問(wèn)權(quán)的獲得及釋放和對(duì)雙端口存儲(chǔ)區(qū)初始化配置,后者則通過(guò)對(duì)CAN控制器內(nèi)部存儲(chǔ)器編程和配置,來(lái)管理CAN控制器在CAN總線上通信。在實(shí)際操作中,CAN卡發(fā)送數(shù)據(jù)流程相對(duì)容易實(shí)現(xiàn),而接受數(shù)據(jù)程序則較難。從接收緩沖區(qū)中讀取接收到的數(shù)據(jù)這一步實(shí)際上涉及端口的訪問(wèn)權(quán),這一接收過(guò)程包括從緩沖區(qū)讀取一幀數(shù)據(jù),判斷幀的類型,幀解包處理,釋放對(duì)雙端口的訪問(wèn)權(quán),向IPC機(jī)發(fā)中斷信號(hào).將解包數(shù)據(jù)暫存于微控制器緩沖區(qū),再由微處理器將數(shù)據(jù)傳給IPC機(jī)等。

3、應(yīng)用后的系統(tǒng)安全性與可靠性分析

鐵路車站信號(hào)微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)必須具有高度的可靠性和安全性。在將CAN通信運(yùn)用到微機(jī)聯(lián)鎖中時(shí),也從系統(tǒng)的硬件和軟件等方面進(jìn)行了考慮。在系統(tǒng)硬件方面采取了以下幾種措施:①在ISP、HART、CAN等現(xiàn)場(chǎng)總線中,我們選用了CAN總線,正是考慮到CAN總線具有非常強(qiáng)的抗電磁、抗干擾能力。CAN總線的這些優(yōu)點(diǎn)早已在汽車監(jiān)控系統(tǒng)中得到了體現(xiàn)。②選用工控機(jī)(IPC)作為上位機(jī),而不時(shí)用PC機(jī),也是因?yàn)镮PC相比PC機(jī)而言,具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。③采用CAN總線后,可以避免一對(duì)一的數(shù)據(jù)量采集方式,大大減少了布線,從而降低了線與線之間的電磁干擾。④運(yùn)用CAN總線,以便通信報(bào)文中出現(xiàn)錯(cuò)幀、超載幀時(shí),能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤和不良的運(yùn)行狀態(tài),同時(shí),也可通過(guò)在數(shù)據(jù)幀中留有冗余位來(lái)提高數(shù)據(jù)的冗余能力。另外,采用CAN總線,當(dāng)某一CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí),該節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉數(shù)據(jù)輸出功能,以避免其他CAN節(jié)點(diǎn)受到影響。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方面,主要采用了軟件容錯(cuò)技術(shù)。它是提高系統(tǒng)可靠性和安全性的有力手段。當(dāng)系統(tǒng)中的某一硬件發(fā)生故障或者是軟件發(fā)生錯(cuò)誤時(shí),系統(tǒng)不會(huì)因硬件和軟件發(fā)生故障而執(zhí)行錯(cuò)誤的命令,它仍然是執(zhí)行之前規(guī)定好的一組程序或者算法,這樣,系統(tǒng)執(zhí)行的結(jié)果便不會(huì)因故障的