基于CAN總線的計算機聯鎖通信系統研究

蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室 馬龍珠

1.引言

鐵路信號計算機聯鎖系統是一種以計算機為主要技術手段實現車站聯鎖的系統，是保障行車安全的基礎設備之一。

全電子化連鎖系統把現代最新技術，如計算機硬軟件技術、網絡通信技術、電力電子控制技術、現場總線等融為一體。通過監測并記錄信號設備的主要運狀態，為電務部門掌握設備的當前狀態和進行事故分析提供科學依據。鑒于此系統對安全性、可靠性、實時性的高要求。CAN總線具有通信速率高、可靠性強、連接方便、性能價格比高等諸多特點，此系統采用了CAN總線作為現場總線進行聯鎖系統數據間的通信。

2.CAN總線

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網，屬于總線式串行通信網絡，與一般通信總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的性能，可靠性、實時性和靈活性好。其特點可以概括如下：

(1)通信方式靈活。CAN為多主方式工作，網絡上任一節點均可在任意時刻主動的向網絡上其他節點發送信息，而不分主從，且無需占地址等節點信息。利用這一點可以方便的構成多機備份系統。

(2)CAN網絡上的節點信息分成不同的優先級，可滿足不同的實時要求。

(3)CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節點同時向總線發送信息時，優先級較低的節點會主動地推出發送，而最高優先級的節點可不受影響的繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間，尤其是在網絡負載很重的情況下也不會出現網絡癱瘓情況。

(4)CAN總線通信格式采用短幀格式，傳輸時間短，受干擾概率低，每幀信息都有都有CRC校驗及其他校驗措施，保證了數據通信的可靠性。

(5)CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余校驗、優先級判別等多項工作。

3.CAN總線協議的實時性

CAN通信協議是建立在國際標準組織的開放系統互聯模型基礎上，只包含其中的物理層和數據鏈路層。物理層主要是網絡上節點間的物理數據傳輸，數據鏈路層又分為邏輯鏈路控制子層（LLC）和媒體訪問控制子層（MAC）。MAC子層主要完成傳送的功能，可進行消息成幀、總線仲裁、幀應答、錯誤檢錯與標定。LLC子層的主要功能是消息的邏輯管理，如幀濾波、超載通知和恢復管理等。

當總線上同時出現多條報文競爭發送的情況時，CAN總線協議將逐位進行比較，根據顯性位和隱性位的仲裁原則，顯性位得到發送。這樣，高優先級的報文可以在仲裁的過程中一邊比較一邊進行傳輸，而不需要等到仲裁完成后才決定哪條報文能夠發送。與其他總線相比，這種機制大大提高了CAN總線通訊系統的實時性。

4.CAN總線在全電子計算機聯鎖通信系統中的應用

4.1 計算機聯鎖通信系統結構

CAN總線通過安全型協議實現與聯鎖計算機和電子執行單元之間的通信，主要實現將聯鎖計算機下達的聯鎖命令向電子執行單元下發和將電子執行單元采集到的鐵路信號設備的狀態上傳至聯鎖計算機，如果通信傳輸發生錯誤引起數據畸變，使執行機錯誤輸出造成道岔錯誤動作或信號機錯誤開放，就會危及到行車的安全，故采用雙機熱備方式進行工作，聯鎖計算機與電子執行單元之間采用兩路CAN總線通信。聯鎖計算機主系與電子執行單元之間通信故障但聯鎖計算機備系與電子執行單元之間通信正常時應實現主備切換。

全電子計算機聯鎖通信網絡結構圖如圖1：

4.2 聯鎖通信系統傳輸的數據

在計算機聯鎖系統中，計算機聯鎖通信系統數據傳輸內容如圖2：

信號設備狀態信息包括信號機、道岔、區段、進路的狀態信息，其中信號機的狀態信息包括信號顯示，燈絲狀態，道岔的狀態信息有定位、反位、四開、擠岔、封鎖、單鎖，區段的狀態信息為占用狀態，進路為鎖閉狀態。

聯鎖控制命令包括道岔轉換命令、道岔單鎖命令、道岔單解命令、道岔封鎖命令、道岔封解命令、信號顯示改變命令。

4.3 系統硬件設計

聯鎖機采用研華CPCI高可靠工業計算機，CAN通信協議主要由CAN控制器完成，本系統的CAN控制器采用SJA1000，是由Philips公司生產的高集成度的總線通信控制器。SJA1000具有BasicCAN和PeliCAN兩種工作方式。其中PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN2.0b協議。它可以和多種CPU接口構成CAN節點，并利用CAN通信協議控制局域網的通信。

4.4 系統軟件設計思想及實現

操作系統采用Wind River公司的嵌入式實時操作系統VxWorks5.5.1，該操作系統可靠性好，實時性高。

系統通信要求：聯鎖計算機能夠及時的接收電子執行單元的狀態信息，定時向電子執行單元發送聯鎖控制命令。電子執行單元能夠及時的接收聯鎖機的控制命令，定時向聯鎖機發送信號設備狀態信息。系統通信周期為250ms。

圖1 計算機聯鎖通信系統結構圖

圖2 聯鎖通信系統數據傳輸的內容

圖3 數據使用和轉換

系統軟件主要完成各種通信參數、任務、定時器等初始化后實現三方面的功能：與聯鎖機的CAN通信接口實現聯鎖命令的接收和執行單元狀態的發送，與電子執行單元的CAN通信接口實現執行單元聯鎖命令的發送和執行單元狀態的接收功能，雙機熱備的同步和切換功能。因此系統的主要功能模塊有：

(1)聯鎖計算機通信接口模塊：接收聯鎖計算機命令和發送執行單元狀態；

(2)電子執行單元通信接口模塊：向執行單元發送聯鎖命令和接收并校核來自執行單元的狀態；

(3)雙機熱備同步與切換模塊：實現雙機熱備的同步與切換。

系統工作采用多任務實現：

聯鎖命令發送任務(tCmdSend)：實現對接收到的聯鎖計算機的安全數據進行解析；然后根據系統主備工作狀態判斷是否向執行單元發送聯鎖命令，若發送則將解析后的命令，生成安全CAN命令幀，利用兩路CAN通道逐個下發到電子執行單元。

執行單元狀態接收任務(tStatRcv)：對兩路CAN通道分別建立一個任務實現對執行單元狀態的接收，并將接收到的數據進行安全校核，校核通過的狀態數據寫入執行單元狀態數據區。

系統數據的使用和轉換如圖3所示。

5.結束語

綜上所述，在全電子計算機聯鎖系統中利用CAN總線進行通信系統的設計滿足其高可靠性和實時性的要求。為鐵路信號產品的升級提供了技術基礎。

[1]史久根,張培仁.CAN現場總線系統設計技術[M].國防工業出版社,2004.

[2]饒運濤,鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京:航空航天大學出版社,2003.

[3]方曉柯,孫盛駭,王建輝,顧樹生.DvecieNct現場總線的實時性分析及改進[M].信息與控制,2004,VOI.3,No.l:36-40.

[4]袁藝芳,徐茂生.計算機聯鎖系統可靠性研究[J].北京交通大學學報,2002,26(3):24-35.

[5]何濤.鐵路車站信號全電子計算機聯鎖執行單元[J].鐵路通信信號工程技術,2005,4:11-16.