CAN總線通信在全電子計算機聯鎖系統中的應用

陳 真 王鎖平 梁慧娟

(上海亨鈞科技股份有限公司，上海 200949)

CAN總線通信在全電子計算機聯鎖系統中的應用

陳 真 王鎖平 梁慧娟

(上海亨鈞科技股份有限公司，上海 200949)

CAN總線通信在鐵路信號相關系統中被普遍采用，但受通信節點數量和通信速率限制，其應用受到一定限制。在全電子計算機聯鎖系統設計中，采用二級CAN總線架構模式和排隊機制，實現CAN總線在多節點、實時性應用條件下的穩定通信，并在冗余線路的基礎上，實現高可靠性的數據通信。

CAN總線；多通信節點；全電子計算機聯鎖系統

1 概述

CAN總線是一種廣泛應用于高可靠性場合的串行現場總線，具備高實時性、強抗干擾能力和保證數據可達等特點。在鐵路領域中，廣泛應用在車站計算機聯鎖、微機監測、機車車輛等系統中。隨著信號系統產品在智能化方向的快速發展，系統中的通信節點數量大幅增加，尤其在全電子計算機聯鎖應用環境下，通信節點數量已遠超過CAN總線110個節點的上限。因此，合理的通信結構設計、多節點下的通信實時性保證，是CAN總線在全電子聯鎖系統應用中重點考慮的問題。

2 全電子計算機聯鎖系統結構說明

圖1是全電子計算機聯鎖系統的結構圖，其中聯鎖邏輯運算部分采用冗余二取二結構安全平臺，安全平臺之間通過冗余光纖通道同步；執行部分采用全電子執行單元，執行單元的種類包括道岔模塊、信號模塊、軌道模塊、零散模塊和通信網關。模塊控制對象數量如下：

圖1 全電子計算機聯鎖系統結構

道岔模塊：一組道岔；

信號模塊：一架列車/兩架調車；

軌道模塊：兩條軌道電路；

網關模塊：一個插箱放置16個模塊，配置兩個獨立網關模塊。

模塊按照站場設計，靈活安裝在獨立插箱中，安全平臺和執行單元之間的通信采用冗余CAN總線通信。另外，電子模塊通過專屬電務維護CAN總線，將模擬量和診斷信息發送至電務維修機監測機。

3 通信設計及實現

在全電子計算機聯鎖應用環境下，需要重點考慮CAN總線的多節點通信問題，以及由其引起的通信實時性、數據傳輸可靠性等關聯問題。下面針對這些問題重點描述。

3.1 多通信節點問題處理

CAN總線的通信節點數量在理論上不受限制，但實際應用為不超過110個節點。對于多節點的應用需求，通常的做法是在滿足應用要求的情況下，劃分為多層網絡。在全電子計算機聯鎖系統設計中，充分考慮聯鎖系統的實時性要求，并依據系統設計容量，將聯鎖安全平臺和全電子執行單元之間的CAN通信網絡劃分為二級網絡。第一級從聯鎖安全平臺到通信網關，第二級從通信網關到電子模塊。

將全電子計算機聯鎖系統的設計容量設定為150組道岔規模的站場，道岔、信號、軌道數量按照1∶2∶2的比例估算，最多可接入500個電子模塊，約為32個插箱。

通信結構如圖2所示。

圖2 安全平臺和執行單元之間的通信結構

網絡分為32×16的兩層網絡，以滿足設計容量需求。第一層為聯鎖安全平臺和通信網關之間的通信，采用冗余配置，如圖2中CAN1、CAN2所示，聯鎖安全平臺接入兩條總線，通信網關只接入單條總線；第二層為插箱內部通信網關和電子模塊之間的通信，冗余配置，插箱之間彼此隔離，如圖2中CAN3、CAN4所示，電子模塊和網關模塊均接入兩條總線。圖中各總線之間彼此隔離。

通信過程中，網關模塊緩沖16個全電子執行單元的實時數據，當通信網關收到來自聯鎖安全平臺的數據輪詢幀后，將16個模塊的數據一次性發送給聯鎖安全平臺。反之，通信網關將聯鎖安全平臺的控制命令轉發給電子模塊。

3.2 通信實時性、可靠性問題

3.2.1 實時性設計

CAN總線自身具備仲裁機制和沖突檢測機制，常規而言，不需要進行額外的通信沖突消解措施，就能確保通信數據的可達性。但在多節點情況下，容易引起數據傳輸延遲和數據丟失情況的出現。原因是受限于總線通信吞吐總量的制約和通信線路長度的影響，導致通信節點由于優先級別低而無法及時搶占總線的情況發生，以至于引發通信數據延遲。更甚者，當新聯鎖周期到來時，會把上個周期因為延遲沒有發送成功的數據丟棄，從而導致數據丟失。因此，在周期性實時系統設計中，需要通過優化通信以杜絕此類情況的出現。

在實時以太網中，為了確保數據傳輸的可達性，在以太網沖突檢測機制的基礎上，對通信節點進行排序，并在通信過程中，以該排隊順序依次收發數據，從而徹底解決數據沖突和傳輸延遲問題，實現了實時通信。全電子計算機聯鎖系統中的CAN總線通信采用了類似的做法：以CAN節點ID劃分通信網關優先級，組成順序的收發數據隊列。當通信網關收到聯鎖安全平臺廣播發送的數據輪詢幀之后，各個網關首先進行時間同步，之后按照順序，以5 ms為間隔順序排隊發送數據。如此一來，CAN總線中的每個通信節點，都獲得了均等的通信機會，同時實現通信延遲時間的確定性，達到數據傳輸限時可達的效果。計算機聯鎖系統周期為200～400 ms，經過排隊優化后的通信機制，完全符合聯鎖系統的實時性要求。

3.2.2 可靠性設計

此外，在全電子計算機聯鎖系統中，通過以下措施提高通信可靠性：

1）降額設計。全電子計算機聯鎖系統的通信應用條件符合CAN總線1 M的速度環境要求，出于可靠性考慮，采用降額設計，將通信速率設置為500 kbit/s。同時，經過排隊機制處理后，在某一確定時刻，確保只有一個節點獨占總線，凈化總線環境，降低了位級別錯誤發生的概率。

2）隔離冗余網絡設計。聯鎖安全平臺和全電子執行單元之間為隔離的雙網絡設計，其中通信網關實現了雙網絡的物理隔離，有效避免了電子模塊插箱的通信共因故障。插箱中的每一個模塊通過冗余CAN總線同時收發數據，實現了線路冗余和數據冗余。

3）數據冗余和時間冗余設計。受CAN總線通信帶寬和聯鎖周期高實時性限制，當發生節點通信失敗后，很難實現單一周期內的數據重傳機制。因此，采用數據冗余設計，當一條線路的數據錯誤時，采用第二條冗余線路的數據。如果兩條線路的數據均錯誤，則在聯鎖處理中采用時間冗余的處理方式，丟棄本周期數據，等待接收下一周期數據。

4）優化布局布線。嚴格遵循CAN總線布線規范，做到最優的阻抗匹配，分支線路最短，實現強弱電分線槽隔離等。

另外，通信協議按照EN50159設計，實現了安全通信。

4 總結

CAN總線通信非常適合高可靠性的應用場景，特別是其數據傳輸的可達性，以及故障后自動脫離總線的特性，尤其適合計算機聯鎖、列控等安全相關的應用場景。通過分層的網絡設計、排隊機制和增強的可靠性措施，可以有效突破CAN總線通信節點的數量限制，實現實時、可靠的數據傳輸，確保在全電子計算機聯鎖系統應用條件下通信的高可靠性。采用該通信機制的全電子計算機聯鎖系統已在現場成功應用，從實踐效果看，CAN總線在十幾組道岔規模的小站，以及一百多道岔規模的大站，運行穩定，效果良好，達到了預期的設計效果。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB/T 3027-2002計算機聯鎖技術條件[S].北京：中國鐵道出版社，2002.

[2]歐洲電工標準協會.EN 50129 鐵路應用—通信、信號和處理系統—與安全相關的電子信號系統[S].2003.

[3]歐洲電工標準協會.EN 50159 鐵路應用—通信、信號和處理系統—封閉通信系統中的安全通信[S].2010.

CAN bus is widely used in railway signal-related systems, but its applications are restricted by the limitation of the maximum number of communication nodes and communication rate. In the design of the full electronic computer interlocking system, the stability of CAN bus communication in multinode and real-time application condition is realized by two-level CAN bus architecture model and queuing mechanism, and the high reliability of data communication based on the redundant lines is also realized.

CAN bus; multiple communication nodes; full electronic computer interlocking system

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.006

2016-10-24）