高振天

（鄭州機電工程研究所，鄭州 450015）

地鐵屏蔽門系統(tǒng)主要由電氣和機械兩部分組成，其中電氣監(jiān)控系統(tǒng)是核心。屏蔽門電氣監(jiān)控系統(tǒng)同時完成控制和監(jiān)視兩種功能，其內部接線采用硬線直連和現場總線兩種方式。對安全信號等涉及人身安全因素的采用硬線直連，這些信號包括開關門命令、門全關且鎖定、互鎖解除等；而狀態(tài)、報警信息等數據量大且非重要因素采用現場總線，如滑動門狀態(tài)、應急門狀態(tài)等。

現場總線是20世紀80年代中期在國際上發(fā)展起來的，應用在生產現場，在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節(jié)點數字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。根據實際需要，屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)采用CAN總線方式來實現中央接口盤（PSC）與門控單元（DCU）之間的數據通信。

目前，具有CAN控制器的微控制器（MCU）、可編程序控制器（PLC）以及伺服驅動器較多，很容易應用于工程，本文基于C8051F040單片機，介紹CAN總線的實現以及在屏蔽門系統(tǒng)中的應用。

1 CAN總線簡介

CAN總線是一種用于各種設備檢測及控制的現場總線，它是一種多主總線，在高速網絡和低成本的節(jié)點系統(tǒng)應用廣泛。CAN總線與一般的通信總線相比，它的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，其特點如下。

1）可以多主方式工作。

2）CAN節(jié)點只需對報文的標識符濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播方式發(fā)送和接收數據。

3）CAN總線通信格式采用短幀格式。

4）采用非破壞性總線仲裁技術。

5）直接通信距離最大可達10 km (速率5 kbit/s以下)，最高通信速率可達1 Mbit/s (此時距離最長為40 m)，節(jié)點數可達110個，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。

6）CAN總線采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。

2 CAN總線應用方案

2.1 技術要求

PSC是屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)的主設備，負責網絡系統(tǒng)內部信息的收發(fā)、采集、匯總和分析，并與其他系統(tǒng)(如信號系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)等)通過專用接口進行實時信息交換。其中，PSC與DCU之間的通信采用冗余CAN總線連接， DCU作為網絡節(jié)點掛接在總線上，作為網絡節(jié)點的從設備，為PSC提供各種有用信息。對CAN總線網絡的要求如下。

1）節(jié)點數不少于40個：因目前通用的A型車為8節(jié)車廂，每節(jié)車廂5個門，共40個門單元；B型車為6節(jié)車廂，每節(jié)車廂4個門，共24個門單元。

2）傳輸距離不小于350 m：地鐵站臺的有效長度一般在180 m左右，還要考慮屏蔽門設備室的位置，并留一定的裕量。

3）任一個或多個節(jié)點故障不能影響其他單元的通信，即采用總線型網絡拓撲結構。

2.2 硬件構成

本設計中采用的微控制器為C8051F040，其內部集成CAN協(xié)議控制器。在CAN接口節(jié)點設計上，只需再外接CAN總線收發(fā)器就能完成CAN總線的硬件層。CAN總線收發(fā)器采用PCA82C250，同時使用兩片，通過硬件擴展來達到雙CAN的冗余效果。DCU硬件基于C8051F040，通過撥碼開關來設置CAN節(jié)點地址，每個DCU在網絡上都有一個唯一的地址。因此，PSC通過現場總線轉換器能辨別每個DCU的地址，并從DCU獲取信息。在維護時如果DCU需要更換，它的地址保持不變，更換后不需要重新設置其網絡地址。其網絡結構如圖1所示。

2.3 軟件實現

本設計的軟件部分主要包括DCU的CAN處理和現場總線控制器的CAN轉換。DCU部分主要是CAN協(xié)議的解析和數據的處理，主要包括CAN的初始化、發(fā)送和接收等常規(guī)程序。現場總線控制器相當于一個轉換器，根據PSC與DCU的通信協(xié)議，在PSC和DCU之間傳送數據。具體程序不再贅述。

3 CAN位定時寄存器值的確定

位定時參數對CAN總線網絡性能有著顯著影響，雖然一些微小誤差不會立即引起總線故障，但卻會導致總線性能嚴重下降，因此，正確配置位定時寄存器的值十分重要。

位定時寄存器值的配置公式：

其中：TSeg2=Phase_Seg2-1

因此，只需要確定：BRP、Prop_Seg、Prop_Seg1、Prop_Seg2，配置步驟如下。

1)確定CAN時鐘周期tCAN_CLK。一般情況下，CAN時鐘來源于系統(tǒng)時鐘，如外接晶體為22.118 4 MHz，若系統(tǒng)時鐘配置為二分頻模式，則tCAN_CLK為 1/11.0592=90.422 ns。

2）確定位速率、位時間。位速率即是CAN網絡通信速率，根據實際的現場總線長度來定，可參考CAN用戶手冊。如期望位速率為100 kbit/s，則位時間為10 000 ns。

3）確定CAN時間量子tq。在位時間內，有4～25個時間量子，則可以確定tq的范圍。

4）確定波特率預分頻器BRP值。根據tq=BRP*tCAN_CLK，選取一個合適的BRP值，再反過來確認真正的tq值、位速率值和位時間值，進而得出tq數量。

5）確定 Prop_Seg、Prop_Seg1、Prop_Seg2。如圖2所示，其中Sync_Seg=1，Prop_Seg代表總線傳輸延時，按5ns/m計算，再考慮總線收發(fā)芯片的延時。Prop_Seg1和Prop_Seg2之間的關系為相等或Prop_Seg2=Prop_Seg1+1。合理分配tq的數量，得出相應值帶入公式即可。

4 總結

采用CAN總線技術構建屏蔽門系統(tǒng)通信網絡，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性，系統(tǒng)成本低，安裝維護簡單，具有良好的升級、擴展能力?；贑AN總線的軌道交通站臺屏蔽門系統(tǒng)已經成功在上海某地鐵站臺推廣應用，運行可靠，實現了設計目標。

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