郭少雄+杜珊珊

摘 要： CAN總線是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中的現(xiàn)場總線，AVR系列單片機(jī)作為一種微控制器，其應(yīng)用也變的越來越廣泛。通過介紹CAN總線技術(shù)的特點(diǎn)，研究了CAN總線通信節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，給出了具體的硬件設(shè)計(jì)方案和軟件流程，比較了CAN總線與RS 485總線在通信距離、實(shí)時(shí)性、可靠性及靈活性等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了CAN總線通信在車站通信系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。通過實(shí)踐證明，CAN總線在車站通信系統(tǒng)中具有良好的實(shí)用價(jià)值，為鐵路信號(hào)系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： CAN總線； AT90CAN128； TJA1050； 車站通信系統(tǒng)； 通信節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP336 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）18?0086?05

Design of railway station communication system based on CAN?bus

GUO Shao?xiong， DU Shan?shan

（MOE Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Intelligent Control， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： CAN?bus （controller area network bus） is a field bus which is widely used in industrial control. As a microcontroller， AVR SCM and its applications are becoming more and more widespread. The design scheme of CAN?bus communication node is studied by means of the characteristic introduction of CAN?bus technology. The specific hardware design scheme and software processes are offered in this paper. compares The advantages and disadvantages in the aspects of communication distance， real?time performance， reliability and flexibility between CAN?bus and RS?485 bus. The specific application of CAN?bus technology in the railway station communication system is introduced. The practical application proves that the CAN?bus has a good practical value in the railway station communication system， which lays a solid foundation for the technological upgrade of the railway signaling system.

Keywords： CAN?bus； AT90CAN128； TJA1050； railway station communication system； communication node

車站通信系統(tǒng)應(yīng)用于鐵路車站，用以交互室內(nèi)與室外的信息，實(shí)現(xiàn)行車指揮，保證站內(nèi)列車或調(diào)車車列運(yùn)行時(shí)不發(fā)生追尾、迎面相撞、側(cè)面沖突等事故。由于車站通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集量大、實(shí)時(shí)性要求高和比較強(qiáng)糾錯(cuò)要求，所以為了滿足以上條件，采用現(xiàn)場總線組成分布式控制系統(tǒng)，即用CAN總線作為通信總線對(duì)車站信號(hào)控制系統(tǒng)中的參數(shù)進(jìn)行采集與控制，并通過車站通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸和接收，滿足鐵路信號(hào)中的可靠性和安全性。

1 CAN總線概述

CAN是當(dāng)今世界存在的40多種現(xiàn)場總線中的一種，它是德國博世公司（BOSCH公司）1986年提出的，用于解決汽車執(zhí)行部件與內(nèi)部測量之間的通信協(xié)議，后由ISO國際化組織認(rèn)證成為標(biāo)準(zhǔn)串行通信協(xié)議。由于CAN總線技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功能完善、成本合理，已被廣泛應(yīng)用到自動(dòng)控制、電子、電力系統(tǒng)及安全監(jiān)控等各領(lǐng)域的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。其特點(diǎn)可以概括如下[1?4]：

（1） CAN是一種多主網(wǎng)絡(luò)，也就是說，CAN總線上的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，通信方式靈活。

（2） CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)置了不同的優(yōu)先級(jí)，保證高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)信息得到優(yōu)先發(fā)送。

（3） CAN傳輸或者接收數(shù)據(jù)可采用一點(diǎn)與一點(diǎn)，一點(diǎn)與多點(diǎn)等方式。

（4） CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)目前已經(jīng)達(dá)到110個(gè)；有2 000多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)格式的報(bào)文標(biāo)識(shí)符，特別是CAN節(jié)點(diǎn)可對(duì)擴(kuò)展格式報(bào)文標(biāo)識(shí)符數(shù)目不給予界定。

（5） CAN的信息傳輸采用短幀格式，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，且每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某鲥e(cuò)率。

（6） CAN具有非破壞性，即同時(shí)有2個(gè)或2個(gè)以上節(jié)點(diǎn)向總線傳輸數(shù)據(jù)，先保證最高一級(jí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的優(yōu)先發(fā)送，待最先輸出的一級(jí)節(jié)點(diǎn)傳送完數(shù)據(jù)后，其余節(jié)點(diǎn)再重新繼續(xù)向總線傳輸數(shù)據(jù)。也就是說，最高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)不受影響可以繼續(xù)信息傳輸，避免了總線沖突。

（7） CAN節(jié)點(diǎn)具有自身關(guān)閉與總線聯(lián)系的功能，以保證總線不因該節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤而影響到其他節(jié)點(diǎn)的正常通信。因此，CAN具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

（8） 5 Kb/s以下通信速率條件下，直接通信距離方面，CAN最遠(yuǎn)可達(dá)10 km；通信距離最長40 m的條件下，通信速率方面，CAN最大可實(shí)現(xiàn)1 Mb/s。

（9） CAN總線的通信介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜和光導(dǎo)纖維，選擇靈活。

（10） CAN結(jié)構(gòu)選取OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，方便完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理。

2 CAN總線通信節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

CAN總線通信節(jié)點(diǎn)的框圖如圖1所示。

圖1 CAN總線通信節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

由圖1可知，微控制器（帶CAN控制器）、光電隔離和CAN收發(fā)器組成CAN總線通信節(jié)點(diǎn)的硬件原理[5]。在設(shè)計(jì)中微控制器采用AT90CAN128，光電隔離芯片采用6N137，CAN收發(fā)器選用芯片TJA1050，而且單片機(jī)內(nèi)部已集成CAN控制器，因此省略了CAN控制器。AT90CAN128是低功耗的8位單片機(jī)，采用先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu)。特別要強(qiáng)調(diào)的是，CAN 控制器已經(jīng)完全集成在本款單片機(jī)芯片里，并且芯片兼容擴(kuò)展幀2.0B和CAN標(biāo)準(zhǔn)幀2.0A，在晶振頻率8 MHz條件下數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1 Mb/s。光電隔離芯片6N137通過把工業(yè)現(xiàn)場與控制器分開，提升系統(tǒng)的抗干擾能力。CAN收發(fā)器TJA1050的引腳和PCA82C250的引腳完全兼容[6]。CAN總線通信節(jié)點(diǎn)的硬件電路如圖2所示。

3 CAN總線通信節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

要保證有效、實(shí)時(shí)地完成通信任務(wù)，在軟件上對(duì)CAN總線通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)是很重要的環(huán)節(jié)，關(guān)鍵運(yùn)行過程如圖3所示。本設(shè)計(jì)采用模塊化，下面對(duì)各模塊的內(nèi)容分別進(jìn)行了詳細(xì)闡述[6]。

圖2 CAN總線節(jié)點(diǎn)硬件原理圖

圖3 關(guān)鍵運(yùn)行過程圖

3.1 CAN控制器初始化

指的是設(shè)置接收代碼寄存器、設(shè)置中斷允許寄存器和設(shè)置輸出控制寄存器等。初始化完成以后，CAN總線就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。其初始化流程如圖4所示。

圖4 CAN控制器初始化流程圖

3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送程序

數(shù)據(jù)的發(fā)送是通過CAN 控制器操作的，是從CAN控制器到CAN總線。首先，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到CAN控制器發(fā)送緩沖區(qū)，然后將命令寄存器（CMR）中的“發(fā)送請(qǐng)求（TR）”標(biāo)志置位，完成發(fā)送過程，最后釋放發(fā)送緩沖區(qū)。具體工作流程如圖5所示[7]。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖

3.3 數(shù)據(jù)接收程序

首先，從CAN控制器接收緩沖區(qū)中取得數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)，完成后讓出緩沖區(qū)。具體過程如圖6所示[8]。

圖6 數(shù)據(jù)接收程序流程圖

4 CAN總線在車站通信系統(tǒng)中的應(yīng)用和設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以蘭州大成鐵路信號(hào)有限公司自主研發(fā)的、采用硬件表決的全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)為開發(fā)背景，用以實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖機(jī)與全電子執(zhí)行機(jī)之間信號(hào)的雙向傳輸。CAN總線應(yīng)用于鐵路車站通信系統(tǒng)的原理框圖如圖7所示[9?12]。

從圖7中可以看出，要實(shí)現(xiàn)對(duì)車站與室內(nèi)之間的信息通信，車站通信系統(tǒng)需有以下幾部分：上位監(jiān)控機(jī)，聯(lián)鎖機(jī)，維修機(jī)和全電子執(zhí)行單元。

（1） 上位監(jiān)控機(jī)是高性能、高可靠的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，主要完成操作命令的下發(fā)以及實(shí)時(shí)顯示接收的信息。

（2） 聯(lián)鎖機(jī)也是高性能、高可靠的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它和CAN通信接口組成聯(lián)鎖主機(jī)單元，主要完成聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算以及對(duì)各種信息的處理，然后產(chǎn)生相關(guān)的輸出信息讓執(zhí)行單元予以執(zhí)行，其與上位監(jiān)控機(jī)之間的通信是由以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的。CAN通信接口是為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖機(jī)與CAN總線之間的物理連接，把聯(lián)鎖機(jī)掛接在CAN總線上，方便實(shí)現(xiàn)信息的交互。

（3） 維修機(jī)主要是監(jiān)視上位監(jiān)控機(jī)和聯(lián)鎖機(jī)之間的通信，獲取運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄，實(shí)時(shí)刷新界面顯示，而且將上位監(jiān)控機(jī)的操作命令、聯(lián)鎖機(jī)處理的信息以及CAN通信情況實(shí)時(shí)的記錄，便于出現(xiàn)故障后的處理以及其他情況處理。

（4） 全電子執(zhí)行單元包括道岔執(zhí)行單元、信號(hào)機(jī)執(zhí)行單元、軌道執(zhí)行單元以及其他執(zhí)行單元，主要完成對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)、軌道電路及其他現(xiàn)場設(shè)備的控制和狀態(tài)采集。執(zhí)行單元和聯(lián)鎖主機(jī)的通信是通過兩條獨(dú)立的CAN總線相連，代替了原來的RS 485總線。聯(lián)鎖主機(jī)將聯(lián)鎖命令根據(jù)規(guī)定的協(xié)議通過CAN總線下發(fā)給各個(gè)執(zhí)行單元，各執(zhí)行單元將兩條CAN總線接收的命令進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)結(jié)果一致后則通過聯(lián)鎖命令來控制現(xiàn)場設(shè)備；同時(shí)采集現(xiàn)場設(shè)備的執(zhí)行情況和狀態(tài)信息，并通過CAN總線傳送給聯(lián)鎖主機(jī)，通過這種方式來完成聯(lián)鎖主機(jī)與執(zhí)行單元的雙向通信[13]。

（5） 執(zhí)行單元和聯(lián)鎖主機(jī)之間用兩條獨(dú)立的CAN總線代替了RS 485總線，形成了分布式控制，提高了實(shí)時(shí)控制的效果，豐富了傳輸?shù)目刂菩畔ⅲ訌?qiáng)了通信的可靠性和實(shí)時(shí)傳輸效率，保證了車站通信系統(tǒng)的安全性和可靠性，為鐵路信號(hào)設(shè)備安全性的深入研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖7 應(yīng)用于車站通信系統(tǒng)的原理框圖

5 結(jié) 語

首先CAN總線在低速以5 Kb/s傳輸時(shí)距離可達(dá)10 km，RS 485只能到1 219 m 左右；其二RS 485一旦壞一個(gè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)就會(huì)癱瘓，CAN總線有CAN控制器，可以對(duì)總線任何錯(cuò)誤進(jìn)行檢測，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能；此外RS 485通信方式只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，實(shí)時(shí)性、可靠性較差，而CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有抗干擾性強(qiáng)、安全性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功能完善和成本合理等特點(diǎn)，因此在車站通信系統(tǒng)中用CAN總線代替RS 485總線進(jìn)行通信。實(shí)踐證明，CAN總線通信能實(shí)現(xiàn)很多優(yōu)勢，如安全性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、功能完善、成本合理、通信距離遠(yuǎn)等，已成功的應(yīng)用于大成公司的鐵路車站全電子通信系統(tǒng)中。

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