宮占霞 焦根平
(廣東理工學(xué)院 廣東省肇慶市 526100)
城軌列車是當(dāng)前我國(guó)城市交通體系的重要組成部分,有利于解決我國(guó)城市交通壓力過大的問題。而在現(xiàn)代軌道交通運(yùn)行過程中,列車的核心控制系統(tǒng)需要應(yīng)用計(jì)算機(jī)集技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù),利用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)構(gòu)建,能夠完成城軌列車故障診斷、列車運(yùn)行監(jiān)控、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等相關(guān)工作,繼而保證列車運(yùn)行良好。而在城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究中,相關(guān)專家提出了CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用,利用CAN總線網(wǎng)關(guān)和協(xié)議,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接,也提升了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用效果。
CAN總線是現(xiàn)代社會(huì)中廣泛應(yīng)用的控制器域網(wǎng),控制器域網(wǎng)最早應(yīng)用于汽車領(lǐng)域,是由德國(guó)BOSCH公司研發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。該技術(shù)是在通信技術(shù)發(fā)展新要求背景下提出,隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化逐漸發(fā)展,對(duì)于網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)有了更高的要求。傳統(tǒng)的RS-232、 RS-485等已經(jīng)不能夠滿足工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制的新要求。所以,經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā),發(fā)明了CAN總線控制技術(shù),該技術(shù)具高效的網(wǎng)絡(luò)通信以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)特點(diǎn)。
(1)CAN總線能夠設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn),完成更多設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管理。CAN總線支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)掛載在總線上,比較類似I2C總線,可以在SCL和SDA上掛載多個(gè)從機(jī)。在CAN總線具體應(yīng)用過程中,總線主要應(yīng)用MCU/CPU、CAN控制器以及CAN收發(fā)器等多個(gè)部分。
(2)CAN總線具有錯(cuò)誤檢測(cè)功能。在網(wǎng)絡(luò)報(bào)文發(fā)送出錯(cuò)之后,CAN總線能夠?qū)﹀e(cuò)誤進(jìn)行自行檢測(cè)。
(3)CAN總線節(jié)點(diǎn)控制器可以判斷錯(cuò)誤是暫時(shí)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤還是持續(xù)性錯(cuò)誤,當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí),控制器可將節(jié)點(diǎn)從總線上隔離。
CAN總線不僅符合當(dāng)前社會(huì)生產(chǎn)各領(lǐng)域?qū)τ诰W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的需求,更是具有一定的網(wǎng)絡(luò)控制優(yōu)勢(shì)。所以,CAN總線在研發(fā)成功之后,就開始在當(dāng)前社會(huì)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。而從上述CAN總線的技術(shù)特點(diǎn)中也可以發(fā)現(xiàn),該總線技術(shù)也具有良好的應(yīng)用場(chǎng)景。所以,在現(xiàn)代城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制需求不斷提高背景下,提出利用CAN總線設(shè)計(jì)城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),以提升控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果,以下是城軌列車CAN總線列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析。
在本次研究中,針對(duì)基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。
(1)線控制方案設(shè)計(jì)。本次網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,包括對(duì)控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)實(shí)施中CAN總線選擇ISO 11898、而網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)中,利用OPEN協(xié)議,同時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇為受控列車子系統(tǒng)設(shè)備,而整個(gè)列車系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸則應(yīng)用VCU為列車數(shù)據(jù)傳輸模塊。以圖1為CAN系統(tǒng)的總體控制圖。
圖1:CAN總線城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)圖
(2)CAN總線城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件設(shè)備設(shè)計(jì)選擇,每個(gè)硬件設(shè)備都具有相應(yīng)的功能,才能夠確保硬件設(shè)備應(yīng)用合理,也能夠提升功能硬件設(shè)備應(yīng)用效果。
1.完成車輛控制單元硬件設(shè)計(jì)。車輛控制單元硬件設(shè)計(jì)中,選擇VCU控制器,該控制器的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)CAN總線的管理,同時(shí)在該控制器模塊應(yīng)用之后,能夠完成對(duì)總線的控制、監(jiān)視、故障診斷以及數(shù)據(jù)記錄等工作。而為了實(shí)現(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)控制,本次設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)應(yīng)用兩臺(tái)VCU控制器。以圖2為車輛控制單元功能分析圖。
圖2:車輛控制單元硬件設(shè)計(jì)
2.設(shè)計(jì)應(yīng)用GW網(wǎng)關(guān)控制器結(jié)構(gòu)。在本次設(shè)計(jì)中,要求WTB 總線協(xié)議應(yīng)該具有轉(zhuǎn)換功能,根據(jù)總線控制需求,隨時(shí)能夠與CANopen 協(xié)議形成相互調(diào)整,繼而實(shí)現(xiàn)列車組重連,也配置網(wǎng)關(guān)控制單元,確保網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用良好,也能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制效果優(yōu)化。
3.本次設(shè)計(jì)應(yīng)中,完成人機(jī)界面設(shè)計(jì)。是駕駛司機(jī)與TCMS之間的可視化界面。顯示列車運(yùn)行狀態(tài)和故障信息,以幫助司機(jī)駕駛列車。
4.本次設(shè)計(jì)中,CAN總線需要完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的輸入和輸出,確保網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用更加合理。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過程中,還需要完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用效果管理。本次模塊設(shè)計(jì)中,采用RIOM輸出模塊。同時(shí),該模塊能夠在列車運(yùn)行過程中,將VCU發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)控制指令數(shù)據(jù)發(fā)送到列車子系統(tǒng)之中,最終車輛配置單元應(yīng)用也非常關(guān)鍵,能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)關(guān)控制。
5.在以太網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中,采用VCU和HNI進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,在通訊協(xié)議應(yīng)用過程中,主要是利用Modbus over TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。
6.進(jìn)行列車環(huán)線設(shè)計(jì)。列車內(nèi)部完成網(wǎng)絡(luò)布設(shè),也需要設(shè)計(jì)應(yīng)用電氣環(huán)路模塊,整個(gè)電氣環(huán)路設(shè)計(jì)應(yīng)用十分關(guān)鍵,項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)應(yīng)用中,采用DC24V電氣環(huán)路進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí),項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)用中,也可以通過電氣環(huán)路設(shè)計(jì),控制列車,防止列車出現(xiàn)失效的問題。
7.針對(duì)列車子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,總線的控制就是為了完成列車內(nèi)部系統(tǒng)的融合控制,繼而也可以實(shí)現(xiàn)列車控制的綜合應(yīng)用管控,確保列車各個(gè)系統(tǒng)都能夠利用總線網(wǎng)絡(luò)信息傳輸完成各項(xiàng)工作。在本次設(shè)計(jì)中,列車的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要為了完成各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后,列車子系統(tǒng)主要包括受電弓高速斷路器系統(tǒng)應(yīng)用、輔助供電系統(tǒng)應(yīng)用、列車制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用、旅客信息系統(tǒng)應(yīng)用、空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用、火警系統(tǒng)接入應(yīng)用等。不同的系統(tǒng)對(duì)應(yīng)不同的功能,以保證CAN總線能夠控制列車的各項(xiàng)功能,真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。以圖3為列車運(yùn)行子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖3:列車運(yùn)行子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
(3)CAN總線的列車網(wǎng)絡(luò)控制計(jì)算分析。在整個(gè)列車控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中,需要采用相應(yīng)的計(jì)算方法進(jìn)行控制計(jì)算,并且通過計(jì)算分析,控制整個(gè)工作系統(tǒng)的工作。如,在CAN總線進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)中,需要完成總線的波特率計(jì)算,通過波特率的計(jì)算設(shè)計(jì),最終管控各項(xiàng)計(jì)算質(zhì)量。以下是對(duì)波特率計(jì)算公式分析;
Baud=pclk/((3+TESG1+TESG2)*(BRP+1))Baud=pclk/((3+TESG1+TESG2)*(BRP+1)),其中 pclk為APB時(shí)鐘頻率,在CANBridge CANBridge中,pclk固定為16Mhz例如波特率需設(shè)置為500KK,則(3+TESG1+TESG2)*(BRP+1)=16000/500=32,推薦,推薦值TESG1=12。在進(jìn)行計(jì)算過程中,要求控制好各項(xiàng)計(jì)算手段,最終也能夠?qū)崿F(xiàn)整體計(jì)算控制,提升網(wǎng)絡(luò)計(jì)算效果。
基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)包括整體控制系統(tǒng)以及其他子系統(tǒng)融合應(yīng)用。而應(yīng)用了CAN總線之后,也是為了確保各項(xiàng)系統(tǒng)功能能夠良好實(shí)現(xiàn)。以下是對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用后的各項(xiàng)功能發(fā)揮進(jìn)行分析。
(1)列車運(yùn)行控制功能。應(yīng)用CAN總線之后,列車運(yùn)行能夠得到良好的控制,總線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)α熊囘\(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并且通過TCMS控制系統(tǒng)對(duì)列車的運(yùn)行進(jìn)行控制。如,在CAN總線布置應(yīng)用后,系統(tǒng)應(yīng)用非常關(guān)鍵。在整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用過程中,能夠完成列車運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、列車運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄、日志保存等相關(guān)功能,后續(xù)的列車控制功能也根據(jù)各項(xiàng)工作要求完成,能夠確保列車運(yùn)行更加安全有效,也能夠提升列車運(yùn)行工作質(zhì)量。
(2)人機(jī)界面管理功能。CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在發(fā)揮控制功能中,也要依靠人機(jī)界面完成操作。使用人員,根據(jù)操作需求針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以及列車運(yùn)行進(jìn)行操控。在人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)中,主要包括列車運(yùn)行管理界面、列車故障診斷界面。A列車運(yùn)行管理界面的操作主要能夠完成列車運(yùn)行速度操控、列車限速提示分析、列車駕駛員控制檔位等多項(xiàng)控制功能,在列車駕駛員操作中,可以通過HMI觸屏功能完成列車操作控制。B列車運(yùn)行界面操作中,也包括故障診斷界面控制。列車運(yùn)行中,故障問題是影響到列車運(yùn)行安全的主要問題,所以在實(shí)際的列車運(yùn)行中,要求總線控制模塊能夠?qū)收线M(jìn)行自動(dòng)診斷、識(shí)別和報(bào)警。如,在VCU數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,故障診斷系統(tǒng)能夠獲取列車運(yùn)行的速度、電壓。駕駛模式、運(yùn)行環(huán)境等相關(guān)信息,通過相關(guān)信息的采集和分析,確認(rèn)列車是否存在故障。通過SD卡內(nèi)儲(chǔ)存的車輛正常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)故障后,針對(duì)故障進(jìn)行描述、發(fā)送故障類別、故障等級(jí)、故障代碼等相關(guān)信息,繼而保證城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用良好,也能夠最大程度上提升列車運(yùn)行效果。
(3)智能故障診斷功能詳細(xì)分析。人機(jī)界面具有故障顯示功能,而在整個(gè)CAN總線應(yīng)用過程中,故障診斷功能的實(shí)現(xiàn)也是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,TCMS是故障診斷功能的發(fā)起模塊,TCMS控制系統(tǒng)發(fā)送故障診斷指令,并且由VCU數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)完成指令傳達(dá),而后置的車輛監(jiān)控系統(tǒng)就可以完成各模塊的運(yùn)行故障監(jiān)控。
如,以受電弓故障為例。TCMS和VCU系統(tǒng)發(fā)送故障檢查指令之后。系統(tǒng)自動(dòng)完成受電弓命令信號(hào)分析、完成降受電弓命令信號(hào)分析等,并且通過SD卡的故障功能對(duì)比,確認(rèn)受電弓是否發(fā)生故障,同時(shí)也確認(rèn)整個(gè)列車運(yùn)行是發(fā)生故障問題。
(4)TCMS總體控制功能設(shè)計(jì)解析。在整個(gè)CAN總線設(shè)計(jì)中,列車運(yùn)行控制功能十分重要。整個(gè)列車控制功能主要包括牽引控制功能、輔助供電系統(tǒng)功能等組成。利用TCMS和CAN總線完成列車的實(shí)際運(yùn)行控制。
如,以牽引系統(tǒng)為例,整個(gè)列車的運(yùn)行控制十分關(guān)鍵。駕駛司機(jī)主要是利用手柄進(jìn)行牽引系統(tǒng)控制。能夠完成牽引檔位控制、電機(jī)牽引逆變器啟動(dòng)控制以及變流器線電壓控制等多項(xiàng)功能。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中,TCMS發(fā)送牽引系統(tǒng)變更指令,VCU系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)發(fā)送等相關(guān)工作,而RIOM系統(tǒng)完成列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控,并且根據(jù)數(shù)據(jù)指令轉(zhuǎn)換自身的工作模式。同時(shí),在系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中,最后接受指令的是總線設(shè)備。如,牽引系統(tǒng)接收指令的設(shè)備就是驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)備,從而完成牽引力轉(zhuǎn)變等相關(guān)工作。
綜上分析發(fā)現(xiàn),基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是具有網(wǎng)絡(luò)控制能力、綜合控制功能、故障診斷功能的總線系統(tǒng),滿足了現(xiàn)代列車對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求,對(duì)于列車的運(yùn)行也有關(guān)鍵的作用,能夠提升列車運(yùn)行工作質(zhì)量。
在列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中,完成系統(tǒng)的綜合硬件設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵,能夠最大程度上提升設(shè)計(jì)效果。在列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)應(yīng)用中,包括控制模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)用。
(1)在整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中,整個(gè)控制模塊采用微處理器端口,選擇STM32F407微處理器,該處理器擁有專屬的DMA控制器裝置,同時(shí)STM32F407微處理器訪問接口簡(jiǎn)化,具有獨(dú)立通信渠道SMY接口。該微型處理器應(yīng)用LAN8720A作為芯片,才可以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的以外網(wǎng)接入,以保證接口具有良好的工作效率。LAN8720A芯片應(yīng)用后,最大的數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到100Mbps、具有良好的通信功能。在系統(tǒng)控制過程中,采用MSC1210采集儀器的設(shè)計(jì)過程中,更需要對(duì)儀器的電路踐行誰。整個(gè)電路的串口通信為RS-232接口、芯片功耗相對(duì)比較低。同時(shí),在電路設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)了JI和J2插座接口信號(hào)。通過對(duì)接口信號(hào)的電路設(shè)計(jì),保證整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用良好,MSC1210采集儀器3個(gè)16位定時(shí)器、16位PWM波輸出。
(2)網(wǎng)絡(luò)控制。在整體網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)過程中,網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計(jì)應(yīng)用也十分關(guān)鍵,能夠提升設(shè)計(jì)效果。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)硬件模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)中,主要包括MVB總線通信(MVB)板卡、CAN總線通信(CAN)板卡、串口通信(UART)板卡;CPU板卡具備以太網(wǎng)通信模塊、數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)用。
1.在MVB總線通信(MVB)板卡進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中,采用MVB-UART 隔離嵌入式通信板,該板卡全特性MVB冗余接口,支持EMD、ESD+;板卡應(yīng)用過程中,符合IEC61375標(biāo)準(zhǔn);MVB總線通信(MVB)板卡開放靈活的配置管理,并且使用+5V供電、低功耗特點(diǎn),從而控制板卡效果,
2.在CAN總線板卡進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用1553B板卡,MILSTD-1553B(GJB289A)總線通信模塊,其強(qiáng)大的功能能夠滿足不同用戶的工業(yè)測(cè)量和自動(dòng)化控制需求,良好的兼容性適用于各類系統(tǒng)配置。該板卡自動(dòng)BC重試,重試通道可選,重試條件可設(shè),重試次數(shù)可設(shè):標(biāo)準(zhǔn)PXI/PXIE/CPCI 3U卡尺寸,×100MM×20MM,公差小于0.2MM標(biāo)準(zhǔn)PCI/PCIE尺寸175MM×106MM,公差小于0.2MM。
3.串口通信板卡設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)N(4,8)路串口卡,異步模式包括異步RS232/422/485;CHR34X21為異步/同步可設(shè)的串口卡,同步模式包括RS422/485。板卡 RS232波特率: 2400 -115.2Kbps,可編程設(shè)定RS232/422/485接口方式。
4.完成CPU板卡設(shè)計(jì)。本次采用BTX板卡,是ATX板卡的改進(jìn)性,在該板卡應(yīng)用過程中,優(yōu)化了板卡的儲(chǔ)存能力和信息通信效果。應(yīng)用了該板卡之后,整個(gè)系統(tǒng)的CPU功能提升,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的總體工作效率升級(jí)。
以上是本次列車CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì),希望能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)有所幫助。
基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是現(xiàn)代列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)方向。本文探討了總線控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)應(yīng)用。而為了驗(yàn)證基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有良好的功能,本文進(jìn)行研究中,按照上述設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了CAN總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐。在設(shè)計(jì)過程中,CAN系統(tǒng)采用TM32H743處理器,該處理器是在ARM Cortex M7 內(nèi)核處理器基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)的新微型處理器。應(yīng)用STM32H743處理器,具有400MHz的工作效率、同時(shí)整個(gè)微處理器的SRAM達(dá)到為了1060KB。STM32H743處理器的控制接口也非常多,能夠與SD儲(chǔ)存卡實(shí)現(xiàn)接口連接。而在實(shí)踐仿真過程中,建立了系統(tǒng)的應(yīng)用模型,針對(duì)列車的網(wǎng)絡(luò)控制功能進(jìn)行模擬,通過模擬實(shí)踐發(fā)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)的CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制功能、監(jiān)測(cè)功能都能夠?qū)崿F(xiàn)。
利用CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)控制功能良好的特點(diǎn)。而通過本文對(duì)CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)踐模擬也確定了該系統(tǒng)的應(yīng)用合理性,希望本文能夠?qū)Τ擒壛熊嚲W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展有所幫助。