CAN网总线在有轨电车上的应用研究

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  【摘 要】结合天津新交通现代有轨电车的运营情况,介绍了天津泰达有轨电车CAN网总线的应用情况,并研究了CAN网总線的主要技术特点,为国内有轨电车列车控制网络的设计和维护提供了借鉴。
  【关键词】CAN网总线;列车控制网络;有轨电车
  1列车控制网络的发展及特点
  计算机技术的不断发展,使得轨道交通车辆上的牵引系统、制动系统以及悬挂系统等都广泛使用了计算机技术,以至于车载计算机设备数量不断增加,为了使这些设备能够更好的交换和共享信息,更好诊断维护,以保证设备能够安全稳定的运行,列车通信网络开始在轨道交通车辆上快速发展起来。20世纪70年代末至80年代初,西门子公司研发并使用了车载计算机,随着通信技术的发展,列车通信网络在初期的串行通信总线的基础上应运而生,逐步形成了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列以及全方位的开发、调试、维护、管理软件工具。
  列车通信网络能够实现整列车汇总所有设备的信息共享、协调工作,以及故障的远程诊断和维护,为旅客提供信息服务等功能。列车通信网络根据不同的控制方式,分为TCN网络、LonWorks网络、ARCNET网络、WorldFIP网络和CAN总线。
  2泰达有轨电车基本情况
  泰达有轨电车为新型的胶轮有轨电车,运行于天津经济技术开发区洞庭路沿线,全车长25m,宽2.22m,高2.95m,由2个司机模块(ME)和3个乘客模块(MP)构成,车辆动力分散在车辆的两个ME模块,与一般的传统轨道车辆相比,泰达有轨电车车辆每个模块的电气设备相当分散,也相对较多,为了实现车辆各个模块之间的通信良好、减少全车的布线、降低成本、保证车辆的安全运行,整车采用了CAN网总线的控制网络。
  3 CAN总线简介
  CAN,全称为“ControllerAreaNetwork”,即控制器局域网,是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN诞生和发展于汽车工业自动控制领域,是两线制"多主对等"总线型拓扑网络,能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制,是唯一有国际标准的现场总线(FieldBus)。CAN被广泛设计作为汽车环境中的微控制器通讯,在车载各电子控制装置ECU之间交换信息,形成汽车电子控制网络。在发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中,均嵌入CAN控制装置。目前世界上一些著名的汽车制造厂商,都采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与车辆各子系统设备的数据通信。
  标准的CAN协议仅定义了OSI参考模型中的物理层和数据链路层。CAN采用多主竞争式结构,其信号传输介质为双绞线、同轴电缆或光纤。采用双绞线通信时,速率最高达1M/s/40m,直接传输距离最远可达5K/s/10km,可挂接设备数量为110个。
  CAN的通信介质访问方式为带优先级的CSMA/CD。CAN信号传输采用短帧结构,每帧的有效字节数为8个,传输时间短,受干扰的概率低,错误严重的CAN节点能自动切断该节点与总线的连接,避免对总线上其他节点造成影响。CAN总线与一般的通信总线相比,具有以下特点:通信方式灵活;CAN网络上的节点信息分成不同的优先级,可满足不同的实时要求;CAN采用非破坏性总线仲裁技术,当多个节点同时向总线发送信息时,优先级较低的节点主动退出发送,而最高优先级的节点可不受影响的技术传输数据,因而CAN具有较高的效率。
  4泰达有轨电车的CAN网总线技术特征
  泰达有轨电车为了实现各个设备的通信,装有车载计算机控制系统,该系统的主要作用为发送控制命令并校验其正确性,采集车辆的状态信息和诊断信息并进行储存,以及管理司机室面板和控制屏,该车载计算机控制系统的良好运行时基于两条冗余的CAN网总线(CANA和CANB),CAN网总线的传输介质为双绞线,为了管理其他辅助电子系统,在CANA的基础上延伸出了辅助CAN网,CAN网和辅助CAN网的协同作用下共同对车辆的状态,包括所有启动脉冲、正常操作命令和非正常操作命令进行实时监测。
  CAN网有两条串行协议传输线传送非安全命令信号,本网络连接命令系统单元,网线和接口均为冗余配置。CAN网为CANA和CANB的网络主机、车辆输入/输出机架、安全设备的安全监控板卡、牵引供电系统、驾驶屏和中央控制板提供通信,辅助CAN网为胎压监测单元、UCD制动控制板卡和牵引电池包提供通信(见下图1)。
  网络和控制线以模块方式连接,从一个互连块到另一个互连块,再连到所控设备。安全控制命令利用线逻辑发送并独立成网。所有故障集中显示在两个驾驶屏并存处在海量存储设备中。如果网络失败,网络设备切换到安全状态,允许执行最低功能:复用输入输出模块:如果失去主机,点亮告警灯并关闭客车厢车门;控制台故障时显示代码;如果主机和一个TCU失去联系,那么控制板提醒司机相关故障模块,车辆切换到限速状态。
  主机的选择由司机确定,司机通过控制板上的双位激活键选择主通信线路,司机在车辆行驶过程中可以切换主机线路,也可由诊断和自动系统导致切换。主机卡版置于车辆终端模块的机架内,一个卡版控制一个网络。作为命令系统的中央单元,主卡板有以下功能:和两个牵引系统通信、接受控制板的指令并回复要求的结果、保证从卡也就是分布在整车中CPUI/O卡和I/O卡执行相关指令以及检验车辆前后输入一致性并按要求显示错误帧。
  每个车辆模块有一个输入输出架。用来固定I/O模块(用来连接车辆不能提供本地智能连接的接口设备)和控制I/O卡,即CPUI/O卡。设备内有微处理器直接与串行线路连接。CPUI/O,I/O板卡迅速检测输入输出的不连续的信号状态并指示给主机。每个机架装有CPUI/O卡板与网络A和B对应。I/O板被设计成双冗余连线输出,两个I/O板的两路输出可连至同一设备来提供连线备份,任一卡板或输出的错误不至引起设备失控。CPUI/O板在与主机失去联系时,切换机架输出到安全状态,同时在有电的情况下,输入输出切换到故障状态。I/O检测内部故障,并指示给CPUI/O。有效性至关重要的输入输出信号由双线独立输入(输出):CPUI/O板输入状态诊断系统来决定读取哪路信号。机架电源双配:CPUI/O检测电源故障。CPUI/O自检内部故障并传送给CAN网。
  图1:泰达有轨电车CAN网
  上图中,A、B、C分别为CAN网A、CAN网B和辅助CAN网C,其中CAN网A和B控制的通信设备相同,二者可以相互转换,辅助CAN网C控制的设备可以通过网关与CAN网A进行通信,这样保证了有轨电车各系统的可靠性。
  5结束语
  现代有轨电车在当今轨道交通车辆中,由于其灵活多变和环保的特点,正在快速发展,国内越来越多的城市都在建设相应的有轨电车线路,随着有轨电车的不断发展,CAN网总线具有实时性、低成本性和灵活性,保证了车辆各控制系统安全稳定运行,未来将会得到更广泛的应用。
  参考文献:
  [1]倪文波王雪梅.高速列车网络与控制技术.西南交通大学出版社,2008
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