关键词：城轨车辆、数据传输、汽车网络控制系统、CANopen协议
引言：城市轨道车辆存在大量的外围设备和I/0信号及子设备。怎样落实外围设备和控制主机之间的实时通信，保证车辆的可靠运行是极为重要的一项问题。目前，城市轨道交通网络通常具有两种方式:（1）使用铁路中特有的TCN网络控制系统，但其施工成本高，维护和故障定位极为复杂；（2）使用立足于通用现场总线的分布式控制系统，这一系统具有技术通用性强、成本低、组网方便等特点。结合现如今城市轨道交通技术发展前景来看，提出铁路IEC61375标准的建议，并对各种公交收费进行比较，可以将CAN (ControllerArea Network)总线作为城市轨道交通的骨干，并使用CANopen协议对软件系统建设进行支持。
1城市轨道车辆控制系统平台的总体组成
城市轨道车辆控制系统的整体主要是由监控主机、CANopen网关、IV0从站节点和CAN总线网络共同组合而成的，其典型的车辆网络结构如图1所示。在现场进行分布的CANopenVO从站等节点连接车辆的外部设备，往往是利用CAN通信接口对总线进行连接；CANopenMPU主控单元经过CAN总线和其自身网络中各个从站节点间的所有从节点通信，以此来完成对城轨车辆这一系统的分散监督和整体控制，使得系统能够具有安全性与可靠性。在这一控制体系中，CANopen从节点RIOM cell gateway的CAN接口主要是由CAN控制器与收发器、外围电路等共同组成。监控计算机能够对PC机或IPC机进行相应的选择。CAN总线网络主要是通过各个控制节点间的屏蔽双绞线来进行构造，总线的两端和1200的匹配电阻进行连接，以此来提升系统的稳定性，不断强化系统自身的抗干扰作用。
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图1 CANopen典型车辆网络拓扑结构
2 CANopen从站硬件设计
现如今，有以下两种CAN总线器件能够进行选择：（1）例如P8XC591/2、87C196CA/CB、MC68376等具有片内微控制器；（2）如飞利浦企业的SIA1000、82C200、英特尔企业的82526和微芯片企业的MCP2510等独立的CAN控制器。然而独立的CAN控制芯片必须由一个外部微处理器来接收外部CPU的控制才可以进行运作。这一系统使用了AT-MEL企业的AT91SAM7A3单片机和芯片内CAN控制器，对节点硬件进行了相应的简化，使得系统的可靠性能够不断提升。
CANopen从站节点的硬件通常是使用模块化结构，由微控制器、CAN通信模块、输入接口模块以及输出、开拓接口模块的参数设置模块组合而成，这一系统的结构如图2。
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图2 CANopen 从站节点结构框图
3 CANopen 从站软件设计
在进行从站软件设计的过程中，采用了KEIL C51的Windows编程语言来展现各种效用，软件设计遵循模块化的设计原则，与从节点的硬件设计具有一致性，使得控制软件拥有易读、易扩充、易维护的特点。各个功能模块之间利用入口与出口参数来进行联系，其组合具有灵活性与便利性。
3.1CANopen通信协议
各种设备经过CAN总线开展组网的连接，CANopen通信协议接口主要在总线上提供接收和发放通信对象的服务。各个CANopen设备之间的通信都是经过通信目标的交换来实现的，其设备模型如图3.
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图3 CANopen设备模型
CANopen协议对四个通信对象进行了定义，以此来处理各种信息，其中包含了：NMT对象，用于传输整个网络系统的主节点管理信息；SDO对象，用于对网络系统中的配置信息进行传输；PDO对象,用于实时传输工艺数据信息；特殊作用对象（包含了对象、紧急对象、时间截对象等。）
3.2落实CANopen通信协议
1/0从站在软件设计过程中遵守了CANopen协议，使用程序中预先定义的强制默认标识符分配表，对主/从连接集进行预先定义。从站节点支持4个接收和发送PDO对象、各1个SDO对象、应急对象与节点错误控制对象。在开展系统设计时，根据通信协议的特征，大部分使用结构体方式来定义，例如：CAN消息，发送与接收PDO配置对象，CANopen协议配置对象等。经过定义结构指针变量来实现读写有关数据，使得编程更加便利。
4控制系统的测试平台
图1中展示了控制系统整体测试网络构架。监控计算机主要应用了德国VECTOR企业开发的CAN-alyzer软件。CANopen主挖单元则是CAN总线网络的主站，CANopen从站节点与CAN总线之间的数据通信形成了城市轨道车辆的控制体系。在实现控制系统的硬件连接以后，还应该利用主控单元软件CANopen对整个网络开展配置，其中包含了：为每个CANopen子设备配置对象字典；设置CAN有关的通信参数；设置CANopen协议有关的系统参数；在屏幕中现实连接了网络系统的主设备与从设备，清楚看到CANopen从站节点个端口的情况，并对监控输出点的状况进行实时监督，能够强制设置与复位输出点。
5控制系统测试结果
为了进行系统通信测试，相关人员在CANopen主程序中增加了数千个子节点，并在所有节点上定义了4个符合标准的tpdos和rpdos。一方面，在主控单元系统库管理中添加标准的CANopen协议库文件，使上位机能够对CANopen通信协议进行有效的支持；另一方面，并重视将程序中定义变量以及设备端口的地质相互联系，不然系统在开展程序翻译的过程中有可能出现报告错误。在完成编程，系统正常运营的过程中，矢量在上位机中供应了极佳的监控画面，有效展示了系统负荷率与数据交互等有效的人机交互界面。
结论：经过CAN现场总线的主控单元与从控单元，构建了城市轨道车辆的分布式控制系统，使得CANopen的主站和从站节点之间的稳定通信能够得到落实。CANopen CAP1131主控单元采用图形化编程，其界面具有友好性和方便性。利用德国VECTOR企业的CANalyzer软件，对CANopen主站和从站组合而成的城市轨道车辆分布式控制网络开展了相应的分析，并且检测了整个设计方案的可靠性与有效性，对系统信息传输的准确、及时、可靠等性能进行了验证，同时还验证了CANopen从站和其他产品的兼容性。通过实验表示，设计出的立足于CANopen协议的从站能够良好的满足城市轨道车辆控制系统的需求，其自身的技术方案与执行方法能够在城市轨道分布式控制系统中进行有效的推广和使用。
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论文作者:刘维洋
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第18期
论文发表时间:2020/4/23
标签：节点论文; 控制系统论文; 系统论文; 对象论文; 车辆论文; 协议论文; 总线论文; 《当代电力文化》2019年第18期论文;