CAN总线在屏蔽门系统中的应用

高振天

（郑州机电工程研究所，郑州 450015）

地铁屏蔽门系统主要由电气和机械两部分组成，其中电气监控系统是核心。屏蔽门电气监控系统同时完成控制和监视两种功能，其内部接线采用硬线直连和现场总线两种方式。对安全信号等涉及人身安全因素的采用硬线直连，这些信号包括开关门命令、门全关且锁定、互锁解除等；而状态、报警信息等数据量大且非重要因素采用现场总线，如滑动门状态、应急门状态等。

现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的，应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。根据实际需要，屏蔽门监控系统采用CAN总线方式来实现中央接口盘（PSC）与门控单元（DCU）之间的数据通信。

目前，具有CAN控制器的微控制器（MCU）、可编程序控制器（PLC）以及伺服驱动器较多，很容易应用于工程，本文基于C8051F040单片机，介绍CAN总线的实现以及在屏蔽门系统中的应用。

1 CAN总线简介

CAN总线是一种用于各种设备检测及控制的现场总线，它是一种多主总线，在高速网络和低成本的节点系统应用广泛。CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其特点如下。

1）可以多主方式工作。

2）CAN节点只需对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播方式发送和接收数据。

3）CAN总线通信格式采用短帧格式。

4）采用非破坏性总线仲裁技术。

5）直接通信距离最大可达10 km (速率5 kbit/s以下)，最高通信速率可达1 Mbit/s (此时距离最长为40 m)，节点数可达110个，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。

6）CAN总线采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。

2 CAN总线应用方案

2.1 技术要求

PSC是屏蔽门监控系统的主设备，负责网络系统内部信息的收发、采集、汇总和分析，并与其他系统(如信号系统、综合监控系统等)通过专用接口进行实时信息交换。其中，PSC与DCU之间的通信采用冗余CAN总线连接， DCU作为网络节点挂接在总线上，作为网络节点的从设备，为PSC提供各种有用信息。对CAN总线网络的要求如下。

1）节点数不少于40个：因目前通用的A型车为8节车厢，每节车厢5个门，共40个门单元；B型车为6节车厢，每节车厢4个门，共24个门单元。

2）传输距离不小于350 m：地铁站台的有效长度一般在180 m左右，还要考虑屏蔽门设备室的位置，并留一定的裕量。

3）任一个或多个节点故障不能影响其他单元的通信，即采用总线型网络拓扑结构。

2.2 硬件构成

本设计中采用的微控制器为C8051F040，其内部集成CAN协议控制器。在CAN接口节点设计上，只需再外接CAN总线收发器就能完成CAN总线的硬件层。CAN总线收发器采用PCA82C250，同时使用两片，通过硬件扩展来达到双CAN的冗余效果。DCU硬件基于C8051F040，通过拨码开关来设置CAN节点地址，每个DCU在网络上都有一个唯一的地址。因此，PSC通过现场总线转换器能辨别每个DCU的地址，并从DCU获取信息。在维护时如果DCU需要更换，它的地址保持不变，更换后不需要重新设置其网络地址。其网络结构如图1所示。

2.3 软件实现

本设计的软件部分主要包括DCU的CAN处理和现场总线控制器的CAN转换。DCU部分主要是CAN协议的解析和数据的处理，主要包括CAN的初始化、发送和接收等常规程序。现场总线控制器相当于一个转换器，根据PSC与DCU的通信协议，在PSC和DCU之间传送数据。具体程序不再赘述。

3 CAN位定时寄存器值的确定

位定时参数对CAN总线网络性能有着显著影响，虽然一些微小误差不会立即引起总线故障，但却会导致总线性能严重下降，因此，正确配置位定时寄存器的值十分重要。

位定时寄存器值的配置公式：

其中：TSeg2=Phase_Seg2-1

因此，只需要确定：BRP、Prop_Seg、Prop_Seg1、Prop_Seg2，配置步骤如下。

1)确定CAN时钟周期tCAN_CLK。一般情况下，CAN时钟来源于系统时钟，如外接晶体为22.118 4 MHz，若系统时钟配置为二分频模式，则tCAN_CLK为 1/11.0592=90.422 ns。

2）确定位速率、位时间。位速率即是CAN网络通信速率，根据实际的现场总线长度来定，可参考CAN用户手册。如期望位速率为100 kbit/s，则位时间为10 000 ns。

3）确定CAN时间量子tq。在位时间内，有4～25个时间量子，则可以确定tq的范围。

4）确定波特率预分频器BRP值。根据tq=BRP*tCAN_CLK，选取一个合适的BRP值，再反过来确认真正的tq值、位速率值和位时间值，进而得出tq数量。

5）确定 Prop_Seg、Prop_Seg1、Prop_Seg2。如图2所示，其中Sync_Seg=1，Prop_Seg代表总线传输延时，按5ns/m计算，再考虑总线收发芯片的延时。Prop_Seg1和Prop_Seg2之间的关系为相等或Prop_Seg2=Prop_Seg1+1。合理分配tq的数量，得出相应值带入公式即可。

4 总结

采用CAN总线技术构建屏蔽门系统通信网络，提高了系统的稳定性和实时性，系统成本低，安装维护简单，具有良好的升级、扩展能力。基于CAN总线的轨道交通站台屏蔽门系统已经成功在上海某地铁站台推广应用，运行可靠，实现了设计目标。

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