基于CAN总线的城轨列车网络控制系统分析

2022-09-09宫占霞焦根平

电子技术与软件工程 2022年12期

宫占霞焦根平

（广东理工学院广东省肇庆市 526100）

城轨列车是当前我国城市交通体系的重要组成部分，有利于解决我国城市交通压力过大的问题。而在现代轨道交通运行过程中，列车的核心控制系统需要应用计算机集技术以及网络控制技术，利用网络控制系统构建，能够完成城轨列车故障诊断、列车运行监控、列车运行数据储存等相关工作，继而保证列车运行良好。而在城轨列车网络控制系统研究中，相关专家提出了CAN总线网络控制系统应用，利用CAN总线网关和协议，实现网络连接，也提升了网络应用效果。

1 CAN总线及其特点分析

CAN总线是现代社会中广泛应用的控制器域网，控制器域网最早应用于汽车领域，是由德国BOSCH公司研发的现场总线技术。该技术是在通信技术发展新要求背景下提出，随着现代工业自动化逐渐发展，对于网络控制技术有了更高的要求。传统的RS-232、 RS-485等已经不能够满足工业自动化生产对网络控制的新要求。所以，经过网络控制技术的创新研发，发明了CAN总线控制技术，该技术具高效的网络通信以及网络控制技术特点。

（1）CAN总线能够设置多个节点，完成更多设备的网络管理。CAN总线支持多个节点挂载在总线上，比较类似I2C总线，可以在SCL和SDA上挂载多个从机。在CAN总线具体应用过程中，总线主要应用MCU/CPU、CAN控制器以及CAN收发器等多个部分。

（2）CAN总线具有错误检测功能。在网络报文发送出错之后，CAN总线能够对错误进行自行检测。

（3）CAN总线节点控制器可以判断错误是暂时的数据错误还是持续性错误，当总线上发生持续数据错误时，控制器可将节点从总线上隔离。

CAN总线不仅符合当前社会生产各领域对于网络控制系统的需求，更是具有一定的网络控制优势。所以，CAN总线在研发成功之后，就开始在当前社会生产中广泛应用。而从上述CAN总线的技术特点中也可以发现，该总线技术也具有良好的应用场景。所以，在现代城轨列车网络控制需求不断提高背景下，提出利用CAN总线设计城轨列车网络控制系统，以提升控制系统的应用效果，以下是城轨列车CAN总线列车网络控制系统的应用分析。

2 基于CAN总线的城轨列车网络控制系统分析

2.1 基于CAN总线的城轨列车网络控制系统设计分析

在本次研究中，针对基于CAN总线的城轨列车网络控制系统的设计进行分析。

（1）线控制方案设计。本次网络控制系统设计中，包括对控制方案进行设计，设计实施中CAN总线选择ISO 11898、而网络通信协议设计中，利用OPEN协议，同时各个节点选择为受控列车子系统设备，而整个列车系统之间的数据传输则应用VCU为列车数据传输模块。以图1为CAN系统的总体控制图。

图1：CAN总线城轨列车网络控制系统图

（2）CAN总线城轨列车网络控制系统的网络控制系统硬件设备设计选择，每个硬件设备都具有相应的功能，才能够确保硬件设备应用合理，也能够提升功能硬件设备应用效果。

1.完成车辆控制单元硬件设计。车辆控制单元硬件设计中，选择VCU控制器，该控制器的应用能够实现对CAN总线的管理，同时在该控制器模块应用之后，能够完成对总线的控制、监视、故障诊断以及数据记录等工作。而为了实现高效的网络控制，本次设计过程中，设计应用两台VCU控制器。以图2为车辆控制单元功能分析图。

图2：车辆控制单元硬件设计

2.设计应用GW网关控制器结构。在本次设计中，要求WTB 总线协议应该具有转换功能，根据总线控制需求，随时能够与CANopen 协议形成相互调整，继而实现列车组重连，也配置网关控制单元，确保网络控制应用良好，也能够实现网络控制效果优化。

3.本次设计应中，完成人机界面设计。是驾驶司机与TCMS之间的可视化界面。显示列车运行状态和故障信息，以帮助司机驾驶列车。

4.本次设计中，CAN总线需要完成网络数据的输入和输出，确保网络应用更加合理。在整个网络应用过程中，还需要完成对网络应用效果管理。本次模块设计中，采用RIOM输出模块。同时，该模块能够在列车运行过程中，将VCU发送的网络控制指令数据发送到列车子系统之中，最终车辆配置单元应用也非常关键，能够实现网关控制。

5.在以太网进行设计应用过程中，采用VCU和HNI进行数据交换，在通讯协议应用过程中，主要是利用Modbus over TCP/IP进行网络通信。

6.进行列车环线设计。列车内部完成网络布设，也需要设计应用电气环路模块，整个电气环路设计应用十分关键，项目整体设计应用中，采用DC24V电气环路进行设计。同时，项目设计应用中，也可以通过电气环路设计，控制列车，防止列车出现失效的问题。

7.针对列车子系统进行设计。在CAN总线网络控制系统设计完成后，总线的控制就是为了完成列车内部系统的融合控制，继而也可以实现列车控制的综合应用管控，确保列车各个系统都能够利用总线网络信息传输完成各项工作。在本次设计中，列车的子系统设计主要为了完成各项功能设计。系统设计完成之后，列车子系统主要包括受电弓高速断路器系统应用、辅助供电系统应用、列车制动系统应用、旅客信息系统应用、空调系统应用、火警系统接入应用等。不同的系统对应不同的功能，以保证CAN总线能够控制列车的各项功能，真正实现网络控制。以图3为列车运行子系统结构图。

图3：列车运行子系统结构图

（3）CAN总线的列车网络控制计算分析。在整个列车控制系统进行设计过程中，需要采用相应的计算方法进行控制计算，并且通过计算分析，控制整个工作系统的工作。如，在CAN总线进行计算设计中，需要完成总线的波特率计算，通过波特率的计算设计，最终管控各项计算质量。以下是对波特率计算公式分析；

Baud=pclk/((3+TESG1+TESG2)*(BRP+1))Baud=pclk/((3+TESG1+TESG2)*(BRP+1))，其中 pclk为APB时钟频率，在CANBridge CANBridge中，pclk固定为16Mhz例如波特率需设置为500KK，则(3+TESG1+TESG2)*(BRP+1)=16000/500=32，推荐，推荐值TESG1=12。在进行计算过程中，要求控制好各项计算手段，最终也能够实现整体计算控制，提升网络计算效果。

2.2 基于CAN总线的城轨列车网络控制系统功能分析

基于CAN总线的城轨列车网络控制系统包括整体控制系统以及其他子系统融合应用。而应用了CAN总线之后，也是为了确保各项系统功能能够良好实现。以下是对该系统设计应用后的各项功能发挥进行分析。

（1）列车运行控制功能。应用CAN总线之后，列车运行能够得到良好的控制，总线网络能够对列车运行数据进行采集，并且通过TCMS控制系统对列车的运行进行控制。如，在CAN总线布置应用后，系统应用非常关键。在整个系统的应用过程中，能够完成列车运行数据采集、列车运行实时监控、列车运行数据记录、日志保存等相关功能，后续的列车控制功能也根据各项工作要求完成，能够确保列车运行更加安全有效，也能够提升列车运行工作质量。

（2）人机界面管理功能。CAN总线的城轨列车网络控制系统在发挥控制功能中，也要依靠人机界面完成操作。使用人员，根据操作需求针对网络控制系统以及列车运行进行操控。在人机操作界面设计中，主要包括列车运行管理界面、列车故障诊断界面。A列车运行管理界面的操作主要能够完成列车运行速度操控、列车限速提示分析、列车驾驶员控制档位等多项控制功能，在列车驾驶员操作中，可以通过HMI触屏功能完成列车操作控制。B列车运行界面操作中，也包括故障诊断界面控制。列车运行中，故障问题是影响到列车运行安全的主要问题，所以在实际的列车运行中，要求总线控制模块能够对故障进行自动诊断、识别和报警。如，在VCU数据传输系统中，故障诊断系统能够获取列车运行的速度、电压。驾驶模式、运行环境等相关信息，通过相关信息的采集和分析，确认列车是否存在故障。通过SD卡内储存的车辆正常运行数据进行对比，发现故障后，针对故障进行描述、发送故障类别、故障等级、故障代码等相关信息，继而保证城轨列车网络控制应用良好，也能够最大程度上提升列车运行效果。

（3）智能故障诊断功能详细分析。人机界面具有故障显示功能，而在整个CAN总线应用过程中，故障诊断功能的实现也是关键的设计。本次系统设计中，TCMS是故障诊断功能的发起模块，TCMS控制系统发送故障诊断指令，并且由VCU数据传输系统完成指令传达，而后置的车辆监控系统就可以完成各模块的运行故障监控。

如，以受电弓故障为例。TCMS和VCU系统发送故障检查指令之后。系统自动完成受电弓命令信号分析、完成降受电弓命令信号分析等，并且通过SD卡的故障功能对比，确认受电弓是否发生故障，同时也确认整个列车运行是发生故障问题。

（4）TCMS总体控制功能设计解析。在整个CAN总线设计中，列车运行控制功能十分重要。整个列车控制功能主要包括牵引控制功能、辅助供电系统功能等组成。利用TCMS和CAN总线完成列车的实际运行控制。

如，以牵引系统为例，整个列车的运行控制十分关键。驾驶司机主要是利用手柄进行牵引系统控制。能够完成牵引档位控制、电机牵引逆变器启动控制以及变流器线电压控制等多项功能。在系统设计应用过程中，TCMS发送牵引系统变更指令，VCU系统完成数据发送等相关工作，而RIOM系统完成列车运行状态监控，并且根据数据指令转换自身的工作模式。同时，在系统设计应用过程中，最后接受指令的是总线设备。如，牵引系统接收指令的设备就是驱动电机设备，从而完成牵引力转变等相关工作。

综上分析发现，基于CAN总线的城轨列车网络控制系统设计是具有网络控制能力、综合控制功能、故障诊断功能的总线系统，满足了现代列车对网络控制系统的应用需求，对于列车的运行也有关键的作用，能够提升列车运行工作质量。

3 列车网络控制系统硬件设计

在列车网络控制系统进行设计过程中，完成系统的综合硬件设计十分关键，能够最大程度上提升设计效果。在列车网络控制系统的综合设计应用中，包括控制模块和网络模块的设计应用。

（1）在整个控制系统的硬件设计中，整个控制模块采用微处理器端口，选择STM32F407微处理器，该处理器拥有专属的DMA控制器装置，同时STM32F407微处理器访问接口简化，具有独立通信渠道SMY接口。该微型处理器应用LAN8720A作为芯片，才可以实现后续的以外网接入，以保证接口具有良好的工作效率。LAN8720A芯片应用后，最大的数据传输速度可以达到100Mbps、具有良好的通信功能。在系统控制过程中，采用MSC1210采集仪器的设计过程中，更需要对仪器的电路践行谁。整个电路的串口通信为RS-232接口、芯片功耗相对比较低。同时，在电路设计中，设计了JI和J2插座接口信号。通过对接口信号的电路设计，保证整个系统应用良好，MSC1210采集仪器3个16位定时器、16位PWM波输出。

（2）网络控制。在整体网络控制设计过程中，网络硬件的设计应用也十分关键，能够提升设计效果。在整个网络硬件模块进行设计中，主要包括MVB总线通信(MVB)板卡、CAN总线通信(CAN)板卡、串口通信(UART)板卡;CPU板卡具备以太网通信模块、数据记录存储模块的设计应用。

1.在MVB总线通信(MVB)板卡进行设计过程中，采用MVB-UART 隔离嵌入式通信板，该板卡全特性MVB冗余接口，支持EMD、ESD+；板卡应用过程中，符合IEC61375标准；MVB总线通信(MVB)板卡开放灵活的配置管理，并且使用+5V供电、低功耗特点，从而控制板卡效果，

2.在CAN总线板卡进行设计。采用1553B板卡，MILSTD-1553B（GJB289A）总线通信模块，其强大的功能能够满足不同用户的工业测量和自动化控制需求，良好的兼容性适用于各类系统配置。该板卡自动BC重试，重试通道可选，重试条件可设，重试次数可设：标准PXI/PXIE/CPCI 3U卡尺寸，×100MM×20MM，公差小于0.2MM标准PCI/PCIE尺寸175MM×106MM，公差小于0.2MM。

3.串口通信板卡设计。在设计中，设计N（4，8）路串口卡，异步模式包括异步RS232/422/485；CHR34X21为异步/同步可设的串口卡，同步模式包括RS422/485。板卡 RS232波特率： 2400 -115.2Kbps，可编程设定RS232/422/485接口方式。

4.完成CPU板卡设计。本次采用BTX板卡，是ATX板卡的改进性，在该板卡应用过程中，优化了板卡的储存能力和信息通信效果。应用了该板卡之后，整个系统的CPU功能提升，实现了系统的总体工作效率升级。

以上是本次列车CAN总线控制网络的硬件设计，希望能够对网络设计有所帮助。

4 基于CAN总线的城轨列车网络控制系统仿真效果分析

基于CAN总线的城轨列车网络控制系统设计是现代列车网络控制系统的设计研发方向。本文探讨了总线控制系统的具体设计应用。而为了验证基于CAN总线的城轨列车网络控制系统具有良好的功能，本文进行研究中，按照上述设计思路进行了CAN总线系统的设计实践。在设计过程中，CAN系统采用TM32H743处理器，该处理器是在ARM Cortex M7 内核处理器基础之上设计的新微型处理器。应用STM32H743处理器，具有400MHz的工作效率、同时整个微处理器的SRAM达到为了1060KB。STM32H743处理器的控制接口也非常多，能够与SD储存卡实现接口连接。而在实践仿真过程中，建立了系统的应用模型，针对列车的网络控制功能进行模拟，通过模拟实践发现。本次设计的CAN总线的城轨列车网络控制系统控制功能、监测功能都能够实现。