宮占霞 焦根平

（廣東理工學院 廣東省肇慶市 526100）

城軌列車是當前我國城市交通體系的重要組成部分，有利于解決我國城市交通壓力過大的問題。而在現(xiàn)代軌道交通運行過程中，列車的核心控制系統(tǒng)需要應用計算機集技術(shù)以及網(wǎng)絡控制技術(shù)，利用網(wǎng)絡控制系統(tǒng)構(gòu)建，能夠完成城軌列車故障診斷、列車運行監(jiān)控、列車運行數(shù)據(jù)儲存等相關(guān)工作，繼而保證列車運行良好。而在城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)研究中，相關(guān)專家提出了CAN總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)應用，利用CAN總線網(wǎng)關(guān)和協(xié)議，實現(xiàn)網(wǎng)絡連接，也提升了網(wǎng)絡應用效果。

1 CAN總線及其特點分析

CAN總線是現(xiàn)代社會中廣泛應用的控制器域網(wǎng)，控制器域網(wǎng)最早應用于汽車領(lǐng)域，是由德國BOSCH公司研發(fā)的現(xiàn)場總線技術(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)自動化逐漸發(fā)展，對于網(wǎng)絡控制技術(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)自動化生產(chǎn)對網(wǎng)絡控制的新要求。所以，經(jīng)過網(wǎng)絡控制技術(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)絡通信以及網(wǎng)絡控制技術(shù)特點。

（1）CAN總線能夠設(shè)置多個節(jié)點，完成更多設(shè)備的網(wǎng)絡管理。CAN總線支持多個節(jié)點掛載在總線上，比較類似I2C總線，可以在SCL和SDA上掛載多個從機。在CAN總線具體應用過程中，總線主要應用MCU/CPU、CAN控制器以及CAN收發(fā)器等多個部分。

（2）CAN總線具有錯誤檢測功能。在網(wǎng)絡報文發(fā)送出錯之后，CAN總線能夠?qū)﹀e誤進行自行檢測。

（3）CAN總線節(jié)點控制器可以判斷錯誤是暫時的數(shù)據(jù)錯誤還是持續(xù)性錯誤，當總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯誤時，控制器可將節(jié)點從總線上隔離。

CAN總線不僅符合當前社會生產(chǎn)各領(lǐng)域?qū)τ诰W(wǎng)絡控制系統(tǒng)的需求，更是具有一定的網(wǎng)絡控制優(yōu)勢。所以，CAN總線在研發(fā)成功之后，就開始在當前社會生產(chǎn)中廣泛應用。而從上述CAN總線的技術(shù)特點中也可以發(fā)現(xiàn)，該總線技術(shù)也具有良好的應用場景。所以，在現(xiàn)代城軌列車網(wǎng)絡控制需求不斷提高背景下，提出利用CAN總線設(shè)計城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，以提升控制系統(tǒng)的應用效果，以下是城軌列車CAN總線列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的應用分析。

2 基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)分析

2.1 基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設(shè)計分析

在本次研究中，針對基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的設(shè)計進行分析。

（1）線控制方案設(shè)計。本次網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設(shè)計中，包括對控制方案進行設(shè)計，設(shè)計實施中CAN總線選擇ISO 11898、而網(wǎng)絡通信協(xié)議設(shè)計中，利用OPEN協(xié)議，同時各個節(jié)點選擇為受控列車子系統(tǒng)設(shè)備，而整個列車系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸則應用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)絡控制系統(tǒng)圖

（2）CAN總線城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)硬件設(shè)備設(shè)計選擇，每個硬件設(shè)備都具有相應的功能，才能夠確保硬件設(shè)備應用合理，也能夠提升功能硬件設(shè)備應用效果。

1.完成車輛控制單元硬件設(shè)計。車輛控制單元硬件設(shè)計中，選擇VCU控制器，該控制器的應用能夠?qū)崿F(xiàn)對CAN總線的管理，同時在該控制器模塊應用之后，能夠完成對總線的控制、監(jiān)視、故障診斷以及數(shù)據(jù)記錄等工作。而為了實現(xiàn)高效的網(wǎng)絡控制，本次設(shè)計過程中，設(shè)計應用兩臺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

2.設(shè)計應用GW網(wǎng)關(guān)控制器結(jié)構(gòu)。在本次設(shè)計中，要求WTB 總線協(xié)議應該具有轉(zhuǎn)換功能，根據(jù)總線控制需求，隨時能夠與CANopen 協(xié)議形成相互調(diào)整，繼而實現(xiàn)列車組重連，也配置網(wǎng)關(guān)控制單元，確保網(wǎng)絡控制應用良好，也能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡控制效果優(yōu)化。

3.本次設(shè)計應中，完成人機界面設(shè)計。是駕駛司機與TCMS之間的可視化界面。顯示列車運行狀態(tài)和故障信息，以幫助司機駕駛列車。

4.本次設(shè)計中，CAN總線需要完成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的輸入和輸出，確保網(wǎng)絡應用更加合理。在整個網(wǎng)絡應用過程中，還需要完成對網(wǎng)絡應用效果管理。本次模塊設(shè)計中，采用RIOM輸出模塊。同時，該模塊能夠在列車運行過程中，將VCU發(fā)送的網(wǎng)絡控制指令數(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)進行設(shè)計應用過程中，采用VCU和HNI進行數(shù)據(jù)交換，在通訊協(xié)議應用過程中，主要是利用Modbus over TCP/IP進行網(wǎng)絡通信。

6.進行列車環(huán)線設(shè)計。列車內(nèi)部完成網(wǎng)絡布設(shè)，也需要設(shè)計應用電氣環(huán)路模塊，整個電氣環(huán)路設(shè)計應用十分關(guān)鍵，項目整體設(shè)計應用中，采用DC24V電氣環(huán)路進行設(shè)計。同時，項目設(shè)計應用中，也可以通過電氣環(huán)路設(shè)計，控制列車，防止列車出現(xiàn)失效的問題。

7.針對列車子系統(tǒng)進行設(shè)計。在CAN總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，總線的控制就是為了完成列車內(nèi)部系統(tǒng)的融合控制，繼而也可以實現(xiàn)列車控制的綜合應用管控，確保列車各個系統(tǒng)都能夠利用總線網(wǎng)絡信息傳輸完成各項工作。在本次設(shè)計中，列車的子系統(tǒng)設(shè)計主要為了完成各項功能設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計完成之后，列車子系統(tǒng)主要包括受電弓高速斷路器系統(tǒng)應用、輔助供電系統(tǒng)應用、列車制動系統(tǒng)應用、旅客信息系統(tǒng)應用、空調(diào)系統(tǒng)應用、火警系統(tǒng)接入應用等。不同的系統(tǒng)對應不同的功能，以保證CAN總線能夠控制列車的各項功能，真正實現(xiàn)網(wǎng)絡控制。以圖3為列車運行子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3：列車運行子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（3）CAN總線的列車網(wǎng)絡控制計算分析。在整個列車控制系統(tǒng)進行設(shè)計過程中，需要采用相應的計算方法進行控制計算，并且通過計算分析，控制整個工作系統(tǒng)的工作。如，在CAN總線進行計算設(shè)計中，需要完成總線的波特率計算，通過波特率的計算設(shè)計，最終管控各項計算質(zhì)量。以下是對波特率計算公式分析；

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。在進行計算過程中，要求控制好各項計算手段，最終也能夠?qū)崿F(xiàn)整體計算控制，提升網(wǎng)絡計算效果。

2.2 基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)功能分析

基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)包括整體控制系統(tǒng)以及其他子系統(tǒng)融合應用。而應用了CAN總線之后，也是為了確保各項系統(tǒng)功能能夠良好實現(xiàn)。以下是對該系統(tǒng)設(shè)計應用后的各項功能發(fā)揮進行分析。

（1）列車運行控制功能。應用CAN總線之后，列車運行能夠得到良好的控制，總線網(wǎng)絡能夠?qū)α熊囘\行數(shù)據(jù)進行采集，并且通過TCMS控制系統(tǒng)對列車的運行進行控制。如，在CAN總線布置應用后，系統(tǒng)應用非常關(guān)鍵。在整個系統(tǒng)的應用過程中，能夠完成列車運行數(shù)據(jù)采集、列車運行實時監(jiān)控、列車運行數(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)各項工作要求完成，能夠確保列車運行更加安全有效，也能夠提升列車運行工作質(zhì)量。

（2）人機界面管理功能。CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在發(fā)揮控制功能中，也要依靠人機界面完成操作。使用人員，根據(jù)操作需求針對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)以及列車運行進行操控。在人機操作界面設(shè)計中，主要包括列車運行管理界面、列車故障診斷界面。A列車運行管理界面的操作主要能夠完成列車運行速度操控、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列車運行界面操作中，也包括故障診斷界面控制。列車運行中，故障問題是影響到列車運行安全的主要問題，所以在實際的列車運行中，要求總線控制模塊能夠?qū)收线M行自動診斷、識別和報警。如，在VCU數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，故障診斷系統(tǒng)能夠獲取列車運行的速度、電壓。駕駛模式、運行環(huán)境等相關(guān)信息，通過相關(guān)信息的采集和分析，確認列車是否存在故障。通過SD卡內(nèi)儲存的車輛正常運行數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)故障后，針對故障進行描述、發(fā)送故障類別、故障等級、故障代碼等相關(guān)信息，繼而保證城軌列車網(wǎng)絡控制應用良好，也能夠最大程度上提升列車運行效果。

（3）智能故障診斷功能詳細分析。人機界面具有故障顯示功能，而在整個CAN總線應用過程中，故障診斷功能的實現(xiàn)也是關(guān)鍵的設(shè)計。本次系統(tǒng)設(shè)計中，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，而后置的車輛監(jiān)控系統(tǒng)就可以完成各模塊的運行故障監(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)自動完成受電弓命令信號分析、完成降受電弓命令信號分析等，并且通過SD卡的故障功能對比，確認受電弓是否發(fā)生故障，同時也確認整個列車運行是發(fā)生故障問題。

（4）TCMS總體控制功能設(shè)計解析。在整個CAN總線設(shè)計中，列車運行控制功能十分重要。整個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總線完成列車的實際運行控制。

如，以牽引系統(tǒng)為例，整個列車的運行控制十分關(guān)鍵。駕駛司機主要是利用手柄進行牽引系統(tǒng)控制。能夠完成牽引檔位控制、電機牽引逆變器啟動控制以及變流器線電壓控制等多項功能。在系統(tǒng)設(shè)計應用過程中，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，在系統(tǒng)設(shè)計應用過程中，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)動電機設(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)絡控制系統(tǒng)設(shè)計是具有網(wǎng)絡控制能力、綜合控制功能、故障診斷功能的總線系統(tǒng)，滿足了現(xiàn)代列車對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的應用需求，對于列車的運行也有關(guān)鍵的作用，能夠提升列車運行工作質(zhì)量。

3 列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

在列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)進行設(shè)計過程中，完成系統(tǒng)的綜合硬件設(shè)計十分關(guān)鍵，能夠最大程度上提升設(shè)計效果。在列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計應用中，包括控制模塊和網(wǎng)絡模塊的設(shè)計應用。

（1）在整個控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，整個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STM32F407微處理器訪問接口簡化，具有獨立通信渠道SMY接口。該微型處理器應用LAN8720A作為芯片，才可以實現(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芯片應用后，最大的數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到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)計過程中，更需要對儀器的電路踐行誰。整個電路的串口通信為RS-232接口、芯片功耗相對比較低。同時，在電路設(shè)計中，設(shè)計了JI和J2插座接口信號。通過對接口信號的電路設(shè)計，保證整個系統(tǒng)應用良好，MSC1210采集儀器3個16位定時器、16位PWM波輸出。

（2）網(wǎng)絡控制。在整體網(wǎng)絡控制設(shè)計過程中，網(wǎng)絡硬件的設(shè)計應用也十分關(guān)鍵，能夠提升設(shè)計效果。在整個網(wǎng)絡硬件模塊進行設(shè)計中，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)記錄存儲模塊的設(shè)計應用。

1.在MVB總線通信(MVB)板卡進行設(shè)計過程中，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+；板卡應用過程中，符合IEC61375標準；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，從而控制板卡效果，

2.在CAN總線板卡進行設(shè)計。采用1553B板卡，MILSTD-1553B（GJB289A）總線通信模塊，其強大的功能能夠滿足不同用戶的工業(yè)測量和自動化控制需求，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)：標準PXI/PXIE/CPCI 3U卡尺寸，×100MM×20MM，公差小于0.2MM標準PCI/PCIE尺寸175MM×106MM，公差小于0.2MM。

3.串口通信板卡設(shè)計。在設(shè)計中，設(shè)計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。本次采用BTX板卡，是ATX板卡的改進性，在該板卡應用過程中，優(yōu)化了板卡的儲存能力和信息通信效果。應用了該板卡之后，整個系統(tǒng)的CPU功能提升，實現(xiàn)了系統(tǒng)的總體工作效率升級。

以上是本次列車CAN總線控制網(wǎng)絡的硬件設(shè)計，希望能夠?qū)W(wǎng)絡設(shè)計有所幫助。

4 基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)仿真效果分析

基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設(shè)計是現(xiàn)代列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)方向。本文探討了總線控制系統(tǒng)的具體設(shè)計應用。而為了驗證基于CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)具有良好的功能，本文進行研究中，按照上述設(shè)計思路進行了CAN總線系統(tǒng)的設(shè)計實踐。在設(shè)計過程中，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)計的新微型處理器。應用STM32H743處理器，具有400MHz的工作效率、同時整個微處理器的SRAM達到為了1060KB。STM32H743處理器的控制接口也非常多，能夠與SD儲存卡實現(xiàn)接口連接。而在實踐仿真過程中，建立了系統(tǒng)的應用模型，針對列車的網(wǎng)絡控制功能進行模擬，通過模擬實踐發(fā)現(xiàn)。本次設(shè)計的CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)控制功能、監(jiān)測功能都能夠?qū)崿F(xiàn)。

5 結(jié)束語

利用CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)具有設(shè)計簡單、網(wǎng)絡控制功能良好的特點。而通過本文對CAN總線的城軌列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的實踐模擬也確定了該系統(tǒng)的應用合理性，希望本文能夠?qū)Τ擒壛熊嚲W(wǎng)絡控制系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展有所幫助。