毕业设计（论文）-基于CAN总线的有轨电车信号系统功能仿真.doc

西 南 交 通 大 学本 科 毕 业 设 计（论文）基于CAN总线的有轨电车信号系统功能仿真 TRAM SIGNAL SYSTEM SIMULATION BASED ON THE CAN BUS 年 级:2010级 学 号: 姓 名: 专 业:通信工程（铁道信号） 指导老师:2014年 6月承 诺本人郑重承诺：所呈交的设计（论文）是本人在导师的指导下独立进行设计（研究）所取得的成果，除文中特别加以标注引用的内容外，本文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的设计（研究）成果。对本设计（研究）做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现设计（论文）中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担一切后果。 学生签名： 年 月 日西南交通大学本科毕业设计(论文) 第VII页院 系 计算机与通信工程系 专 业 通信工程（铁道信号） 年 级 二一级 姓 名 聂富春 题 目 基于CAN总线的有轨电车信号系统功能仿真 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕业设计（论文）任务书班 级 10信号2班 学生姓名 聂富春 学 号 20108089 发题日期：2014年2 月 21日 完成日期：2014年6月5日题 目 基于CAN总线的有轨电车信号系统功能仿真 1、本论文的目的、意义 有轨电车的发展历程相对曲折，经历了兴盛、被取代、后又被重新运用的一个过程。因为城市规划和环境污染等方面的问题，有轨电车以其清洁、环保、节能的优点又重新被人们所重视。 但有轨电车的技术还不成熟，特别是在国内，我国已建有轨电车的城市屈指可数，且偶尔有事故发生。信号控制系统是保证列车安全运行、准点到达的可靠系统，所以，为了人们的出行安全和财产保障，有轨电车的信号控制系统是研究的重点。 本设计通过对有轨电车的信号控制系统介绍和CAN总线的相关了解，运用CAN通信模块模拟有轨电车的道口信号控制系统处理过程。通过模拟演示有轨电车通过道口的过程，让人们更加了解有轨电车各信号设备之间的通信和关系，从简单的模拟演示中懂得道口信号控制系统的组成和作用。2、学生应完成的任务 了解有轨电车国内外发展现状； 掌握有轨电车信号控制系统组成； 明确信号控制系统的技术关键点； 掌握CAN总线通信原理与技术； 掌握CAN模块组成部分并熟悉编程软件。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 18 周）第一部分 查阅相关资料、检索文献 ( 1 周)第二部分 整理分析资料、构思论文提纲 ( 2 周)第三部分 设计CAN通信模块 ( 4 周)第四部分 CAN模块之间的连接设计 ( 6 周)第五部分 论文修改及编排完善 ( 2 周)论文评阅及答辩 ( 2 周)论文整改 ( 1 周)备 注 指导教师： 2014年 2 月 21 日审 批 人： 2014年 2 月 21 日摘 要有轨电车的发展经历了兴起、衰退、再兴起的过程，这不乏自身的原因和社会经济因素。从有轨电车的发展来看，因为自身的运行速度、载客量和其他公共交通的快速发展，有轨电车很快被其他的交通工具所取代了。经过技术的改进和环境问题的恶化，有轨电车很快又以其环保、节能的特点重新登上了轨道交通的舞台，并且称之为现代有轨电车。现代有轨电车是在传统的有轨电车基础上，从外观设计、运行速度、节能环保等方面做了进一步改进的有轨电车。由于有轨电车在城市轨道中的独特运行环境和混合路权，研究信号控制系统的重点自然也就落在了正线道岔控制系统和道口信号控制系统上。本文主要分析了道口信号控制系统的结构，以及CAN总线的原理，通过CAN通信模块设计出道口信号控制系统的仿真模型。在仿真设计中，模拟调度中心与道口检测设备之间的通信及实时处理流程，演示有轨电车通过道口时的信号显示过程。关键词 有轨电车；信号控制系统；CAN总线 AbstractThe development of tram experienced the rise, decline, and rise again, which many of them outside their own reasons and socio-economic factors. From the development of the tram, because of their speed, capacity and rapid development of other public transport, tram was soon be replaced by other means of transport. Improved technology and the worsening environmental problems, trams soon with its environmentally friendly, energy-saving features back on the rail transportation arena, and be called modern tram.Modern trams are based on the traditional tram, from the design, speed, energy saving and environmental protection has been further improved tram. As the tram tracks in the citys unique operating environment and mixing right of way, signal control system research focus naturally on the main line switch control system and crossing signal control system.This paper analyzes the structure of the crossing signal control systems, as well as the principles of CAN bus, CAN communication module is designed to be the simulation model of crossing signal control system. In the simulation design, simulating communication and real-time processing between dispatch center and crossing detection devices, demonstrating the process by signal displayed when the tram crossing.Key words Tram; Signal control system; CAN bus目 录第1章 绪论11.1 有轨电车产生的背景及意义11.2 国内外发展现状21.2.1 国外发展现状21.2.2 国内发展现状21.3 基于CAN总线的有轨电车信号系统3第2章 有轨电车关键技术42.1 有轨电车信号控制系统组成42.1.1 运营调度系统42.1.2 车辆段计算机联锁系统42.1.3 正线道岔控制系统52.1.4 道口信号控制系统52.1.5 车载系统62.1.6 站台管理系统62.2 信号控制系统关键技术与特点62.2.1 信号控制系统设计关键点62.2.2 信号控制系统设计特点72.3 本章小结7第3章 有轨电车信号系统模拟设计83.1 CAN总线83.1.1 CAN总线简介83.1.2 CAN总线的特点83.1.3 CAN总线的优势93.2 CAN模块103.2.1 CAN模块的组成103.2.2 CAN控制器SJA1000103.2.3 CAN收发器PCA82C250123.3 微控制器133.3.1 单片机SST89C58133.4 CAN模块通信设计133.4.1 硬件电路设计133.4.2 软件设计163.5 本章小结17第4章 道口信号控制系统功能仿真184.1 道口信号控制系统184.1.1 系统简介184.1.2 系统框图184.1.3 系统仿真设计结构图194.2 道口信号控制系统功能仿真204.2.1 功能模块204.2.2 有轨电车通过方式模拟21第5章 总结与展望265.1 总结265.2 未来展望27致 谢28参考文献29第 29 页 西南交通大学本科毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 有轨电车产生的背景及意义第一条有轨电车线路诞生于德国，随后各个国家也相继开展了有轨电车的建设工作，下面是有轨电车的发展历程：图1-1 有轨电车发展历程有轨电车诞生于欧美，虽然在其发展的过程中不是一帆风顺，但随着有轨电车的技术改进，并以其环保、节能、舒适、安全等性能在城市轨道交通中发挥着重要的作用，被人们称之为现代有轨电车。现代有轨电车与地铁、轻轨、郊铁、公交一同构成了城市轨道交通的大家庭。有轨电车在城市路网中的作用也是显而易见的，它不仅可以作为地铁加密线、地铁衔接线，还可以作为交通骨干线以及大型集团之间的组团连接线。总之，现代有轨电车是在传统的有轨电车基础上全面升级改造的一种先进的公共交通方式，技术进步体现在第三轨供电、胶轮导轨、低地板车辆以及信号与控制等方面，具有客运能力强、速度高、弹性灵活、舒适新颖的特点3。现在越来越多的城市开始着重发展有轨电车，有轨电车在城市路网中的作用也越来越大。1.2 国内外发展现状1.2.1 国外发展现状德国是世界上最早发展有轨电车的国家，英国的有轨电车发展最旺盛时期为20世纪20年代，法国有轨电车发展最旺盛的时期为1930年，美国1886年才开通第一条有轨电车线路。 目前，国外既有的有轨电车线路大部分都处在闹市区，而且与其他交通工具混行比较多，因此行车速度较低，采用司机人工控制的方式较多，如法国的波尔多、里昂有轨电车等；一些存在地下段或大坡道等特殊情况的线路，在局部区段设信号系统，其他区段还是由司机人工驾驶列车，如西班牙马德里有轨电车、改造后的阿尔及利亚康斯坦丁有轨电车等；有的线路行车需求高、具备良好的行车环境，全线设信号系统，如迪拜有轨电车。41.2.2 国内发展现状近年来，国外许多城市都开始兴起现代有轨电车建设，使得大家又重新对有轨电车有了认识，我国也相继开始规划有轨电车的建设蓝图。有了大连、天津、上海的有轨电车成功运营经验后，苏州、南京、广州、宁波、青岛、佛山等城市也开始了多条现代有轨电车的建设准备工作，泰州、成都、常州、珠海、锦州、唐山、泉州、武汉等近20个城市也相继开展现代有轨电车的路网规划和前期线路研究工作，5年内规划线路超过了50条，需要约1200余列现代有轨电车。 我国目前已开通的有轨电车工程，有老式传统的大连有轨电车，以及新型的现代有轨电车天津滨海新区新交通和上海张江有轨电车，均采用司机人工控制方式。表3-2 国内现代有轨电车一览表名称车站数（座）车辆段（处）一期工程线长（km）钢轨类型地板类型上海浦东张江1519.2胶轮导轨100%低地板天津滨海新区96（含预留站31）18.8钢轮钢轨100%低地板沈阳浑南新区14160胶轮导轨70%+100%低地板1.3 基于CAN总线的有轨电车信号系统CAN具有报文优先、保证延迟时间、设置灵活、多点时间同步接收、系统数据连贯、多主机、错误检测和标记、自动报文重发和区分错误类型等特性。基于CAN总线的通信系统灵活性、适应性和可靠性都较好，将需要检测的和控制的设备连接到CAN总线上，形成一个个CAN节点，不仅可以将各个CAN节点上的信息实时、高效地传送给微控制器，而且微控制器也可以将命令同步传送给各个CAN节点。基于CAN总线的通信控制原理，所以在有轨电车的信号控制系统中运用CAN总线进行信号的收发控制、命令的传输功能。本文将基于CAN模块设计路口信号控制系统，模拟有轨电车到达路口时通过CAN数据传输告知调度中心，调度中心再通过CAN总线传输命令控制信息给路口，实现路口的信号显示功能。第2章 有轨电车关键技术现代有轨电车是新发展的轨道交通运输工具，它与快速公交（BRT）、地铁、轻轨有部分相同之处，如运行速度较慢，开放的运行环境等；也与大铁有一部分相似之处，如都是用钢轨导向。但它又有自己的不同之处，由于有轨电车行驶的环境为开放式道路，不能像大铁一样采用区间闭塞行驶，所以它需要一套不同于大铁的信号控制系统。2.1 有轨电车信号控制系统组成有轨电车信号控制系统的组成如下：图2-1 信号控制系统框图2.1.1 运营调度系统运营调度系统负责制定运营计划，发布配班计划和对运营车辆进行实时调度指挥。中心调度员可通过无线系统与在线运营司机联系，实现对所有运营车辆的调度指挥。2.1.2 车辆段计算机联锁系统 车辆段主要负责列车的存放和维护，整修及组织管理，信号系统采用计算机联锁系统进行集中控制。根据不同的车辆类型及轨道类型，可以采用轨道换线或传统的轨道电路作为列车位置检测设备，但现在基本上都采用计轴设备或RFID无线射频进行检测。12.1.3 正线道岔控制系统正线有岔站的道岔控制子系统，通过地面设备与车载设备之间的通信，由司机人工控制道岔转换，实现列车转线或折返作业。有轨电车道岔控制与大铁道岔控制的差异：（1）不依靠传统的联锁系统对道岔进行控制，采用现地控制方式； （2）控制模式：1）自动进路控制模式； 2）司机遥控模式； 3）轨旁人工控制模式。图2-2 道岔控制系统示意图有轨电车道岔控制步骤如下：1)列车到达车地信息传输线圈（TWC）时，将车次号或司机手动操作命令发送给道岔控制器；2)道岔控制器查询区段占用状态，若岔前/后均无列车占用，则给该列车设定进路、控制转辙机动作、道岔锁闭，进路表示器S1开放；3)司机若看到S1信号开放，则继续驾驶列车往前；若看到S1显示禁止信号，则应在S1前停车；4)列车占用岔前轨道电路DTC1后，S1显示禁止信号，防止后车再进入道岔区域；5)列车通过DTC2（或DTC3）后，此次进路处理结束，进路解锁。2.1.4 道口信号控制系统道口信号控制系统主要用于有轨电车与交叉道路车辆的运行安全控制。在道口处，列车的通过方式通常有绝对优先和相对优先（即有条件优先）两种方式。绝对优先通过方式保证有轨电车通过路口的优先权，即当有轨电车到达时优先满足有轨电车通过的条件；而相对优先通过方式则考虑有轨电车与其他道路车辆的运行路口等级，当列车到达路口时，根据相对优先策略，为尽可能减少车辆的等待时间而采取较合理的路口信号控制方式。2.1.5 车载系统车载系统由车载控制器、显示操作终端、TWC车地通信设备、GPS导航模块及3G/4G通信单元组成，可自动控制或人工控制道岔。图2-3 车载系统示意图2.1.6 站台管理系统站台管理系统又称乘客信息服务系统，其主要功能是为车站乘客及时提供车辆运行信息。车站显示屏大多为乘客显示列车始发时间、列车到达时间及线路状态，也可以显示气象预报、视频广告等，必要时提供紧急应急通知。2.2 信号控制系统关键技术与特点2.2.1 信号控制系统设计关键点1) 正线道岔防护； 有轨电车的线路较单一，基本上是一条正线轨道，但在车站、车辆段入口处需要专线或调转列车方向处通常需要设置道岔来完成，所以正线道岔防护是一个信号控制系统的关键技术点。2) 无线通讯干扰； 当今无线网络已基本覆盖，WIFI的使用给轨道交通带来的问题也日益显著，许多城市的地铁都发生过类似无线干扰使得列车紧急停车的事故。所以我们要解决的无线通讯干扰问题也是信号控制系统的一个关键点。3) 不同厂家产品共用路段解决方案； 随着城市轨道交通的发展，越来越多的车辆、信号厂商开始着手有轨电车的产品开发，所以为了获得安全、低价的设备，不得不让不同厂家的产品共用同一路段，解决产品的适应性也是信号控制系统的关键技术。4) 正线有车载车辆与无车载车辆混行； 在正线上，通常都会为了线路的改进和完善，出现有车载车辆和无车载车辆混行的情况，为解决这一情况带来的诸多问题，如信号设备的使用问题，我们都需要着重研究。5) 功能实用，降低投资。2 寻求好的功能，降低投资成本，一直是改进有轨电车的一个重要目标。2.2.2 信号控制系统设计特点1) 采用环线通信设计避免了无线通讯的干扰，并增强了系统的可靠性；2) 专用计轴设备解决了不同车辆（有车载、无车载、社会车辆）运行在同一环境中造成的错误检测；3) 集成PIS系统基本功能，有效减低投资；4) 采用组合式故障安全和反应式故障安全技术的二乘二取二结构，具有较高的可靠性和安全性；5) 多种降级模式，有效保障了系统可用性；6) 一体化设计方案，高效、省心、实用。32.3 本章小结信号控制系统一直是轨道交通运输中一个保证列车运行高效、安全的重要部分。在开放式的交通环境中，有轨电车不同于普通的交通运输工具，它的钢轨线路决定了道岔控制技术也是一个有轨电车运行的关键技术，而道口信号控制系统又是保证有轨电车与其他交通车辆及行人之间安全的系统。因此，有轨电车的主要关键技术就是道口信号控制系统和正线道岔控制系统。第3章 有轨电车信号系统模拟设计有轨电车信号系统通过调度中心的调度命令执行相应的操作，在实时通信过程中，我们运用CAN总线传输技术和CAN总线协议，设计出CAN总线通信模块，用于信息数据的传输和控制命令的发送。CAN总线是现场总线的一种，也是现代通信总线中较常使用的一种，利用CAN总线通信可以达到快速、准确的实时传输。3.1 CAN总线3.1.1 CAN总线简介CAN（Controller Area Network）是ISO国际标准化的串行通信协议。在汽车生产行业中运用最广泛，由于汽车制造业的发展，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间保证通信所用的数据类型及对可靠性的要求都不相同，因此线束的数量需求越来越多，这多条总线构成的情况也就显而易见。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年由德国BOSCH（博世）公司开发出的面向汽车的CAN通信协议由此诞生。之后CAN通过国际标准ISO11898和ISO11519进行了标准化定义，在欧洲已是汽车网络的工业标准协议。10由于CAN的高性能和高可靠性，被广泛用于自动化产业、制药、医疗、工控等方面7。现场总线是当今自动化领域中研究热点之一，被誉为自动化领域中的计算机局域网。分布式控制系统之间实现各个节点之间实时、可靠的数据通信都是由现场总线的技术来保证的。3.1.2 CAN总线的特点u CAN是到目前为止惟一的国际标准现场总线；u CAN为多主方式，总线上任一节点均可在任意时刻主动向其他节点发送信息，而不分主从；u 在报文标识符上，CAN上的节点可分成不同的优先级别，用来满足不同的实时要求；u CAN采用非破坏的总线仲裁技术；u CAN节点只需通过对报文的标识符进行滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等三种方式的接收传送数据；u CAN的通信距离最远可达10km(此时速率5kb/s以下)，通信速率最高可达1Mb/s(此时通信距离最长为40m)；u CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前为止可达110个；u CAN的报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰低，保证了极低的数据出错率，提高可靠性；u CAN的每帧信息都有CRC（循环冗余码）校验及其他校验措施，具有良好的检错效果；u CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择方便灵活；u CAN节点在错误严重的情况下可自动关闭输出，使总线上其他节点的操作不受任何影响；u CAN总线具有较高的性价比；103.1.3 CAN总线的优势CAN总线属于现场总线的一种，它是既支持分布式控制又支持实时控制的串行通信网络。相对于RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：1) 网络各节点之间的数据通信实时性强；CAN控制器基于多种工作方式，网络中的节点可以根据优先级的高低及总线仲裁技术向总线发送数据，且CAN总线废除了传统的地址编码，而采用数据编码，节约了很多地址存储空间，所以大大加快了数据的传输速率。而且CAN总线上的各个节点可以同时接收相同的数据，也可以同时发送数据，所以CAN总线上的节点之间的数据通信实时性强，也提高了系统的可用性和灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构、主站轮询的通信系统，系统的实时性、可靠性也较差。102) 缩短了开发周期；CAN总线通过收发器PCA82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证了不会出现在RS-485网络中的当系统有错误，多节点同时向总线发送数据会导致总线短路，从而损坏某些节点的现象。CAN节点在错误严重时会自动关闭输出功能，以使总线上的其他节点不受影响，从而保证不会出现因个别节点的问题造成“死锁”状态。并且CAN具有的标准通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这是仅有电气协议的RS-485无法达到的。103) 已形成国际标准的现场总线；与其它现场总线相比，CAN总线因其通信速率高、容易实现、性价比高等诸多特点形成了唯一的国际标准现场总线。也正因为如此，CAN总线才能成功地运用于各个领域，得到广泛应用与关注。4) 最有前途的现场总线之一。 CAN即控制器局域网络，属于工业现场总线的一种。与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有更高的可靠性，而且也具有更好的实时性和灵活性。因CAN总线优越的性能和优化的设计，越来越多的人投入到CAN总线的应用研究中，也因此受到越来越多的重视。CAN总线是最早也是最广泛应用于汽车工业领域的，世界著名汽车制造商如奔驰、宝马、保时捷、劳斯莱斯和美洲豹等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测、执行机构间的数据通信。同时，由于CAN总线自身优势，发展到了各个领域如自动化产业、工控、制药、医疗设备等。10CAN协议已经形成国际标准，被公认为是最有前途的现场总线之一。3.2 CAN模块3.2.1 CAN模块的组成CAN通信模块主要由CAN控制器SJA1000和CAN收发器PCA82C250组成，负责数据和命令的收发，实现CAN总线的物理层和数据链路层的通信协议。CAN总线链路层规定的功能主要由CAN总线控制器SJA1000来实现，物理层的功能则主要由CAN总线收发器PCA82C250来实现。CANH和CANL为CAN总线的两个接口引脚，它们之间用电压之差来传输信号。将CAN控制器SJA1000的RX0和TX0引脚与CAN收发器PCA82C250的RXD和TXD引脚相连，保证它们之间的收发数据功能。将CAN收发器PCA82C250的CANH和CANL引脚引出两个接点J1和J2，用于多个CAN模块之间的CAN总线连接。3.2.2 CAN控制器SJA1000CAN总线控制器具有完成CAN通信协议所要求的物理层和数据链路层的几乎所有功能。SJA1000 是一个独立的CAN 控制器,其有2 个不同的操作模式，一种是BasicCAN模式，一种是PeliCAN模式。BasicCAN模式支持CAN2.0A协议，PeliCAN模式支持CAN2.0B协议。CAN 总线控制器SJA1000主要包含:振荡器、复位、接口管理逻辑IML、发送缓冲器TXB、接收缓冲器RXB、验收滤波器ACF、位流处理器BSF 、位时序逻辑BTL、错误管理逻辑EML几个模块。在本次仿真设计中SJA1000作为独立的CAN 控制器,一端与单片机SST89C58相连,一端与PCA82C250相连。6CAN 核心模块负责CAN 信息帧的收发和CAN 协议的实现。接口管理逻辑负责同外部微控制器的接口,该单元中的每一个寄存器都可由微控制器通过SJA1000 的地址/数据总线访问。微控制器可直接将标识符和数据送入发送缓冲区，然后将命令寄存器CMR 中的发送请求位TR置位，启动CAN 核心模块读取发送缓冲区中的数据,按CAN 协议封装成一完整CAN 信息帧通过收发器发往总线,验收滤波器单元完成接收信息的滤波,只有验收滤波通过且无差错才把接收的信息帧送入接收FIFO 缓冲区且置位接收缓冲区状态标志SR.0，表明接收缓冲区中已成功接收到信息帧。9图3-1 SJA1000管脚图表3-1 SJA1000管脚功能定义 引脚分类引脚名功能电源接口VDD1逻辑电路的5V电压源VSS1逻辑电路的接地VDD2输入比较器的5V电压源VSS2输入比较器的接地端VDD3输出驱动器的5V电压源输入续表3-1VSS3输出驱动器接地数据总线接口AD0AD7多路地址/数据总线ALE/ASALE输入信号（Intel模式）；AS输入信号（Motorola模式）CS片选输入，低电平有效，允许访问SJA1000(RD)/E微控制器的RD信号（Intel模式）或E使能信号（Motorola模式）WR微控制器的WR信号（Intel模式）或RD/WR信号（Motorola模式）MODE模式选择输入。1=Intel模式；0=Motorola模式INT中断输出用于中断微控制器RST复位输入，用于复位CAN接口CAN总线信号接口TX0从CAN输出驱动器0输出到物理线路上TX1从CAN输出驱动器1输出到物理线路上RX0RX1从物理的CAN总线输入到SJA1000的输入比较器；如果RX1比RX0的电平高，就读回一个显性电平，反之读回一个隐性电平3.2.3 CAN收发器PCA82C250PCA82C250是CAN总线的物理接口芯片,它由PHILIPS公司设计生产,为提高单片机SST89C58对CAN总线的驱动，因此PCA82C250为CAN控制器SJA1000和物理总线间的接口。表3-2 PCA82C250管脚功能定义 管脚号管脚名描述1TXD发送数据输入2GND地3Vcc电源电压4RXD接收数据输出5Vref参考电压输出6CANL低电平CAN电压输入/输出端7CANH高电平CAN电压输入/输出端8Rs斜率电阻输入图3-2 PCA82C250管脚图3.3 微控制器3.3.1 单片机SST89C58SST89C54，SST89C58和SST89C59都是51系列8位微控制器家族中的成员。58的存储空间为32KB，传输速率为0-33MHz，工作电压为2.7-5.5V。单片机是现今信息时代的标志，通过微控制器实现远程实时自动化控制是今后发展的一种趋势。运用单片机与CAN总线的通信实现了集中管理，分散控制的功能。SST89C58属于通用型单片机，内部资源丰富，可扩展性强，结构简单，易于编程，用途广泛。3.4 CAN模块通信设计CAN模块的通信设计涉及到硬件电路的设计和内部软件的设计。SJA1000+82C250的组合是目前应用最广的CAN控制器和收发器的搭配。因此，就以典型的搭配来设计CAN通信模块。3.4.1 硬件电路设计将CAN控制器SJA1000的AD0AD7连接到SST89C58的P0口，CS连接到SST89C58的P2.0，这样，当P2.0为0时,MCU片外存储器地址即可选中SJA1000，MCU则可通过这些地址对SJA1000执行相应的读写操作。设计时，将SJA1000的RD、WR、ALE分别和SST89C58的对应引脚相连， INT连接SST89C58 的INT0,这样，MCU就可以通过中断方式来访问SJA10008。 PCA82C250是一种差分收发器，它可完成TTL电平到差分信号的转换。它的CANH和CANL引脚与CAN总线的CANH、CANL相连，RXD和TXD引脚与SJA1000的RX0、TX0相连，RS引脚上应接一个斜率电阻， 电阻大小可根据总线通信速度适当调节，一般在16140 k之间，这里选用47 k的电阻。CAN模块的设计原理电路图如下：图3-3 单片机SST89C58主控部分图3-4 CAN通信模块部分 图3-5 1602显示模块部分 图3-6 温度采集模块部分3.4.2 软件设计3.4.2.1 系统软件设计 CAN模块的系统软件设计由SST89C59单片机的初始化、SJA1000的初始化及SJA1000的接收发送和数据显示组成。图3-7 系统软件设计图3.4.2.2 SJA1000初始化对SJA1000进行初始化主要是通过对中断使能寄存器、输出控制寄存器、命令寄存器写入相应的控制字，从而确定SJA1000的工作方式。在对SJA1000的各个寄存器写入控制字时，要使SJA1000处于复位模式下。在本设计中，SJA1000不用时钟系统，采用PeliCAN模式，波特率设置为100kbps。图3-8 SJA1000初始化流程图3.4.2.3 SJA1000数据发送SJA1000的数据发送都是根据CAN协议规范自动完成的，无需设置其它条件。首先由MCU将要发送的报文存储到发送缓冲器中，并置位命令寄存器中的发送请求标志位。3.4.2.4 SJA1000数据接收 本设计中MCU以中断方式读取接收缓冲器中的值，每发生一次中断，即中断寄存器为1，SJA1000读取一次缓冲区的值。将全部值读取后，释放缓冲寄存器，将中断使能寄存器置位，读取结束。3.5 本章小结CAN总线的通信设计技术较为成熟，CAN总线的控制器和收发器也有很多种，而且还有独立的和一体的可供选择，这样使得整个设计更为简单易行。本文选择了独立的CAN控制器SJA1000，选择PCA82C250作为控制器物理接口与CAN总线节点连接的收发器。在软件设计过程中遇到了一些问题，如CAN的数据接收是采用查询方法还是中断方法，SJA1000的波特率设置值，这些都是需要深入思考的问题。第4章 道口信号控制系统功能仿真4.1 道口信号控制系统4.1.1 系统简介 道口信号控制系统主要由车地通信环、设备交通控制模块、进路表示器及道口安全控制模块组成，主要实现如下功能：1) 列车接近道口和离开道口的探测；2) 提供多种优先策略模式；3) 与交通信号机控制器接口功能；4) 道口区域监测与控制。4.1.2 系统框图有轨电车道口信号控制系统操作步骤如下：1） 检测器检测到列车接近，向道路交通信号控制系统输出到达信号触发信号优先功能；2） 道路交通信号控制系统根据优先策略控制道路交通信号灯；3） 通过检测道路交通信号控制系统相关相位的输出状态，控制有轨电车信号机；4） 有轨电车司机根据有轨电车专用信号机显示进行驾驶。图4-1 信号优先控制系统框图4.1.3 系统仿真设计结构图在仿真设计中，为简化系统结构，便于观察，我们用带温度传感器的模块模拟道口检测设备，通过温度的变化来模拟列车的状态，用带有红、黄、绿三个LED灯的模块模拟有轨电车信号灯，用带LCD显示屏的模块模拟调度中心，大体构成了有轨电车道口信号控制系统。在模拟有轨电车信号控制系统功能的过程中，我们根据有轨电车的两种通过方式，设计了绝对优先通过方式和相对优先通过方式，仿真设计结构图如下：1) 绝对优先：图4-3 绝对优先示意图2) 相对优先：图4-4 相对优先示意图4.2 道口信号控制系统功能仿真4.2.1 功能模块图4-5 功能模块示意图1) 带LCD显示屏的CAN模块模拟调度中心： 调度中心可实时监视有轨电车运行状态及发送调度命令给信号控制系统，起着至关重要的作用。LCD显示屏可以显示有轨电车到达时的状态监测，通过温度传感器将监测信号传输到调度中心，调度中心接收到列车到达信号，控制道口的信号灯点亮相应信号灯光。2) 带LED灯的CAN模块模拟信号机显示：信号机的显示是通过接收调度中心下达的信号控制命令而执行的，本身不具备自动控制信号的功能。在模拟设计过程中，我们将温度传感器的检测温度升高，道口检测设备检测到有轨电车到达，并将列车到达信号传输给调度中心，接收到调度中心发送的开放信号命令，点亮相应的允许信号。当温度传感器温度下降后，道口检测设备控制信号灯点亮禁止信号。3) 带温度传感器的CAN模块模拟道口检测设备：有轨电车的道口检测设备通常为计轴设备或是RFID无线射频检测，在模拟设计过程中，用温度传感器模拟道口检测设备，通过在LCD上显示温度的实时变化值来确定有轨电车的当前状态。当道口检测设备检测到温度大于30度时，表示有轨电车到达道口；当检测到温度小于30度时，表示有轨电车从道口离去。4) 模拟调度中心与道口检测设备之间的通信： 利用温度传感器的实时传输原理，将温度实时快捷的传输给调度中心，以便检测有轨电车是否到达。若列车到达，将列车到达信息传送给调度中心，调度中心根据有轨电车的通过方式发送控制信号灯的命令，点亮信号灯相应灯光，列车根据信号灯指示行车。4.2.2 有轨电车通过方式模拟当有轨电车通过与道路交通交叉的道口时，分为两种通过方式，一种是绝对优先通过，另一种是相对优先通过。绝对优先通过是指当列车到达道口，信号灯点亮允许信号，列车直接通过道口。相对优先是指当列车到达道口，信号灯点亮等待信号，列车等待，当信号灯点亮允许信号后，列车才可通过。在模拟过程中，我们必须保证温度的实时传输及调度中心的及时处理。当检测到列车到达， CAN总线将到达信息传送给调度中心，调度中心的LCD显示屏同步显示列车到达状态。调度中心根据列车到达状态发送相应的控制命令到信号灯控制器中，控制器执行操作命令点亮相应的信号灯光。4.2.2.1 绝对优先模拟1) 正常状态下，路口点亮禁止灯光红灯，如图所示：图4-6 常态亮红灯 2) 道口检测设备检测到列车到达，关闭红灯，点亮允许灯光绿灯，如图所示：图4-7 列车到达亮绿灯 3) 列车离去，关闭允许灯光，点亮禁止灯光红灯，如图所示：图4-8 列车离去亮红灯 4.2.2.2 相对优先模拟在模拟相对优先通过时，我们需要加入列车等待信号黄灯，等待时间视具体情况而定，在这里我们设计黄灯闪烁9次的时间为等待时间。模拟步骤如下：1) 正常状态下，路口点亮禁止灯光红灯，如图所示：图4-9 常态亮红灯 2) 道口检测设备检测到有轨电车到达路口，关闭红灯，黄灯闪烁，表示等待信号，列车等待通过，如图所示：图4-10 列车到达黄灯闪烁 3) 当黄灯闪烁9次后，关闭黄灯，自动点亮允许灯光绿灯，列车通过，如图所示：图4-11 亮绿灯列车通过 4) 列车离去，点亮禁止灯光红灯，如图所示：图4-12 列车离去亮红灯 第5章 总结与展望5.1 总结通过利用CAN总线技术模拟有轨电车的道口信号控制系统处理过程，我们可以得出以下结论：一是有轨电车的道口信号控制系统不同于大铁上的信号控制系统，它与路面的交通信号灯有一定的制约关系。二是有轨电车的道口信号控制系统是一种实时、快速、方便的信号控制系统，它能根据检测到的列车状态来控制信号灯的显示。三是有轨电车的通过方式与许多的城市轨道交通工具的不同，它因交叉道口等级的不同，分为绝对优先通过和相对优先通过两种方式。在本设计中，介绍了有轨电车的发展及现状，并描述了有轨电车的系统组成，运用CAN总线作为道口信号控制系统的通信传输渠道，模拟了有轨电车在道口的两种通过方式，本论文做了