（机械电子工程专业论文）接触网作业车总线安全控制系统构建与实现.pdf

西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第1 页 摘要 随着铁路跨越式发展，担负着铁路维护工程的各种类型接触网作业车上线运行作 业更加频繁，其运行安全显得尤为重要。接触网作业车安全操作控制，已成为铁路安 全生产中亟待解决的课题之一。目前的接触网作业车行车安全装备还不能完全实现接 触网作业车安全运行的需要，因此有必要进行进一步的研究、解决问题。 本文从分析现有接触网作业车的车载行车安全设备出发，系统地分析了接触网作 业车的行车安全需要，把规章的规定和原来未考虑到的因素都采取技术措施来保障接 触网作业车的行车安全。抓住c a n 总线在数据通信过程中突出的可靠性、实时性和灵 活性，把c a n 总线技术加入到接触网作业车的安全操作系统中来，能够极大地避免人 为的因素在接触网作业车行车、作业过程中引起的安全隐患，保证接触网作业车高效 的、安全的完成电务作业。 本文通过对接触网作业车目前使用情况和运行情况进行分析，设计基于c a n 总线 的接触网作业车安全操作控制系统。基于安全角度，针对c a n 总线的特点，采用了最 重要的设备使用优先级高的站点，次重要的设备采用低优先级的节点，非重要的设备 采用最低优先级的节点的方案。结合c a n 总线技术的特点，设计出整车c a n 节点模块 和通信程序。 关键字：接触网作业车；c a n 总线；安全；控制 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第1i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a i l w a yb yl e a p sa n db o u n d s ，t oc a r r yo u ta 1 1t y p e so fr a i l w a y m a i n t e n a n c ep r o j e c t sc a t e n a r yc a b l ec a ro p e r a t i o nt or u no p e r a t i o n sm o r e f r e q u e n t l y ，t h eo p e r a t i o n a ls a f e t y i s v e r yi m p o r t a n t c a t e n a r yt h es a f e o p e r a t i o no fv e h i c l eo p e r a t i o nc o n t r o l ，p r o d u c t i o no fr a i l w a ys a f e t yh a sb e c o m e o n eo ft h et o p i c st h a tu r g e n t l yn e e ds o l v i n g t h ec u r r e n to p e r a t i o n sv e h i c l e t r a f f i cs a f e t ye q u i p m e n tc a nn o tb ef u l l yr e a l i z e dc a t e n a r yo p e r a t i o nr e q u i r e s t h es a f eo p e r a t i o no fv e h i c l e s ，i ti sn e c e s s a r yt oc o n d u c tf u r t h e rs t u d i e st o s o l v et h ep r o b l e m b a s e do nt h ea n a l y s i so fe x i s t i n gr e g u l a t i o n sa n dv e h i c l eo p e r a t i n gv e h i c l e t r a f f i cs a f e t ye q u i p m e n t ，s t a r t i n gas y s t e m a t i ca n a l y s iso ft h ec a t e n a r y o p e r a t i n gv e h i c l et r a f f i cs a f e t yn e e d so ft h ep r o v i s i o n so ft h er e g u l a t i o n s a n dh a df a i l e dt ot a k ea c c o u n to ff a c t o r st ot a k et e c h n i c a lm e a s u r e st op r o t e c t t h ec a t e n a r yo p e r a t i n gv e h i c l ed r i v i n gs a f e t y s e i z et h ec a nb u si nt h ed a t a c o m m u n i c a t i o np r o c e s so u t s t a n d i n gr e l i a b i l i t y ，r e a l t i m ea n df l e x i b i l i t y ，t h e c a nb u st e c h n o l o g yt ot h es a f e t yc a rc a t e n a r yo p e r a t i o nt ot h eo p e r a t i n gs y s t e m ， c a ng r e a t l ya v o i dt h eh u m a nf a c t o ri nc a rt r a f f i cc a t e n a r yo p e r a t i o n ，w o r k s a f e t yh a z a r d sc a u s e db yt h ep r o c e s s ，t oe n s u r et oc o m p l e t ee l e c t r i c a ls e r v i c e w o r ke f f i c i e n t l ya n ds e c u r i t il y t h i sp a p e r c a t e n a r yw o r k i n gv e h i c l eu s ea n do p e r a t i o no ft h ec u r r e n t s i t u a t i o na n a l y s i s ，b a s e do nc a nb u sc a t e n a r yo p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mf o rt h e s a f eo p e r a t i o no fv e h i c l e s f o rs e c u r i t yp o i n to fv i e w ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s f o rt h ec a nb u s ，u s i n gt h em o s ti m p o r t a n td e v i c e su s eh i g hp r i o r i t ys i t e s ，p l a y s a ni m p o r t a n td e v i c en o d e sw i t hl o wp r i o r i t y ，n o n e s s e n t i a le q u i p m e n t ，t h en o d e w i t ht h el o w e s tp r i o r i t yp r o g r a m s c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a nb u s t e c h n o l o g y ，d e s i g nc o m m u n i c a t i o n sv e h i c l ep r o c e d u r ea n dc a nn o d em o d u l e k e y w o r d ：c a t e n a r yo p e r a t i o nv e h i c i e ：c a nb u s ：s e c u r i t y ：c o n t r o i 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： b 强：瑚6 6 猖勃 言翥嚣2 妒务日期：口2 0f p 6 6 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 通过对接触网作业车运行安全情况进行分析，采取相应的技术措施来保障接触网 作业车的行车安全，构建基于c a n 总线的接触网作业车安全操作控制系统。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 褐勃 日期：加d 6 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究背景 接触网作业车是铁路接触网架设和维修施工不可缺少的专用设备，其运行直接关 系着铁路运输生产安全。随着铁路跨越式发展，担负着铁路维护工程的各种类型接触 网作业车上线运行作业更加频繁，其运行安全显得尤为重要。加上使用环境的改变， 对接触网作业车的性能提出了新的更高要求，即要求运行时占用区间时间更短、牵引 吨位更大、可靠性更高。 高速铁路的快速发展决定了接触网作业车的发展趋势是：功率大型化、运行速度 快速化、牵引吨位大型化、维修周期长期化、行驶安全装备智能化。新的接触网作业 车将采用功率更大、燃油经济性更好、废气排放标准更高的环保型发动机；所选用的 零部件使用寿命更长、故障率更低；实现电磁阀和电控阀自动控制，使控制自动准确； 安全设施更完善，操作更简单，安全性能更好；司乘人员的工作和生活环境的舒适性 不断提高，运行稳定性进一步提高。 然而，目前接触网作业车的安全使用状况却比较差，接触网作业车司机臆测行车、 误认信号或违章超速造成的事故时有发生，严重威胁铁路运输生产安全。 1 2 问题的提出 接触网作业车发生事故多因乘务人员操作不当造成，对于接触网作业车安全运行 的管理方法也很落后。现有接触网作业车的行车安全问题主要为常发生一般行车事故 而未从根本上解决以及行车仍需要规章来保障安全。 目前，仍没有针对性的研究分析接触网作业车的安全问题，也没有一个可靠的接 触网作业车安全控制系统来落实规章对安全行车的规定。因此，笔者提出了基于c a n 总线的接触网作业车安全操作系统，一是分析接触网作业车的安全问题本身，即接触 网作业车运行中存在哪些安全问题；二是研究怎样来系统解决这些问题，即采取什么 措施和手段来实现接触网作业车的行车安全控制。 1 3 本文研究的主要内容及目标 本文从分析现有接触网作业车的车载行车安全设备出发，系统地分析了接触网作 业车的行车安全需要，通过对接触网作业车使用现状进行分析，构建和实现接触网作 业车总线安全操作控制系统。本文研究的主要内容及目标包括： 1 对接触网作业车使用和运行现状进行分析。 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第2 页 2 通过分析接触网作业车乘务员经常的误操作，行车作业中常发生的事故，研究 相应的技术解决措施。 3 构建和实现接触网作业车总线安全控制系统。 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第3 页 皇曼皇曼皇曼曼曼毫曼曼曼曼! 曼皇! 曼曼皇曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼蔓璺曼曼! 曼! ! 曼蔓! ! ! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼皇! 舅曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼蔓皇in 蔓鼍 第2 章接触网作业车安全操作系统分析 现有接触网作业车运行安全是在规章和车载行车安全设备的共同作用下完成的。 车载行车安全设备的使用，解决了接触网作业车超速行驶、冒进信号、溜逸等主要问 题，大大增强了接触网作业车的运行安全。但其中有很多地方还是依靠规章的规定， 存在安全隐患，另外还有的地方未纳入车载行车安全设备和规章。所以有必要系统的 分析接触网作业车的运行安全需要，并把规章的规定和原来未考虑到的都采取技术措 施来保障行车安全，避免人的因素引起的安全隐患。另外，随着我国铁路往高速、重 载发展，对电务作业提出了更高要求，尤其是对占用区间的时间要求更短，而接触网 作业车作为铁路电务作业的重要工具，其运行安全显得尤为重要。要保证接触网作业 车以最短的时间，安全的完成作业，必须对现有接触网作业车车载行车安全设备进行 改进、升级，以更有效的方式实现接触网作业车安全运行。 目前接触网作业车车载安全设备主要指运行监控记录装置、机车信号机和无线列 调电话，即所谓的三项安全设备。无线列调电话用于司机、调度员、车站值班员之间 的通话；机车信号机是通过感应器接收加载在轨道电路上的信号，通过信息鉴别、信 息译解将列车运行前方显示的铁路地面信号，正确复示于列车上的双面八显示色灯信 号机柱上；运行监控记录装置集机车信号、运行监控、自动停车、数据及语音记录为 一体。无线列调电话和机车信号机都连接在运行监控记录装置上，通过运行监控记录 装置发挥作用。三项设备和在一起能实现获取行车信号、通话、速度控制、防冒进信 号、防溜逸、自动停车、语音警报等功能。 根据现有行车安全设备及其功能和规章及安全知识规定，本文对于安全系统的分 析包含以下几个主要部分：车辆状态监控系统、换端换向系统、报警及语音系统。 2 1 车辆状态监控系统 接触网作业车车辆状态监控主要是在行车过程中或车辆停留时，自动监控车辆状 态，根据预设的条件判断，适时的提醒司机，并根据情况施行常用制动、紧急制动， 实现监控和自动停车功能。 接触网作业车安全控制系统的监控功能归结起来就是实现“防冒、防超、防溜” 的作用。这三大功能的实现，最终落实到对接触网作业车速度的控制上。自停功能也 是让接触网作业车速度变为零的过程。因此，实现对接触网作业车速度的控制就能实 现监控和自停功能。 2 1 1 速度监控的依据 接触网作业车车辆控制系统要实现“防冒、防超、防溜”的作用目标，必需获得 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第4 页 行车指令、运行线路状况和车辆自身状况等三方面的信息。 行车指令主要指是否允许接触网作业车运行及允许运行的速度。控制系统通过机 车信号获得行车指令的。 运行线路状况指线路的坡道、曲线、隧道情况，以及各种运输设施( 车站、道岔、 信号机) 布置等情况。控制系统通过将运行区段的线路和设施等有关参数预先存储于 主机中获得的。 接触网作业车车辆自身状况指编组辆数、换长、实际运行速度、接触网作业车所 处线路的位置等。运行速度由车轴端速度传感器得到；接触网作业车位置信息根据运 行速度计算走行里程得到。 2 1 2 速度监控基本原理 通过实时检测接触网作业车运行的速度，并依次调出事先存入控制系统内的线路 参数，从而计算出接触网作业车距前方信号机的距离，再结合机车信号显示状态及列 车编组等条件，实时计算出接触网作业车不超速或不冒进显示关闭信号的允许接触网 作业车运行的最高限制速度，当接触网作业车运行速度达到最高限制速度加l k m h 时， 启动常用制动使接触网作业车减速，当接触网作业车运行速度达到最高限制速度加 5 k m h 或有可能冒进关闭的信号机时，启动紧急制动，使接触网作业车停车，从而防止 接触网作业车超速运行和冒进信号。 2 2 换端、换向控制 非使用操纵端的处理一直是接触网作业车的一个安全隐患，而接触网作业车作业 的特殊性要求接触网作业车能进行两端操作。目前是以规章强制要求司机和乘务人员 处理非操纵端的形式来保证安全。归纳起来有三个方面：制动管路处理、手油门处理 和换向开关处理。下面分别加以说明。 1 制动管路控制 接触网作业车空气制动系统自动制动阀( 以h 一6 型为例) 的下面都有一个截断塞 门，用来关闭制动管，截断总风缸向制动管充风的通路。该塞门在制动操纵端必须打 开，非制动操纵端则要求关闭，如图2 - 1 所示。如果非制动操纵端塞门未关闭，而且 自阀手把置于缓解位，此时如果施行制动，就不起制动作用。在接触网作业车运行中， 非操纵端自阀的进出风路都应该截断，才能保证对自阀的任何操作都不影响整个风路。 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第5 页 图2 - 1接触网作业车现采用的制动系统简图 图2 2 为改进后的接触网作业车制动管路。增添了一个二位五通气动阀和两个二 位二通阀，就可实现接触网作业车空气制动装置换端操作，保证非操作端自阀动作失 效。 图2 - 2改进后的接触网作业车制动系统简图 2 手油门控制 按规章要求，在换端操作时，非操纵端手油门应放到熄火位置，不能动。接触网 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第6 页 作业车手油门控制是通过手油门手柄连杆、连接钢绳、连杆、油门操纵杆、回位弹簧 等共同作用完成。在手油门连杆处加锁定装置，通过电磁阀控制，就可以实现非操作 端锁定功能。 3 换向开关控制 接触网作业车换向操作采用互斥的操作方式。在开关信号和电磁阀之间增加逻辑 判断单元，把开关信号和当前的速度信号、非操纵端开关位置信号进行逻辑运算，只 有当非操端的转换开关置于中立位、当前速度为零时，另一端的转换开关才能有效的 操作，否则，系统会语音提示“操作错误”。这就保证了当接触网作业车运行时，非操 作端的转换开关操作是无效的，车未停稳也不能换向。 2 3 报警及语音系统 当接触网作业车安全控制系统有关参数值将要达到预设安全值而已达到警报值 时，系统给出语音警报；若超过了预设安全值，给出警报，并要求司机给出回应信号， 若在规定的时间系统没有接收到司机的正确回应信号，则系统切到自动控制模式，自 动采取措施，使相关参数回到规定值以内。在系统自动控制过程中，司机对系统的操 作无效；系统实现控制之后，允许司机通过解锁按钮解锁系统，否则，系统在设定时 间内自动解锁，退出自动控制模式。 系统需要监控的参数有机油压力、燃油量、水温、列车管风压、车辆运行速度、 轴温等。在车辆运行中，当机油压力、燃油量、列车管风压降到预设的值以下时，系 统报警，语音提示，如果司机不在规定的时间内处理，解除警报，则系统自动启动常 用制动停车。水温、轴温则是达到或超过设定值时，采取上述措施。速度的警报和控 制在监控功能里已经分析过，这里不再熬述。 语音系统主要是针对车辆无线列调电话而设置。车辆行驶作业中，司机的通话需 要记录，在出现事故或需要分析行车相关问题时，可以调出语音信息。所以，语音系 统的功能主要是能实现语音数据的存储。 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第7 页 ! i mm l 曼曼! 曼曼曼曼 第3 章c a n 总线技术概述 3 1c a n 总线介绍 基于在r s 4 8 5 总线上，只能有一个主机的特点，r s 4 8 5 总线往往应用在集中控 制枢纽与分散控制单元之间。由于r s 4 8 5 总线本身存在的许多局限性，随着科技的发 展，r s 4 8 5 的总线效率低、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本高、网 络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等缺点慢慢 的暴露出来。虽然许多工程师生产厂商等提出了改进的方法和建议，但都不能从根本 上解决r s 一4 8 5 这些先天性的问题。于是应用r s 4 8 5 的生产厂商开始寻求一种更好的 更彻底的解决方案。于是基于r s 4 8 5 硬件架构的c a n 总线就得到了广泛的关注。 c a n 是控制网络c o n t r o la r e an e t w o r k 的简称，最初是在8 0 年代末由德国的 b o s c h 公司为汽车监测、控制系统而设计的。属于现场总线的范畴，是国际上应用 最广泛的现场总线之一。 c a n 总线规范现已被i s o 国际标准组织制订为国际标准，得到了m o t o r o l a 、i n t e l 、 p h i l i p s 、s i e m e n s 、n e c 等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。c a n 总线在通信 能力可靠性实时性灵活性易用性传输距离远成本低等方面有着明显的优势，成为业界 最有前途的现场总线之一。据c i a 统计，2 0 0 1 年仅在欧洲就销售了超过1 亿个c a n - b u s 节点，几乎淘汰了所有的r s 4 8 5 系统。 c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型 结构只有3 层，只取o s i 底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输 介质为双绞线，通信速率最高可达1 m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远可达1 0 k m k b p s ，可 挂接设备最多可达2 0 3 2 个，而目前新一代的扩展c a n 通讯协议支持的设备数更多。 c a n 的信号传输类型采用了短帧的结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而传输 时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭以切断该节点与总线的 联系的功能，使总线上的其它节点之间的通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。 c a n 支持多主方式工作，网络上任何节点均可以在任意时刻主动向其它节点发送 信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收发送数据。c a n 采用总线仲裁技 术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而 优先级低的节点则在检测到总此案冲突后主动停止发送，从而避免了总线冲突。 目前已有多家公司开发生产了符合c a n 协议的通信芯片，如i n t e l 公司的8 25 27 ， m o t o r o l a 公司的m c 6 8 h c 0 5 x 4 ，p h i l i p s 公司的8 2 c 25 0 等，同时很多控制器的开发厂 商开发的处理器已经集成了c a n 接口。还有插在p c 机上的c a n 总线接口卡，具有 接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第8 页 曼曼曼曼量舅曼曼皇曼皇曼皇曼曼詈皇曼鼍曼曼曼曼曼曼曼鼍皇鼍曼曼舅曼皇曼毫曼舅曼曼曼鼍曼曼皇曼舅曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼ii i 曼曼皇曼鼍量曼曼曼蔓 c a n 的发展前景非常乐观，尽管c a n 协议已经有1 5 年的历史，但它仍处在改 进之中。从2 0 0 0 年开始，一个由数家公司组成的i s o 任务组织，定义了一种时间触 发c a n 报文传输的协议b e m dm u e l l e r 。t h o m a sf u e h r e rb o s c h 公司人员和半导体工 业专家学术研究专家将此协议定义为时间触发通讯的c a nt t c a n 计划。在将来标准 化为i s 0 1 1 8 9 8 4 。这个c a n 的扩展己在硅片上实现，不仅可实现闭环控制下支持报 文的时间触发传输而且可以实现c a n 的x b y w i r e 应用。因为c a n 协议并未改变， 所以在同一个的物理层上既可以实现传输时间触发的报文，也可以实现传输事件触发 的报文。t t c a n 将为c a n 延长5 1 0 年的生命期，现在c a n 在全球市场上仍然处 于起始点，当得到重视时，谁也无法预料c a n 总线系统在下一个1 01 5 年内的发展 趋势。这里需要强调一个现实，近几年内美国和远东的汽车厂商将会在他们所生产汽 车的串行部件上使用c a n 。另外大量潜在的新应用，例如娱乐。正在呈现不仅可用于 客车也可用于家庭消费，同时结合高层协议应用的特殊保安系统对c a n 的需求也正 在稳健增长。德国专业委员会b i a 和德国安全标准权威t u v 已经对一些基于c a n 的 保安系统进行了认证。c a n o p e n s a f e t y 是第一个获得b i a 许可的c a n 解决方案， d e v i c e n e t s a f e t y 也会马上跟进。全球分级协会的领导者之一g e r m a n i s c h e rl l o y d 正 在准备，提议将c a n o p e n 固件应用于海事运输，在其他事务中规范定义，可以通过自 动切换将c a n o p e n 网络转换为冗余总线系统。 3 2c a n 局域网技术及其优越性 3 2 1c a n 的分层结构 c a n 遵循i s o o s i 标准模型，按照这个标准模型，c a n 分为数据链路层( 包括逻 辑链路控制子层l l c 和媒体访问控制子层m a c ) 和物理层，而在c a n 技术规范2 0 a 的版本中，数据链路层的l l c 和m a c 子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传 送层”。如图3 1 所示。 l l c 子层的主要功能有：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由l l c 子层 接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。在定义目标处理时， 存在很多灵活性。m a c 子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错 误检测、出错标定和故障界定。m a c 子层也要确定，为开始新一次的发送，总线是否 开放或者是否马上开始接收。位定时特性也是m a c 子层的一部分。m a c 子层特性不 存在修改的灵活性。物理层的功能是关于数据在不同节点之间实际传送的全部电气特 性。显然，在一个网络里，所有节点物理层必须是相同的。但是在物理层选择上也存 在很大的灵活性。 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第9 页 数据链屡 u 七 接蝗滤波 超载运知 诙麓管理 m c 敦裾封装拆装 帧编码 媛体谚姆管理 错误授铡 出错标定 藏爸 重行4 , 1 1 路密行让 物理怒 p l s 俊鳊码懈码 位定时 圆步 p m a 繇砺器，接收器特住 擒l 连麓嚣 图3 - 1c a n 的分层结构 c a n 技术规范2 0 b 定义了数据链路层的m a c 子层和l l c 子层的一部分，并描 述与c a n 有关的外层，物理层定义信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、位编码和 同步的描述。在这部分技术规范中，为定义物理层中的驱动器接收器特性，以便允许 根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化。m a c 子层是c a n 协议的核心，它 描述由l l c 子层接收到的报文和对l l c 子层发送的认可报文。m a c 子层可响应报文 帧、仲裁、应答、错误检测和标定，m a c 子层由称为故障界定的一个管理实体监控， 它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。l l c 子层的主要功能是报文滤波、超载 通知和恢复管理。 3 2 2 报文传送及其帧结构 在进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器。该单元在总线空闲或 丢失仲裁前恒为发送器。如果一个单元不是报文发送器，并且总线不处于空闲状态， 则该单元为接收器。 报文传输由种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带数据由发送器至接收器；远 程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧由检测出总线 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第1 0 页 错误的任何单元发送：超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。数据帧和 远程帧借助帧间空间与当前帧分开。 构成帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列均借助位填充规则进行 编码。当发送器在发送的位流中检测到5 位连续的相同数值时，将自动地在实际发送 的位流中插入一个补码位。数据帧和远程帧的其余位场采用固定格式，不进行填充。 出错帧和超载帧也采用固定格式，不进行位填充。 报文中的位流按照非归零( n r z ) 码方法进行编码，这意味着一个完整位的位电平要 么是显性，要么是隐性。报文传送由4 种不同类型的帧表示和控制：数据帧最多可发送 8 个字节数据，数据帧可以被c a n 节点主动送出或作为一个节点对远程帧的响应；远 程帧通过数据请求节点向数据源节点发送，可以认为是一个节点向另一个节点提出问 题，该节点用相应的数据帧来回答；出错帧由检测出总线错误的任何单元发送；当节 点的数据处理能力不足时还可以发送超载帧来延迟下一个数据帧或远程帧的发送。 1 ) 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场和 帧结束。数据场长度可为o 。如图3 2 所示。 鼗撵桢 空圜 1 枣裁场。i 釜劁楚：。数据场。ic r c 。i q 砜 黻 空罔 i j 1 1 ，r17 i 1 7 1 1 土1 位标识商一kd l d 8 字节1 5 位 r 1 r 图3 - 2c a n 数据帧格式 ( 1 ) 帧起始( s o f ) 标志数据帧和远程帧的起始，它仅由一个显位构成。只有在总线 处于空闲状态时，才允许站开始发送。所有站都必须同步于首先开始发送的那个站的 帧起始前沿。 ( 2 ) 仲裁场由标识符和远程发送请求位( r t r ) 组成。对于c a n 2 0 a 标准，标识符 的长度为1 1 位，这些位以从高到低位的顺序发送，最低位为i d 0 ，其中最高7 位( r d 1 0 i d 4 ) 不能全为隐位。r t r 位在数据帧中必须是显位，而在远程帧中必须为隐位。 ( 3 ) 控制场由6 位组成，包括数据长度码和两个保留位，两个保留位必须是显性 位，数据长度码( d l c ) 指出数据场的字节数目。数据长度码为4 位，数据允许使用数目 为卜8 ，不能使用其他数值。 ( 4 ) 数据场由数据帧中被发送数据组成，它可以包括卜8 个字节，每个字节8 位。首先发送的是最高有效位。 ( 5 ) c r c 场包括c r c 序列，后随c r c 界定符。c r c 序列由循环冗余码求得的 西南交通大学硕士毕业设计( 论文) 第11 页 皇皇曼曼曼皇曼! 曼曼曼皇曼皇曼鼍l i_i ili i 皇曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼 帧检查序列组成，其被除的多项式系数由包括帧起始、仲裁场、控制场、数据场在内 的无填充位流给出。c r c 界定符必须是隐性位。 ( 6 ) 应答场( a c k ) 为两位，包括应答间隙与应答界定符。在应答场中，发送器送 出两个隐性位，所有接收到匹配c r c 序列的站，认为收到的数据正确，这个报文有效， 则这些接收器应该在应答间隙，将此接收有效的信息通过发送一个显性位改写发送器 写入的隐性位来报告给发送器。应答界定符是应答场的第2 位，并且必须是隐性位。 ( 7 ) 帧结束，由7 个隐性位组成的标志序列界定。 2 ) 远程帧 远程帧由6 个不同的场组成：即帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场和帧 结束。同数据帧相反，远程帧的仲裁场中的r t r 位是隐性位。远程帧不存在数据场， 其控制场中的d l c 数据是独立的，可以是卜8 中的任一数值，这一数值位对应数据 帧的d l c 。 3 ) 出错帧 出错帧由两个不同的场组成，第一个场来自各站的错误标志叠加而得，随后的第 二个场是出错界定符，出错界定符包括8 个隐位。 标志出错有两种形式，一种为6 位显性电平组成的活动型( a c t i v e ) 出错标志；另一种 为6 位隐性电平组成的认可型( p a s s i v e ) , h u , 错标志。 4 ) 超载帧 超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。超载标志由6 个显位组成。超载界 定符包括8 个隐位。一些c a n 控制器要求借助于发送一个或更多的超载帧来延迟下一 个数据帧或远程帧的发送。 对于帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列使用位填充技术进行编码。当 正在发送的c a n 控制器检测到5 个连续的相同极性的位被发送，一个互补( 填充) 位被 插入到该发送位流中。当一个正在接收的c a n 控制器监测到接收的上述5 种位场的位 流中，具有5 个相同极性的连续位，它将自动地删除下一个接收( 填充) 位。删除填 充位的电平必须与先前位相反。否则1 个填充错误将被检测标注。 3 2 3 错误检测 m a c 子层具有下列错误检测功能：监测、填充规则校验、帧校验、1 5 位循环冗 余码校验和应答校验。 ( 1 ) 错误类型 位错误 正在想总线送出一位的节点同时在监测总线。但监测到的位数值与送出的位数值 不同时，则检测到位错误。其中例外情况是：在仲裁期间，当送出隐性信息位或a c k 隙期间送出隐性位时，而检测到显性位不导致位错误；送出认可错误标志，而检测到 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第12 页 “显性”位的节点不将其理解为位错误。 填充错误 在使用位填充方法进行编码的帧场中，出现的六个连续相同的电平位的位时，则 检测到填充错误。 c r c 错误 c r c 序列由发送器的c r c 计算结过构成。接收器以发送器相同的方法计算c r c 。 当所计算的c r c 序列不等于接收到的序列时，则检测到c r c 错误。 形式错误 当固定格式位场含有一个或更多非法位时，则检测到形式错误。其中列外是：接 收器在帧结束的最后位监测到“显性”位时，不将其理解为形式错误。 应答错误 在发送器a c k 隙期间未检测到“显性”位时，则检测到一个应答错误。当检测 到以上这些错误之一，l l c 子层被告之，并且，m a c 子层启动发送错误标志。当任何 节点检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，由各自节点在下一位启动发 送错误标志。当检测到c r c 错误时，错误帧在仅随a c k 界定符后的那位启始发送， 除非另一个错误条件的错误帧已经准备好启动。 ( 2 ) 错误界定规则 网络中的任何一个节点，根据其错误计数器数值，可能处于下列三种状态之一。 “错误一激活”节点；一个“错误一激活”节点可以正常参与总线通信，并在 检测到错误时，发出一个活动错误标志。活动错误标志由6 个连续显性位组成，并且 遵守位填充规则和在规定帧中出现的所有固定格式。 “错误一认可 节点：一个“错误一认可”节点不应发送活动错误标志。它参 与总线通信，但在检测到错误时，发送一个认可错误标志，认可错误标志由6 个连续 的隐性位组成。发送后，“错误一认可”节点在开始进一步发送前将等待一段附加时间 ( 参见有关暂停发送说明) 。 “总线脱离”节点：当一个节点由于请求故障界定实体而对总线处于关闭状态 时，其处于“总线脱离”状态。在“总线脱离”状态下节点既不发送，也不接收任何 帧。只有应用户请求，节点才能解脱“总线脱离”状态。 3 2 4 位定时与同步 在通信时，接收端必须同步于发送端，否则接收端就无法判断何时读取总线上的 数据，也就无法正确接收数据。通常每帧的起始位都作为同步内部定时器用，随后的 几位数据的读写都根据各自内部定时器进行，一般由于晶体振荡器的分散性，定时器 都有误差，而在同一帧内这种误差是累积的，如果一帧中位数太多，在读取后面的数 据位时，采样点会偏出了应读取的位时间造成错误。因此，通常的串行口通信一般使 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第13 页 用1 帧包含1 0 位数据，其中同步位1 位，数据位8 位，校验位1 位。但是c a n 总线 却不是这样的。其中每一帧数据所含的位数不定，最短4 5 位( 远程帧的情况) ，而且 在总线仲裁中数据源经常由一个发送器转到另一个发送器，所以若要保证数据接收的 正确性，就必须要在一帧内多次进行同步。 c a n 总线上正常的传送一位时间可分为几个互不重叠的时间段。这些时间段包括： 同步段( s y n c s e g ) 、传播段( p r o p s e g ) 、相位缓冲段1 ( p h a s e s e g i ) 和 相位缓冲段2 ( p h a s e s e g z ) 。 同步段( s y n c - - s e g )用于同步总线上的各个节点，为此，此段内需要有一个 跳变沿。 传播段( p r o p s e g ) 用于补偿网络内的传输延迟时间，帧起始引起所有的c a n 控制器在第一个隐性位至显性位的跳变沿完成硬同步，然而，在仲裁期间，可能有多 个c a n 总线控制器同时发送，因此在总线稳定前，需要的时间为总线上传播时间、输 入比较器延迟和驱动器延迟之和的两倍。 相位缓冲段1 ( p h a s e - - s e g i ) 和相位缓冲段2 ( p h a s e - - s e g 2 ) 为了避免不正确 采样，需要在采样点的两边引进附加同步缓存器。不正确的采样主要原因是由于总线 上的尖峰信号引起不正确同步和由于网络内每个c a n 节点控制器振荡频率的变化引 起的相位误差。这两个时间段可被延长或缩短。 采样点它是这样的一个时点，在此点上仲裁电平被读，并被理解为相应位的数 值，位于相位缓冲段1 的终点。 硬同步硬同步后，内部时间从s y n c s e g 重新开始，因而硬同步强迫由硬同 步引起的跳变沿处于重新开始的位时间同步段内。 重同步通过延长相位缓冲段1 和缩短相位缓冲段2 来使跳变沿尽量进入位时间 同步段内。 重同步跳转宽度由于重同步的作用，相位缓冲段l 可被延长或相位缓冲段2 可 被缩短，两种作用的总和的上限称为重同步跳转宽度。 同步规则硬同步和重同步是同步的两种形式。它们遵从以下规则： ( 1 ) 在一个位时间内仅允许一种同步； ( 2 ) r 要在先前采样点上监测到的数值( 先前读总线数值) 不同于边沿后即现的总 线数值，边沿将被用于同步； ( 3 ) 在总线空闲期间，当存在一个隐性位至显性位的跳变沿时，则执行一次硬同步； ( 4 ) 所有履行以上规则( i ) 和( 2 ) 的其他隐性位至显性位的跳变沿都将被用于重同步， 例外的情况是，对于具有正相位误差即跳变沿位于采样点之前的隐性位至显性位跳变， 如果被用于重同步，则发送显性位的节点将不执行重同步。 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第1 4 页 3 2 5c a n 的优越性 c a n 属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信 网络。较之目前许多r s 4 8 5 基于r 线构建的分布式控制系统而言，基于c a n 总线 的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性： 首先，c a n 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权( 取 决于报文标识符) 采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且c a n 协议 废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相 同的数据，这些特点使得c a n 总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且 容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用r s 4 8 5 只能构成主从 式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。 其次，c a n 总线通过c a n 收发器接口芯片8 2 c 2 5 0 的两个输出端c a n h 和c a n l 与物理总线相连，而c a n h 端的状态只能是高电平或悬浮状态，c a n l 端只能是低电 平或悬浮状态。这就保证不会出现象在r s 一4 8 5 网络中，当系统有错误，出现多节点同 时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且c a n 节点 在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响， 从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。 而且，c a n 具有的完善的通信协议可由c a n 控制器芯片及其接口芯片来实现，从而 大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的r s 4 8 5 所无法 比拟的。 另外，与其它现场总线比较而言，c a n 总线是具有通信速率高、容易实现、且性 价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前c a n 总线应用 于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。 c a n 即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设 计，c a n 总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一 些著名的汽车制造厂商，如b e n z ( 奔驰) 、b m w ( 宝马) 、p o r s c h e ( 保时捷) 、 r o l l s r o y c e ( 劳斯莱斯) 和j a g u a r ( 美洲豹) 等都采用了c a n 总线来实现汽车内部 控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于c a n 总线本身的特点，其应 用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机 械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。 c a n 已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用 协议有：s a ej 1 9 3 9 i s o l l7 8 3 、c a n o p e n 、c a n a e r o s p a c e 、d e v i c e n e t 、n m e a2 0 0 0 等。 西南交通大学硕士毕业设计( 论文)第15 页 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼鼍 i lllll l 量曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼舅曼毫曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼 第4 章接触网作业车c a n 总线安全控制系统 构建与实现 4 1c a n 控制安全系统总体设计 本次研究的接触网作业车安全控制系统主要链接对象有选端开关、百叶窗开关、 倒车风斗开关、手油门控制器、转换开关、机车信号感应器、机油压力传感器、发动 机温度传感器、发动机熄火装置、轴温传感器、环境温度传感器、速度传感器、总风 缸、均衡风缸、列车管、制动缸、无线列调电话、机车信号、仪表显示器等。系统主 要控制电磁阀、开关器件的动作，再由电磁阀、开关器件控制的部件动作实现车辆控 制。系统所需信息主要由各种传感器件、信号感应器和内置的数据提供。由于与其他 总线相比