（电力电子与电力传动专业论文）基于以太网的磁浮列车调试系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a b s t r a c t m a g l e vs u s p e n s i o nc o n t r o li st h ek e yt e c h n o l o g i e so fm a g l e vt r a i n a l o n gt h em a g l e v t r a i n ，t h e r ea r ed o z e n so fd i s t r i b u t e de l e c t r o m a g n e ts u s p e n s i o nu n i t s ，e a c hu n i tw a s c o n t r o l l e db yt h e i rr e s p e c t i v es u s p e n d e dc o n t r o l l e r 、枷i l em a g l e vt r a i n sr u n n i n gi nt h e d e b u g g i n gp r o c e s s ，t h e r ea r eal o to fd a t a t r a n s f e r r e db e t w e e nt h ed e b u gh o s ta n dt h e s u s p e n s i o nc o n t r o l l e r i nt h a tc a s e ，ad e b u g g i n gn e t w o r kw i t hh i g hs p e e da n dr e l i a b i l i t yi s n e c e s s a r y v a r i o u sd e b u g g i n gs y s t e mu s e dc u r r e n t l ym a i n l yb a s e do nc a n b u sc o n s t r u c t i o n ， w h i c hh a v es o m ew e a k n e s s s u c ha sn e t w o r kt o p o l o g yi st o os i m p l ef o re x t e n s i o n ，t h e m a x i mn u m b e ro fn e tn o d ei sl i m i t e df o ra d d i n gm o r e t h et r a n s m i s s i o nr a t e sl o wa n dm a n y o t h e rs h o r t c o m i n g s i ti sn e c e s s a r yt oi n t r o d u c ea n o t h e rs e to f1 1 i 曲- s p e e da n dr e l i a b l e d e b u g g i n gs y s t e m b a s e do nt h ee x i s t i n gd e b u g g i n gn e t w o r k ，t h i sp a p e rd e s i g n e da ne t h e m e t - b a s e d d e b u g g i n gs y s t e m i ns u c had e b u g g i n gs y s t e m ，s u s p e n s i o nc o n t r o l l e r sa r ec o n n e c t e dt oa c a n b u s w h i c hc o n n e c t e dt oe t h e r n e tb yac a n - e t h e r n e tc o n v e r t e r , t h ed e b u g g i n gh o s t c o m p u t e rc o n n e c t e dt ot h ec a n e t h e r n e tc o n v e r t e rb ye t h e r n e t b yt h ed e b u g g i n gs y s t e m ， t h ed e b u g g i n gh o s tc o m p u t e rc a nc o m m u n i c a t ew i t he a c hc o n n e c t e ds u s p e n s i o nc o n t r o l l e r i nt h es u s p e n s i o nc o n t r o l l e rs i d e t m s 3 2 0 f 2 8l2w a su s e dt od e s i g nt h ed e b u g c o m m u n i c a t i o np r o c e s sm o d u l e ，w h i c hw a su s e dt oi m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n s u s p e n s i o nc o n t r o ld s pa n dt h ec a nn e t w o r k t h em o d u l er e c e i v ed a t af r a m ef r o mt h e c a nb u s 。r e s o l v ei tt oe x e c u t a b l ei n s t r u c t i o n s ，c o l l e c tt h el o c a ls t a t ed a t aa n ds e n ti tt ot h e c a nb u s t h ed u a l - p o r tr a mu s e dt od a t ae x c h a n g ep r o c e s s i n gb e t w e e nt h em o d u l ea n dt h e s u s p e n s i o nc o n t r o ld s p i nt h e m o d u l e i no r d e rt oa c h i e v et h er e m o t ei n - s y s t e m p r o g r a m m i n gc a p a b i l i t i e s d s pp r o g r a mu s i n gt h eb o o t l o a d e r o nt h eb o o tp r o c e s sa n d t h ed e b u g g e rat w o t i e rs t r u c t u r e i nt h eh o s tc o m p u t e rs i d e t h ed e b u gc o n s o l ea p p l i c a t i o nw a sd e s i g n e di nt h ev c h l a n g u a g e w i t h t h ec a n e t h e r n e te q u i p m e n ta p i ，t h ef u n c t i o n sw h i c hi n c l u d e c o m r n u n i c a t i o nl i n k sa n de q u i p m e n ti n i t i a l i z a t i o nw e r er e a l i z e d a n do nt h i sb a s e ，s o m e f u r t h e rf u n c t i o n sw e r er e a l i z e d ，s u c ha sh u m a n - c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ， i n s t r u c t i o n ss e n d i n g ，d a t ar e c e i v i n ga n ds t a t u sm o n i t o r i n gf u n c t i o n s t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e b u gs y s t e mi sn o td e s i g n e dt ot a k ef u l la d v a n t a g eo ft h e e x i s t i n ga d v a n t a g e so fd e b u g g i n gt h en e t w o r k ，b u ta l s oh a sa f a s t e rr a t e ，t o p o l o g yr e a s o n a b l e a n ds c a l a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c so fag o o dc a nb ee f f e c t i v e l yu s e di nm a n ya p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：m a g l e vt r a i n ，d e b u gs y s t e m ，e t h e r n e t ，c a n 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。 ( 请在以上方框内打吖”) 学位论文作者签名： f 来备凇 指导老师 日期：沙f 。f ：；q 日期：矽fd 、f 、3 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： l 、设计并实现了一种磁浮列车调试系统。该系统中，利用c a n 总线连接各悬浮 控制器，c a n 总线通过转换器接入以太网，从而连接到以太网上的调试控制主机。 2 、设计并编写了调试控制主机端的调试程序。实现控制主机与悬浮控制器之间的 数据传输、指令发送、状态监控、程序更新等功能。 3 、设计了悬浮节点上的c a n 通信模块，该模块实现悬浮控制d s p 和调试控制 c a n 总线的通信、命令解析、状态反馈等功能，利用双口r a m 实现同悬浮控制d s p 的数据交换。为了实现该模块的在系统编程功能，设计了一种引导程序与调试程序双 引导的程序结构。 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入和集体，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： 美i 褊 1 日期：) 刁i 口5 日乜 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 磁悬浮技术由于其无接触的特点，避免了物体之间的摩擦和磨损，能延长设备的 使用寿命，改善设备的运行条件，因而在交通、机械、冶金、材料等各个方面有着广 阔的应用前景。但现在前景最看好的还是在交通领域的应用。 磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系 统。磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车车厢托起悬浮于空中并进行 导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，利用线性电机驱动列车运行，从根本上 克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题【】。它的时速高，是当今世界最 快的地面客运交通工具，并且还具有安全，舒适，无污染，与环境兼容性好，爬坡能 力强以及占地面积小等一系列优点。既可用于城市之间的长距离运输，也可用于城市 与郊区、城市内的中短距离运输，具有广阔的应用前景【2 】。 悬浮技术是实现磁浮列车关键之一，车辆的悬浮功能通过分布在车身各处的悬浮 单元来实现，每个悬浮单元包括悬浮电磁铁、悬浮传感器、悬浮控制器等三种类型的 设备，悬浮控制器利用悬浮传感器回传的悬浮状态信息控制输悬浮电磁铁的电流，从 而实现车辆稳定悬浮并跟踪轨道。调试主控计算机与各单元的悬浮控制器之间通过专 用的调控网络连接，组成悬浮调试系统，通过该系统即可实现由一台计算机对各悬浮 单元的调试和监控。 1 2 磁浮列车悬浮控制技术简介 从悬浮原理的角度，磁浮列车可分为电磁吸力悬浮( e m s ) 和电动悬浮( e d s ) 两大类。 电磁吸力悬浮就是对车载的、置于导轨下方的悬浮电磁铁通电励磁而产生电场，磁铁 与轨道上的铁磁构件相互吸引，将列车向上吸起悬浮于轨道上，磁铁和铁磁轨道之间 的悬浮间隙一般约为8 1 2 r a m 。通过控制悬浮磁铁的励磁电流来保证稳定的悬浮间隙。 电动悬浮就是当列车运动时，车载磁体( 一般为低温超导线圈或永久磁铁) 的运动磁 场在安装于线路上的悬浮线圈中产生感应电流，两者相互作用，产生一个向上的磁力 将列车悬浮于路面一定高度，约为1 0 0 1 5 0 m m 。 目前国内大多数磁浮列车设计方案都采用电磁吸力悬浮实现，在典型的电磁吸力 磁浮系统中，由于悬浮力电流悬浮间隙之间的非线性特性，电磁悬浮模型开环不稳定， 为了实现稳定的悬浮，必须引入反馈，采用闭环控制。随着现代控制理论的发展，各 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 种先进的控制理论，如滑模变结构控制、非线性鲁棒控制、自适应和模糊控制等等都 被应用到悬浮控制系统中，并取得了一些满意的成果。 早期的悬浮控制器大都采用模拟控制技术。随着微电子技术及大规模、超大规模 集成电路和各种高性能微处理器的迅速发展，数字控制技术在自动控制领域已得到广 泛的应用。数字控制器具有可实现复杂的控制算法、改变控制器参数方便、控制器的 特性稳定等等模拟控制器无法比拟的特点，因而牢牢占据了自动控制领域的主流地位。 目前，国内外各种成熟的悬浮控制方案几乎都采用数字控制方式。 1 3 磁浮列车调试系统现状及发展方向 1 3 1 现行主流悬浮调试系统简介 磁浮列车悬浮系统的调试系统主要完成对悬浮控制器的调试和监测，目前，国内 大多数悬浮调试系统都基于c a n 网络构建。一种典型的设计方案拓扑结构为总线型， 传输速率为0 5 m b i t s ，网络节点传输线间距为2 m 。底层采用c a n 总线将各悬浮控制 器连接起来，u s b c a nm o d u l e 将c a n 总线转接为u s b 总线，实现与调试主机的连 接。 在早期的调试实验中，控制方法比较简单，需要实时传输的数据并不多，实验网 络中挂接的悬浮节点也较少，一般都在3 0 个以内，因此使用c a n 总线就能够满足调 试的需要。 随着控制理论的发展，各种复杂的控制算法在悬浮控制中逐渐得到应用，调试过 程中有越来越多的数据需要实时传输，这对调试系统的传输速率和可靠性都有了更高 的要求。另一方面，实际应用中的磁浮列车往往会有上百个悬浮节点。在磁浮列车的 运行和调试过程中，常常需要对所有的悬浮节点进行实时的状态监控与调试。按照c a n 协议规范的标准，当传输速率为0 5 m b i t s 时，最大传输距离为1 1 0 米；当传输速率为 1 0 m b i t s 时，最大传输距离仅为4 0 米。由于传输距离和传输速率的限制，现行的基于 c a n 总线的调试系统已经无法满足悬浮调试的需要。引入另一种更快速更可靠的调试 网络的要求日益迫切。 1 3 2 基于以太网的悬浮调试系统发展前景 对于前节所述情况，考虑到悬浮调试系统的发展需求，在目前所有成熟的网络技 术中，以太网是最为理想的选择，它能满足以下所有要求： 1 、充分考虑发展的需要，具有高传输速率，目前主流应用已达1 0 0 0 m b p s ； 2 、高传输安全性和可靠性，集线器技术的确定性； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 3 、拓扑方式灵活多样，具有优秀的扩展性能： 4 、可基于多种介质传输，如双绞线、同轴电缆和光纤等等； 5 、可方便介入i n t e m e t ，传输距离几乎不受限制，真正实现随时随地控制。 虽然以太网采用的是带碰撞检测的载波侦听多路访问协议( c s m a c d ) ，一般认为 这种协议不能满足控制系统的实时性要求。但l o o m b p s 甚至1 0 0 0 m b p s 的以太网已得 到广泛应用。而且随着以太网交换技术的出现，通过全双工交换技术，可以完全避免 c s m a c d 中的碰撞，并且可以方便地实现优先级机制，实现网络带宽的最大利用率和 最好的实时性能。 随着网络技术的发展，现今i n t e m e t 几乎无处不在，基于以太网构建的局域网能方 便接入i n t e m e t ，因此很容易实现对磁浮列车的远程调试和控制，而且几乎不受空间范 围的限制。由于以太网拓扑的灵活多样，基于以太网的磁浮列车调试系统具有良好的 扩展性能，对列车编组的变更、悬浮节点的增减等都很方便。 由于以上特性，构建基于以太网的磁浮列车调试系统，能够满足调试工作对传输 速率、距离和传输可靠性的需要，具有良好的应用前景。 1 4 本文研究内容 考虑到现有悬浮调试网络的弊端，悬浮控制中引入一种有效的悬浮车载调试网络 是非常必要的。本文在西南交通大学磁浮列车与磁浮技术实验室现行悬浮调试网络的 基础上，设计了一种基于以太网的悬浮控制调试系统，本文的主要内容如下： 1 、绪论部分主要对悬浮控制技术、磁浮列车调试系统的现状及发展前景作简要介 绍。 2 、对一种典型的电磁吸力悬浮系统的原理和控制方式作简要介绍，借此分析磁浮 列车调试系统所调试对象的特性。 3 、分析目前广泛应用的基于c a n 总线的调试系统的优点与不足，提出几种基于 以太网的调试系统设计方案，对这几种方案的特性分别进行分析，并采用一种方案实 现磁浮列车远程调试系统。另外，对该系统所涉及的基础通信协议：c a n 协议和以太 网t c p i p 协议族作简要介绍。 4 、下位机方面，设计并实现悬浮控制器调试通信模块。分别从硬件电路和程序设 计两方面介绍其具体设计方案，详细说明了该模块的工作原理、主要功能和实现方法。 5 、上位机方面主要工作是设计控制计算机上的调试控制台程序。利用厂商提供的 设备a p i 函数实现以太网基础通信功能。根据设计好的调试协议，设计和编写应用层 上的调试控制程序，从而实现对悬浮节点的状态监视、参数修改、程序更新等远程调 试功能。 6 、文章最后在实验室通过i n t e m e t 构建一个完整的调试系统，完成系统各部分功 能的测试。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 第2 章电磁悬浮数字控制器原理 2 1 单电磁铁悬浮系统模型 磁浮列车是一个由多电磁铁组成的悬浮系统，每个电磁铁模块的运动都有纵向、 侧移、升降、摇摆、侧滚和俯仰等6 个自由度。由于常导电磁吸力型磁浮列车采用磁 轮或模块等控制概念，使得磁浮列车的控制可以分解为单个电磁铁的控制问题【4 】。 f c 一 _ _ _ h ( 1 一r 一一二一一一一一- 一一一一一一西。 ，轨道平1 ，、 il c 1 ) ，! 勃tr j j i l i ，一一一。一。卜一一 - l 、 悬浮电磁铁 l i l r l 、厂厂、 l ：一一- 一一之， vv r v l 一剃 m g r l 1 如 图2 1 单电磁铁悬浮系统模型 图2 1 显示了单电磁铁导轨悬浮系统的结构图。其中，中r 为主磁通，巾。为气隙 磁通，垂。为漏磁通，m g 为电磁铁重力，厶为外界扰动力，f ( i ，) 为电磁吸力，z ( f ) 为 磁极表面相对于参考平面的距离，厅( ，) 为导轨表面相对于参考平面的距离，c ( f ) 为磁极 与导轨之间的气隙，砸) 为电磁铁线圈电流，u ( t ) 为线圈两端的电压。 为简化分析，首先作以下两条假设： ( 1 ) 电磁铁磁路中，铁磁材料的磁导率无穷大，磁势均匀降落在间隙上； ( 2 ) 忽略绕组漏磁通。 另外设风为空气磁导率，为线圈匝数，彳为铁心极面积，尺为线圈电阻，由此 模型可以计算出电磁吸力f ( i ，f ) 的表达式为 聃，= 华斟 陋- ， 电磁铁绕组回路的电压方程为 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 如m 砸，+ 等等一帮警 电磁铁在垂直方向上的力学方程为 聊丐d 2 z r ( t ) = 愕+ 厶( 沪盹f ) ，押- = ，押2 十，o i fj 一，iz 。f l 饿一 另外，考虑到轨道作用面的变化，有如下关系 z ( f ) = 办( f ) + c ( ，) 由i 比，可以律立单申磁铁悬浮系统动杰樟犁方稗f 4 】 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 砸，+ 曩l t o n 2 a 了d i ( t ) 一背警 p 5 ， 脚，= 掣黼 一 2 2 悬浮系统控制原理 单电磁铁悬浮系统的控制是一个单自由度( 垂直方向) 的控制，控制目标的一个基本 方面是悬浮间隙的稳定性，即要求本身固有不稳定的电磁悬浮系统，在各种外部扰动 力和导轨不平顺等因素影响下，都能使间隙稳定在某一个数值上【3 】。 由于开环电磁铁悬浮系统的固有不稳定性，必须采用闭环控制才能使系统稳定。 最简单直观的是采用检测电磁铁和导轨间的间隙，运用经典控制理论中的超前滞后补 偿技术使电磁铁动态地平衡稳定在某一设定好的间隙上。这种方式通常能够获得稳定 的悬浮，但是对磁浮列车所要求的阻尼、稳定裕度和抗扰动等性能的要求常常无法满 足。因此目前比较常用的一种控制方案是引入非线性反馈线性化，将原系统转变为等 效线性系统，对此等效线性系统进行线性反馈控制。 对于式( 2 5 ) 表示的悬浮模型，采用电流控制方式，选取悬浮间隙和垂向速度作为 状态变量，同时忽略轨道形变办( f ) 的影响，则可得到如下的状态方程 卧卧 0 一螋2 + g 4 4 m l x l 。 m y2 而 其中，而表示气隙，工：表示垂向速度，y 为系统输出，即悬浮气隙。 对于( 2 6 ) 所描述的状态方程，选取如下的状态变量： ( 2 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 正= x l c o 正= x 2 t ，= g + f 聊d 一2 0 4 n 埘2 a 一1i 2 = a + 肛2 + 鲁 选择线性化系统的控制输入为 z ，= 口+ 历2( 2 - 7 ) 其中嘲，肛等。 取卧阱 得到等效线性化系统的开环模型为： 耋： = 三三 三： + ： 甜+ 罢 ：! y = 【10 ”l 采用电流控制方式，引入气隙速度反馈，不妨假设控制规律为 “= 一( 毛z l + k 2 2 2 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 主 = 一：。一： 主 + 罢 厶 。2 ，。， 少：【1 0 1 乙i 再令 k ，= 掣( 2 - 1 1 ) f 1 z 。= x 。一c o ，z ：= 工：，由式( 2 - 7 ) 和式( 2 9 ) ，可得对应的电流控制规律为 其中，五表示气隙，工：表示垂向速度，c 。表示设定气隙值。 该闭环系统控制框图如图2 2 所示。 ( 2 1 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 d ，钉 图2 2 反馈线性化闭环系统框图 2 3 悬浮系统数字控制器与调试方法 2 3 1 悬浮数字控制器 c o 在本文中，悬浮系统数字控制器的主要功能是对悬浮系统的各种信号( 包括间隙、 电流等) 进行量化采集，按照特定的控制算法，计算电磁铁中的电流给定值，利用p w m 调制模块生成p w m 波形驱动悬浮斩波器，通过这种方式控制悬浮电磁铁中的悬浮电 流从而保持悬浮间隙的稳定。数字控制器的功能框图如图2 3 所示。 图2 3 悬浮系统数字控制器功能框图 从图中可以看出，数字控制器从结构上主要可分为信号输入、信号处理和信号输 出三大部分。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 信号输入部分调理原始的传感器信号，对其进行采样和a d 转换处理，并缓存足 够长的时间使其能够完全传送至信号处理模块中。 信号处理模块的核心器件为d s p ( 数字信号处理器) 。对上一级电路传递过来的数字 信号，按照特定的控制算法完成信号处理工作，并将运算结果( 悬浮电流给定值) 输出到 下一级信号输出模块中。 由于采用电流作为控制对象，因此在信号输出电路中，使用p w m 模块根据上一 级电路中的电流给定值与电磁铁中的电流采样值来生成p w m 波形，以此驱动悬浮斩 波器的开关器件，控制悬浮电磁铁中的电流进而控制悬浮间隙的稳定。 2 3 2 悬浮控制器的数字调试 从悬浮控制器的角度看，按照经典控制理论的调试方式，磁浮列车悬浮控制的调 试主要是对d s p 内的数字滤波器以及控制算法内的各控制系数进行修改以获得最佳的 悬浮状态。此外，数字控制器需要接收包括悬浮与降落在内的控制指令。为了对每次 调试的效果进行评估，要对悬浮节点的各传感器信号进行监测，这就需要控制器能够 对需要的信号进行采样并反馈回控制台做相应分析。在较长的一个调试周期中，随着 控制理论的发展，控制算法可能会有比较大的变化，需要对d s p 内的程序做相应的修 改，因此数字控制器需要实现远程的代码更新，即远程“在系统编程”功能。图2 _ 4 显示了按照以上功能需求设计的磁浮列车悬浮控制器的调试模型。 图2 - 4 悬浮数字控制器调试功能示意图 2 4 整车悬浮系统模型 每节磁浮列车的悬浮系统由数十个在车身两侧沿线均匀分布的悬浮控制单元构 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 成，每个单元都包含各自的悬浮电磁铁和悬浮控制器。在调试试验中，为了实现调试 控制主机同所有悬浮控制单元的调试通信，有必要引入调试控制网络的概念。显示了 悬浮控制单元与调试主机之间的网络连接关系，图中的网络可以采用任何一种行之有 效的网络形式。本文接下来的内容就是在此基本结构上进行的研究。 图2 5 整车悬浮系统的调试模型 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 第3 章磁浮列车调试系统结构及基本协议 3 1 现行的调试系统网络结构 悬浮调试网络主要完成对所有悬浮节点的调试和监测。目前国内主流的调试网络 大都基于c a n 总线设计。典型的传输速率为0 s m b i t s ，网络节点传输线间距为2 m 。 底层采用c a n 总线将各悬浮控制器连接起来，u s b c a n 转换器将c a n 总线转接为 u s b 总线，实现与调试主机的u s b 口连接，图3 1 显示了单节车内的调试网络拓扑【2 3 1 。 图3 1 单车c a n 网络 采用这种网络优点在于：1 底层采用c a n 网络，可靠性高、抗干扰性强和实时 性好。2 采用总线拓扑，节省布线资源。但是该方案的缺点也很明显，由于c a n 总 线传输距离有限，而u s b 电缆的距离更短，因此调试场地很容易受到限制。 若需多节车联调，一般有以下两种方案备选， 方案1 ：三车星形连接，如图，将三列车各自所属悬浮节点挂接在各自的总线上， 三条总线利用u s b c a nm o d u l e 接入调试主机。这一方案的缺点在于，需u s b c a n m o d u l e 网关较多；占用调试主机u s b 接口较多，而调试主机的u s b 接口资源有限， 另外上层悬浮调试软件需实现从多个u s b 接口进行同时通信，实现较困难。 方案2 ：所有车辆使用同一总线，将各节车体各自所属悬浮节点挂接到同一条c a n 总线上，再用u s b c a nm o d u l e 转接入调试主机。这一方案也仍存在明显的缺点，总 线上挂接的节点数随着列车数的增加而增加，很容易达到1 1 0 个节点的上限；总线过 长，各节点间传输线为2 m ，则到末端的传输距离约为1 2 5 m ，而c a n 网以0 5 m b i t s 传 输时传输距离要求为最大不超过1 3 0 m ，此时最实际传输距离已经接近最大传输距离的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 限制，显然这种方案也不可取。 图3 - 2 多车c a n 网络星形拓扑 图3 - 3 多车c a n 网络总线形拓扑 3 2 基于以太网的调试网络拓扑 在早期的调试实验中，控制方法比较简单，需要实时传输的数据并不多，实验网 络中挂接的悬浮节点也较少，一般都在3 0 个以内，因此使用c a n 总线就能够满足调 试的需要。随着控制理论的发展，调试过程中有越来越多的数据需要实时传输，对调 试系统的实时性和可靠性都有了更高的要求，另一方面，实际应用中的磁浮列车往往 会有上百个悬浮节点。这时，c a n 总线在传输速率和节点数量上就难以满足不断发展 的控制程序，引入另一种更快速更可靠的调试网络的要求也日益迫切。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 作为当今世界上应用最广泛的一种网络技术，以太网在传输速率、传输距离与挂 接节点数等方面都全面超越c a n 总线。以太网还具有成本低廉、网络拓扑结构灵活的 优点，组网技术易于理解、实现、管理和维护，因此可以用以太网组网技术来构建悬 浮调试系统的平台。下边是两种基于以太网的调试网络拓扑。 3 2 1 悬浮控制器直接接入以太网 每个悬浮节点均直接使用以太网与外界通信，拓扑采用星形结构，每节车上的悬 浮节点均通过以太网双绞线连接到车载的以太网交换机上，该交换机使用以太网双绞 线直接与调试控制端的计算机相连。如图3 - 4 所示。 由于每个悬浮节点都直接连接到以太网交换机，因此都拥有独立的带宽，都能直 接与调试控制计算机直接通信，有效保证了通信速率和可靠性。不足的是采用车载悬 浮控制单元采用星形连接，给车辆布线带来一定的困难。另外，由于每个悬浮节点都 需要直接挂接到由以太网构建的局域网上，这与现有的调试系统无法兼容，软硬件的 升级成本较高，因此本方案可作为将来系统换代时的备选方案。 磁浮列车 图3 4 多车c a n 网络总线形拓扑 3 2 2 以太网+ c a n 联合悬浮调试网络 现有设备都直接使用c a n 总线通信，若是改造成每个节点都直接接入以太网的方 式，需要对所有的节点都重新设计，加装以太网通信模块，改造工程量很大。故可采 用c a n 总线和以太网的联合拓扑：底层的悬浮控制节点采用c a n 总线连接，拓扑为 总线型结构。将全车2 0 个悬浮控制c a n 节点用c a n 总线型连接，子网末端则使用 c a n 以太网转接器转换为以太网，最后与调试控制台的计算机相连，如图3 5 所示。 该方案底层采用c a n 总线，因此与现有的调试系统相兼容，可靠性高、抗干扰性 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 强和实时性好，而且采用总线拓扑，节省布线资源。由于各c a n 总线上挂悬浮控制节 点少，能够有效减少网络冲突。网络拓扑的开放性和扩展性能好，容易组网。 图3 5c a n + 以太网联合网络拓扑 图3 6 显示了多车联调的情况，各车的2 0 个悬浮节点分别用一条c a n 总线连接， 再利用c a n 以太网转换器将各c a n 总线转接为以太网，最后用以太网集线器将各车 的c a n 一以太网转换器与悬浮调试计算机相连。由于以太网的传输几乎不受距离限制， 因此可充分满足挂接多节车辆的需要。 图3 6 多车c a n + 以太网联合网络拓扑 3 2 3 磁浮列车远程控制系统模型 基于以太网构建的调试系统，具有良好的开放性和扩展性，根据调试环境需要， 可构建各种有线和无线调试网络，图3 7 显示了一个典型的远程调试控制解决方案。 调试现场建在a 地，而控制实验室在b 地，两边的设备分别都接入i n t e m e t ，从而 要塞奎翌查兰墨主竺室兰兰竺笙苎兰：要 实现远程通信。a 地的接入方式可根据现场环境需要灵活选择，如库内采用有线接入 形式，库外采用无线路由器构建w d s 无线桥接网络，从而覆盖整个实验轨道。 地车辆现场 ib 地实验室 图3 7 通过i n t e r n c t 的远程控制结构 3 3 以太网与t c p l p 协议 3 3 1 以太网介绍 以太网，英文名为e t h e r n e t ，是当今世界上应用范围最广的一种网络技术。以太 网这个术语并不是指某种具体的网络，而是一种技术规范，一般是指数字设备公司 ( d i g i t a le q u i p m e n tc o r p ) 、英特尔公司( 1 m e lc o r p ) 和x e r o x 公司在2 0 世纪8 0 年代 初期联合公布的一个标准。它是当今t c p t p 协议所采用的主要的局域网技术。 3 3 11 以太网的工作原理 以太网采用一种称作c s m a c d 的媒体接入方法，其意思是带冲突检测的载波侦 听多路接入( c a r r i e rs e n s e ，m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 。c s m a c d 技术 规定了多台设备共享一个通道的方法，因为所有的通信信号都在共用线路上传输，即 使信息只是拉给其中的一个终端( d e s t i n a t i o n ) ，某台设备发送的消息都将被所有其他 终端接收。在正常情况下，网络接口卡会滤掉不是发送给自己的信息，接收目标地址 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 是自己的信息时才会向c p u 发出中断请求。 当以太网中的一台主机要传输数据时，它将按如下步骤进行： 1 、监听信道上是否有信号在传输。如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续监 听，直到信道空闲为止； 2 、若没有监听到任何信号，就传输数据； 3 、传输的时候继续监听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，重 新执行步骤l ( 当冲突发生时，涉及冲突的计算机会发送会返回到监听信道状态。每台 计算机一次只允许发送一个包，一个拥塞序列，以警告所有的节点。) ； 4 、若未发现冲突则发送成功。 3 3 1 2 以太网帧结构 以太网( e t h e m e t ) 上发送的数据是按一定格式进行的，此数据格式称为帧，以太网 的帧有多种格式，其中由r f c 8 2 6 文档定义的帧格式结构简单，应用广泛。其结构如 图3 8 所示。 以太网封装( f u f c 8 9 4 ) 卜l - 4 5 15 0 0 字节叫 l 里竺兰兰i 鲨兰兰l 耋竺i 兰望l ! ! ! i 6 6 2 4 6 15 0 0 4 10 8 0 0i ” l 24 6 1 5 0 0 22 81 8 22 81 8 图3 8 以太网帧格式 1 、在m a c 帧开始之前有5 6 位同步位和8 位帧首界定符，同步位用来同步收发双 方的时钟，同时也指明了传输的速率；帧首界定符表示一帧数据的开始； 2 、目的地址是6 个字节的以太网地址，如果为f f f f f f f f f f f f h 就是广播地址， 任何网卡可接收，也可以是组地址，最多可有6 4 个节点接收同一帧信息； 3 、源地址，发送帧的网卡地址： 4 、类型字段，表明该帧是何种类型的数据，0 8 0 0 h 代表包，0 8 0 6 h 代表a r p ， 8 0 3 5 h 代表r a r p 等等； 、 5 、数据段，由l l c 层提供或是接收，为了保证冲突检测的正常进行，从目的地 址算起的数据包最少6 0 字节，所以数据段部分最短4 6 字节，帧总长度最大值也有限制 为1 5 0 0 ；填充位，是为了达到最短数据的要求，填o 即可； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 6 、数据校验位，由网卡自动计算生成并附加到帧里。 3 3 2t c p i p 协议 t c p i p 协议在i n t e m e t 中是使用最为广泛的通讯协议。t c p i p 是英文t r a n s m i s s i o n c o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l 的缩写，意思是“传输控制协议网际协议”。事实上， t c p i p 协议是指包含t c p 协议和m 协议在内的一组协议族。它通常被认为是一个四 层协议系统，包括数据链路层、网络层、传输层和应用层。每一层都负责不同的功能。 t c p i p 协议族中不同层次协议的划分如图3 - 9 所示。 s m t pf t ph t t p 彳 t c p v u d p 、7 i g - i p | lz p | 4 i o p 1 、 上 a r p |j 硬件接口| j r a r p 应用层 传输层 网络层 数据链路层 图3 - 9t c p 口协议族 各层的功能简要介绍如下： 1 、应用层 应用层是用户与网络的界面，负责处理网络信息，沟通各应用程序。应用层为用 户提供多种应用协议，如h t t p 、t e l e t 、f t p 等。 2 、传输层 传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。传输协议的选择根据数 据传输方式而定，分别有两个传输协议，即传输控制协议t c p 和用户数据报协议u d p 。 3 、网络层 网络层也称为互联网层。处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在t c p 江 p 协议族中，网络层协议包括i p 协议( 网际协议) 、a r p ( 地址解析协议) 、i c m p 协议 ( i n t e m e t 互联网控制报文协议) 以及i g m p 协议( i n t e m e t 组管理协议) 。 4 、数据链路层 数据链路层也称为网络接口层。通常包括操作系统中的设备驱动程序和设备中对 应的网络接白卡。它们一起处理与电缆( 或其他任何传输媒介) 的物理接口细节。 当应用层应用程序将发送数据段时，以下各层协议在该数据段加上自身的报文头， 这一过程称为封装。当从网络中( 如以太网) 接收到数据段后，t c p i p 协议按层分步 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 分析出对应各层的报文并将该报文头去掉，图3 1 0 解释了t c p i p 协议在数据接收和 发送过程的行为。 心 应用层 i 望苎l鳌塑 传输层匪丑垂二二堕二 网络层匝丑至亟工二】亘二 数据链路层 垂茎 至茎工j 亘 耍至二 二二二) 墅至 图3 1 0t c p m 封装过程 3 4c a n 总线与协议规范 3 4 1c a n 总线 c a n ，全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛 的现场总线之一。最初，c a n 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子 控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速 箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入c a n 控制装置【1 9 】。 c a n 最初出现在8 0 年代末的汽车工业中，由德国b o s c h 公司最先提出。当时， 由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的， 这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出 c a n 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少 不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被 挂接在该总线上。1 9 9 3 年，c a n 已成为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应用) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( 低 速应用) 。 c a n 是一种多主方式的串行通讯总线，传输速度与传输距有关，传输速度最高可 达1 m b i t s ， 此时距离4 0 m ，传输距离要最长1 0 k m ，此时有5 k b i t s 的数据传输速率。 表3 1 列举相了关的数据。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制，传 输介质没有严格定义可采用屏蔽双双绞线( s t p ) ，非屏蔽双双绞线( u t p ) ，或光纤，最 常用的是双绞线，节点接口可以使用d b 9 接口。信号使用差分电压传送，在每条总线 终端都有终端电阻，般可取1 2 0 q 。 表3 1c a n 传输速率与距离对照表 l 位速率k b p s 1 0 0 05 0 02 5 01 2 51 0 05 02 01 05 i 最大距离m 4 01 3 02 7 05 3 06 2 01 3 0 03 3 0 06 7 0 01 0 0 0 0l 1 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 3 4 2c a n 协议规范 c a n 技术规范以及c a n 国际标准是设计c a n 应用系统的基本依据。1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制定并发布了c a n 技术规范。该技术规范包括a 和b 两部 分。c a n 2 0 a 给出了c a n 报文标准格式，而c a n 2 0 b 给出了标准和扩展的两种格式。 此后，19 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运输工具一数据信息交换一高速通信控 制其局域网( c a n ) 国际标准i s o l l 8 9 8 。本文只对其基本结构、概念，规则做简述，因 为规范要求主要是针对c a n 控制器的设计者而言，功能的实现基本是由硬件自动完成 的。 3 4 2 1c a n 参考模型 按照o s i 模型，c a n 总线可分为三层：应用层、数据链路层和物理层。图3 1 l 显示了各层的结构【7 1 。 应用层 数据链路 层 l c c 逻辑链路控制层 m a c 媒体访问控制层 物理层 物理