（电力电子与电力传动专业论文）磁浮列车测控系统的研究和设计.pdf

西南交通大学研究生论文 第1 i 页 a b s t r a c t t h i s p a p e rd e s i g n sm e a s u r e a n dc o n t r o ls y s t e mi nm a g l e v u s i n gt e c h n o l o g y o f i n d u s t r yf i e l d b u so n t h eb a s eo f a n a l y s i ss a m ek i n do f s y s t e m si nh i g h s p e e d r a i l w a y c h o o s i n gf i t t i n gh a r d w a r ea n dm a k i n g t h e p r o g r a m c a r r i e so u tt h e s y s t e m t h ee x p e r i m e n t t h a ti sd o n ei nt h ew o r k r o o ms h o w st h ef c a s i b i l i t yo f t h i ss y s t e m a t f i r s t p a p e ri n t r o d u c e st h ep r o g r e s s t h a ti sm a d ei nm e a s u r e c o n t r o l s y s t e m f i e l dh o m ea n d o u t a n dr e a l i z e st h er e q u e s to f s a f e t y r e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m ec o n t r 0 1 t h et w ow a y so f t h e d e v e l o p m e n t i nt h i sf i e l da r ev e h i c l eb u s a n d c a r r i a g eb u ss y s t e ma n di n d u s t r yf i e l d b u ss y s t e m s e c o n d d e t a i l e de x p l a n a t i o na b o u tr s 4 8 5b u sa n dc a n c o n t r o la r e a n e t w o r k b u s i nf i e l d b u ss y s t e mi sg i v e n e s p e c i a l l y t h ep r o t o c o lh i e r a r c h y m e s s a g et r a n s m i t t i n g f r a m es t r u c t u r e t i m i n ga n ds y n c h r o n i z a t i o no fc a n b u s a r ed i s c u s s e dc l e a r l y a n dg a i nt h ef e a t u r e so fc a nb u s b ya n a l y z i n g t h e e x p e r i m e n tw a v e t h e n t h ep r e s e n t a t i o no f c a nc o n t r o l l e rp c x 8 2 c o oi sg i v e n a f t e r w a r d t h es u i t a b l ec o n s t r u c to f t h em e a s u r e c o n t r o ls y s t e mt h a th a s3 l a y e r si ss c h e m e d o u ta f t e rs t u d y i n gt h es t r u c t u r eo f m a g l e v n l e t o pl a y e r i s t r a i nc o n t r o ll a y e r t h em i d d l e l a y e ri sv e h i c l ec o n t r o ll a y e r a n dt h eb o t t o ml a y e r i sm o d u l e l a y e r c a nb u sc o n n e c tt h et r a i nc o n t r o l l a y e ra n dt h ev e h i c l ec o n t r o l l a y e r a n dt h en e t w o r kc o n n e c tv e h i c l ec o n t r o ll a y e ra n dm o d u l el a y e ri sr s 4 8 5 b u s 1 1 l i sh i e r a r c h ya g r e e sw i t hd i s t r i b u t ec o n t r o lp r i n c i p l ei nm a c r o s y s t e m c o n t r o lt h e o r y s oh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti sc h o s e na s w e l la st h e 疗a m ef o r r na n db u f f e rs t r u c t u r ea r ed e f i n e d t h et r a n s m i tc o n t r 0 1o f t h er s 一4 8 5b u sf u l f i l le r r o r sf r e et r a n s m i s s i o na n df a i l u r em a n a g e m e n t a n dt h i s c o n t r o li s o l a t e st h e p e r m a n e n tf a i l u r ep o i n t sf r o mb u s t om a k et h et r a n s m i s s i o n m o r ee f f e c t i v e f i n a l l y m u t i t h r e a dc o m m u n i c a t i o na n dm a i nc o n t r o l i n t e r f a c ea r ea c h i e v e d w i t ha c t i v e x c o m p o n e n td e s i g ni nv i s u a lb a s i c5 0 t h ep r o g r a ms o l v e st h e m i s t a k e si nl i n k i n gc a nc o m m u n i c a t i o nd r i v e rs o f t w a r et ov i s u a lb a s i c a n d c a nc u s t o md e f i n ec o m m u n i c a t i o n p o r ta n dd i s p l a ym o d e t h ee x p e r i m e n t sm a d e i nl a bs h o w f e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo f t h i ss y s t e m k e y w o r d s f i c l d b u s a c f i v e xd i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m 西南交通大学研究生论文第1 页 第一章绪论 1 1 磁浮列车的发展概况与趋势 磁浮列车作为一种新型交通工具正由实验阶段向着商业运营发展 成 为二十一世纪城市间和城郊主要的交通工具 磁浮列车以着它高速 节能 环保 易维护等众多的特点赢得了世界的关注 它的出现必将深刻的影响 人类交通模式和居住的方式 e m s 电磁吸力型 和e 璐 电谢誊得型 是当今磁悬浮技术的两种发 展方向 e m s 利用现代控制理论控制电磁铁的吸引力 使之和自身的重量 平衡达到稳定悬浮的目的 悬浮气隙较小 一般为8 1 0 m m 而 口s 系统则 利用了超导体产生的强大磁场 运动时与布置在线路上的线圈相互作用 产生电动斥力 达到稳定悬浮的目的 其悬浮气隙较大 一般为1 0 0 2 1 0 r a m 以e m s 型磁浮列车为代表的德国和以e 够型磁浮车为代表的只本其磁 悬浮铁路系统目前达到或接近应用水平 德国联邦政府原计于1 9 9 7 年修建 柏林至汉堡的高速磁悬浮铁路应用线 经过长期争论 由于经济原因 2 0 0 0 年2 月5r 政府宣布取消原计划 但政府原定投资6 0 亿马克不变 可用在 其他地方修建较短磁浮列车线路 日本也于1 9 9 9 年决定建一条大约8 9 k m 长的低速磁悬浮铁路商业运行线 连接名古屋一个地铁车站和市郊的一个 现代化居住区 2 0 0 5 年将在这里举办一次国际博览会 这条磁悬浮铁路线 路将在博览会前建成通车 德国磁浮铁路的发展始于1 9 6 9 年的关于 高运力快速铁路系统 的研 究 所研究的高速交通涉及到传统的轮轨系统高速铁路技术和全新的磁悬 浮铁路技术 为了建造第一段试验线路 德国工业界组成了磁浮铁路 西南交通大学研究生论文第2 页 t r a n s r a p i d 联合体 在德国西北部的埃姆斯兰 e m s l a n d 地区建设 t r a n s r a p i d 试验线 简称t v e 第一期工程包括2 1 5 k m 长的试验线路 试验 中心和试验车t r a n s r a p i d 0 6 简称t r 0 6 考虑到将来的实际应用 t r a n s r a p i d 系统以4 0 0 k m h 以上速度 按实际运营要求连续运行的前提条件 是一条闭合的环形试验线 因此联邦研究与工艺部于1 9 8 4 年决定在t v e 扩建 南环线 即试验线路的第二线路段 南环线1 9 8 4 年开工 1 9 8 7 年竣工 至 此 t v e 的试验线总长达n u 3 1 5 k m 同年 t r 0 6 磁浮车在试验线上达至u 4 0 6 k m h 的速度 1 9 8 8 年 试验速度提高到4 1 2 6 k m h 从1 9 8 6 年开始 德国开发面向应用的t r a n s r a p i d 0 7 以下简称t r 0 7 磁浮列车 1 9 8 9 年该列车投入试验线运行 1 9 9 3 年 t r 0 7 在载人试验运 行中 达到了4 5 0 k m h 的速度 由于线路长度的限制 磁浮列车不允许再 往上加速 在t r a n s r a p i d 磁浮高速铁路开发过程中 联邦铁路和七所著名的大学 的专家组成的工作组 由位于慕尼黑的联邦铁路中心局牵头 对t r a n s r a p i d 系统进行了独立 全面的评价和鉴定 1 9 9 1 年得出该系统在技术上应用成 熟的结论 以此为基础 联邦交通部在评价六条可能的磁浮铁路应用线后 于1 9 9 2 年7 月将柏林一汉堡线作为磁浮铁路第一条应用线纳入 9 2 联邦交通 线路计划 经过近5 年的争论 1 9 9 7 年4 月2 5 日 德国联邦交通部长维斯曼 w i s s m a n n 公布了由两个咨询公司对t r a n s r a p i d 磁浮高速铁路柏林一汉堡项 目的运营经济性评价结果 宣布德国政府决定修建柏林一汉堡磁浮铁路 这条磁浮铁路为全长2 9 2 公里复线 其中高架线路占4 5 地面低置线路占 5 5 包括车辆等运营设备在内的总投资为9 8 亿德国马克 1 9 9 6 年物价 不 包括建造期间物价上涨和投资利息 日本于1 9 6 2 年开始磁悬浮铁路的研究 1 9 7 7 年在南部九州建成7 公里超 导磁浮车试验线 即宫崎试验线 宫崎试验线是单线 没有坡道和隧道 不能完全满足应用试验要求 1 9 9 2 年在山梨县境内开始建设山梨试验线 孛熹舢4 西南交通大学研究生论文第3 页 1 9 9 7 年4 月3 日 开始在新建成的1 8 4 k m 长的试验线上进行试验运行 山梨线为双线 分别称为南线和北线 线路的8 7 在隧道内 变电站 和控制中心设在露天线路旁 在1 9 9 7 年1 2 月2 4 日的不载人试验运行中 最高试验速度达到5 5 0 k m h 创下地面交通速度的最高世界纪录 1 9 9 9 年 4 月1 4 日 载人运行试验速度达到5 5 2 k m h 再次刷新地面交通工具最高 试验速度 从六十年代开始 日本 德国 英国 前苏联 韩国和中国等国都先 后投入力量研究中低速磁悬浮列车 在英国 为了将新建的伯明翰机场终端与国际博览会展区及火车站连 接起来 建造了一条6 2 0 m 长的磁悬浮铁路线 该线路于1 9 8 4 年投入载客 运行 这条线路是复线 轨道架在6 m 高的钢结构线路上 来往运行三辆有 电磁支承 导向系统和直线电机驱动的磁浮车 速度可达5 0 k m h 磁浮车 辆重约5 t 具有铝焊接底架和玻璃纤维强化塑料制成的车厢结构 一辆车 有6 个座位和2 6 个站位 伯明翰磁浮铁路是第一个用在公共旅客运输上的 磁悬浮铁路系统 1 9 9 6 年 由于故障率高 维护困难 伯明翰磁浮铁路关 闭停运 英国的磁悬浮铁路实际上没有发展为有市场价值的商业应用系统 r 本的h s s t 系统磁浮列车最初是由日航投资成立h s s t 公司研究开发 希望用于机场到市区的快速轨道交通 后又与其它股东联合开发 1 9 9 0 年 在名古屋附近的大江动工兴建1 5 公里长的试验线 并于1 9 9 1 年5 月开始 试运行 试验线正线的最小转弯半径为l o o m 最大坡度为7 最高运行速 度1 1 0 公里 d 时 1 9 9 3 年3 月 以运输省 建设省和其他单位的专家学 者组成的可行性研究委员会对试验结果进行了最后论证 考察了它的噪声 振动和磁场的影响 结论是 h s s t 是舒适的低污染交通系统 能够应付紧 急情况 长期的运行试验证明它是可靠的 并且由于悬浮的优点 使得它 的维修量降低 作为城市交通系统 h s s t 已达到实用阶段 到1 9 9 8 年为 止 在低速磁浮铁路系统中 只有日本的h s s t 常导低速磁悬浮铁路系统发 西南交通大学研究生论文第4 页 展到实用水平 并具有商业应用的可能性 1 2 国夕卜列车检测 控制系统的技术简介 磁浮列车是一种新型的交通工具 依靠电磁力悬浮于轨道上方 借助 直线电机的推动可以达到5 0 0 k m h 的速度 列车的测控系统在安全和可靠 性方面比普通列车有更高的要求 日本的山梨 y a m a n a s h i 实验线采用的列车运行控制系统 t r a i n o p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m 分三个子系统 交通控制系统 t r a f f i cc o n t r o l s y s t e m 行车控制系统 d r i v ec o n t r o ls y s t e m 安全控制系统 s a f e t y c o n t r o ls y s t e m 1 安装在中心控制室t c s 系统所完成的功能为 行车 调度 行车编组和行车监控 d c s 系统安装在各配电站上完成速度控制 同步控制和区间开关控制 s c s 系统是一个完全独立的系统 它监控着所 有列车运行操作 这套系统的可靠性十分严格 使用的计算机是经过特殊 设计的由双c p u 冗余操作的容错计算机 其安全控制主要在 速度安全控 制 列车运行监控 闭塞区间控制和车站安全控制 德国在他们的磁浮交通系统t r a n s r a p i d 上也使用了一套完善的列车运行 控制系统 这套系统是基于安全相关部件和非安全相关部件在功能上和物 理结构上完全独立 这一概念而建立的 如图1 l 所示 其中与安全相关的 控制及命令的产生 以及相关操作信号的传输都通过车载控制系统 o n b o a r dc o n t r o ls y s t e m 来实现 并要求达到最高安全级别 对于与安全无 关的功能 可使用在线诊断系统检测车辆上有故障的设备和元件 并把诊 断结果送至维护中心 从车载控制系统 o n b o a r dc o n t r o ls y s t e m 的角度 这种严格的划 分的优点为 西南交通大学研究生论文第5 页 图卜1 安全相关与非安全相关器件相互分离 可以从硬件上进一步优化安全相关的这部分功能 使它更适合磁浮 车的特殊要求 安全相关产品造价最小化 从在线故障诊断的角度优点为 借助现有的工业标准功能模块 只需编制相应的软件即可实现 车载控制系统是一种硬件系统用于控制和检测车辆安全相关的功能 包括以下几个方面 悬浮和导向系统 车载供电系统 紧急制动系统 车载门控系统 防火系统 列车运行命令由运行控制单元产生 命令达n y d 车两端车体时 见图1 2 车载控制系统将其准确地转发给列车的各个车体 在那里命令分配给 相应设备执行 火灾检测 紧急事故呼叫单元等设备产生列车有关运行状况的信号 信号由车载控制系统在每节车体进行处理 车载控制系统随后产生有关整 嚣南交通大学研究生论文第6 页 列车安全状态的信号 并把该信号发送给两端车体操作控制系统中的控制 和安全设备 为确保车载控制系统具有保障生命安全的重要 基本功能 例如安全 车头l中间车体车头2 o c s 厅磊司 l l 车载控制 i 车载控制卜 o c s 系统 叶车载控制f ll l 车载控制m l 系统 ll l 车载控制5 b 控制控制 l l l 与 安全安全 r 车辆设备组ll 车辆l 备组l l 车辆设备组l 设鲁设鲁 2 o c s i 重行控制系统 图卜2与安全相关的控制和检测设备 悬浮与安全制动功能 系统必须能够高效无误地处理信号 车载控制系统 的硬件 包括所有信号的通路 都在各个车体上作了冗余设计 输入 输 出信号线与信号处理器间进行了电气隔离 与列车其它设备问的通信一样 车载控制系统与运行控制系统间的通信是靠相互独立信号的并行传输来实 现的 系统所有功能在机械 时间相关方面都是进行独立处理的 这有效 地消除了彼此间的干扰 图1 3 在线故障诊断系统的结构 诊断系统 见图1 3 被分成多个子系统 每个子系统都配有一台工控 机 在工控机上运行各自诊断软件来进行故障检测和故障报告 各予诊断 西南交通大学研究生论文第7 页 系统与被诊断设备靠c a n 总线连接起来 同时各子诊断系统之间以标准 以太网相联系 并且通过以太网向列车两端的中央诊断计算机发送故障报 告 由于显示和键盘计算机也挂在同一以太网上 所以各节车体间传输的 诊断数据 在驾驶员座仓显示的数据和操作员进行的操作都储存在列车中 央诊断计算机上 以备进行事故分析 西南交通大学研究生论文第8 页 第二章列车通信网络的发展方向 2 1 列车总线和车厢总线技术 国际电工委员会 i e c 第9 技术委员会 t c 9 委托由来自2 0 多个国家 如 中国 欧洲国家 日本和美国 它们代表了世界范围的主要铁路运用部门 和制造厂家 以及t n c r 司际铁路联盟 的代表组成的第2 2 工作组 w g 2 2 为铁路设备的数据通信制定一项标准i 在该标准中 列车通信网 t c n 是一个两级的层次结构 如图2 1 图2 1列车总线通信网 列车通信网包括 一条连接各车厢的列车总线 一条连接车厢各设备的车厢总线 在车厢总线的下边还可以有第三级 由限制在一个车厢内或一个车厢 的一小部分的传感 执行总线构成 这一级不受列车通信网标准的限制 列 车总线和车厢总线之间通过一个列车总线节点相连接 节点的动作象网关 一样 可以有无车厢总线的车厢 这时 列车总线节点没有网关功能 它 直接执行应用层职能 列车总线的类型 西南交通大学研究生论文第9 页 w t b 绞式列车总线 使用双绞线作为介质的列车总线 绞线 式列车总线在列车运行时能够根据当班司机室所获得的各车厢位 置自动进行设置 f t n 光纤列车网 一个高速 高职能的最终基于光纤的列车 总线 它包涵了一些在绞式列车总线中尚未涉及的要求 它将保 持与w t b 向后兼容 绞式列车总线最初设计成1 2 线的电缆 但其性能不能满足将来通信要 求 后加入能以1m b i t s 传送数据的专用屏蔽双绞线 电缆的布置采用冗 余原则 在车辆的每一侧各有l 根电缆 适用于频繁改变其组成的列车组 w t b 最显著的 在行业中独特的 特色 是它的以连续顺序给节点自动 编号和让所有的节点识别何处是列车的右侧或左侧的能力 每当列车组成 改变时 例如连挂或摘除车辆 列车总线各节点执行初运行过程 该过程 在电气上将各节点连接起来 并给每个节点分配连续地址 为了实现初运 图2 2绞线式列车总线 行 每个节点包含两个通道 每个通道对应1 个方向 图2 2 在正常运行 中 端节点有接入的终端电阻 各中间节点的总线开关闭合 实现总线的 连续性并且仅一个通道是使能的 初始化时所有节点的总线开关打开 主 节点从其通道l 和通道2 分前后两个方向探测是否有附加节点 如图2 3 如果有则把它集合到列车组成中并对其进行编码 在主节点前方的节点编 西南交通大学研究生论文 第1 0 页 码递增 在主节点后方的节点编码递减 接着列车总线的端节点的外向通 道开始探测是否有附加节点 若有则把附加节点添加进列车组成 并同样 肼宵麟靠埔鼍 婚 图2 3 车辆和列车总线节点 的对所添加节点进行编码 这样原端节点就变成了中间节点需闭合总线开 关 新添加的节点成了端节点 开始探测节点的工作 通常每节车辆有1 个节点 但也可能有1 个以上的节点或没有节点 初运行后 所有车辆均获得列车的结构信息 包括以下几点 相对于主节点 它们各自的地址 方向和位置 前 后 列车中其他车辆的数量和位置 其他车辆的型号和种类 机车 客车 及支持的功能 各车辆的动力学特性 例如 是否存在传动装置 这个信息可以帮 助制动计算机推算列车长度和重量 车厢总线的类型 m v b 支持最多4 0 9 5 个设备的多功能车厢总线 由一个中心总线 管理器控制 简单的传感器和智能站共存于同一总线上 总线结构 正好是两级 d v b 派生车厢总线 连接最多3 0 个高功能的独立站 由一个中 心主设备进行控制 它的传感器和执行机构被直接连接到上面或通 过一个传感器总线进行连接 这样便引入总线的第三级 b v b 底板车厢总线 系统配置中不存在以上的车厢总线 总线只 有一级 w g 2 2 规定了多功能车辆总线 m v b 作为连接车辆内设备 以及在固 定编组的列车组中连接各车辆间设备的车辆总线 西南交通大学研究生论文第l l 页 m v b 可通过3 种介质工作至1 5m b i t s 短距离用屏蔽双绞线 距离达2 0 0m 的变压器耦合的双绞线 距离达20 0 0 m 的光纤 不同的介质可以直接通过中继器互相连接 如图2 4 图2 4 机车的m v b 布置 m v b 以在瑞士l o k 4 6 0 机车上创始的总线为基础 并已在6 0 0 辆以上 的车辆使用过 车辆总线的引入可以显著地减少电缆使用 并且由于使用 光缆增加了可靠性 m v b 由一个专用的主节点控制 它可以被冗余的主节 点支持以增加可靠性 m v b 由一个集成的总线控制器支持 它能够构成简 单的设备而无须处理器 m v b 控制器在物理层提供冗余 一个设备在两个 互为冗余的线路上发送 但仅从一条线路上接收 同时监视另一条线路 m v b 具有高度完整性 以防止数据错误 由于采用可靠的曼彻斯特编码以 及其校验的方式 因此能够达到i e c 8 7 0 5 f t 2 级 h d 8 的标准 2 2 现场总线技术 可以用作列车通信网络的技术还有当今自动化技术发展热点之一 被 誉为自动化领域的计算机局域网的现场总线技术 传统的控制技术先后经过了 气动 电动的集中控制技术 直接数字 控制技术 到后来出现的由数字调节器 可编程控制器 p l c 以及多个 计算机构成的集中 分散相结合的集散控制系统 d c s d i s t r i b u t ec o n t r o l s y s t e m 由于在d c s 系统的形成过程中 受计算机早期存在的系统封闭 西南交通大学研究生论文第1 2 页 这一缺陷影响 各厂商的产品自成体系 彼此不能互连 难以实现互操作 组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难 而现场总线技术突破了 d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统带来的缺陷 把基于封闭 专用的 解决方案变成基于公开化 标准化的解决方案 即可把来自不同厂商而遵 守同一协议的自动化设备 通过现场总线连接成系统 实现综合自动化的 各种功能 同时把集散控制系统 变成全分布式机构 把控制功能下放到 现场 依靠现场智能设备实现基本控制功能 现场总线的优点有 一对n 结构 对传输线可接n 台仪表 双向传输多个信号 可靠性 数字信号传输抗干扰性强 精度高 无须采用抗干扰和提 高精度的措施 从而降低成本 状态可控 操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的工作状 况 也能进行多次调整 还可预测或寻找故障 始终处于操作员的 远程监视和控制下 提高了系统可靠性 可控性和可维护性 互换性 用户可以自由的选择不同的制造商所提供的性能价格比最 优的现场设备 并将不同品牌的设备互连 互操作性 用户把不同的制造商的各种品牌的设备集成到 起 进 行统一组态 构成所需要的控制回路 分散控制 控制站功能分散在现场设备中 通过现场设备可构成控 制回路 实现彻底的分散控制 提高系统的可靠性 自治性和灵活 性 开放系统 现场总线为开放式互连网络 所有技术和标准全是公开 的 所有制造商都必须遵循 目前几种最有影响的现场总线是p r o f i b u s 基金会现场总线 f f c a n 和l o n w o r k s 总线 4 1 1 p r o f i b u s p r o c e s sf i e l db u s 有几种改进型分别用于不同场合如 西南交通大学研究生论文第1 3 页 p r o f i b u s p a 用于过程自动化 通过总线供电 提供本质安全型 可以用于危险防暴区域 p r o f m u s f m s 用于一般自动化 p r o f m u s d p 用于加工自动化 适用于分散的外围设备 2 f f 除参照i s o o s i 模型的第1 2 7 层外 另增加了用户层 传 输媒介为双绞线 电力线 无线 光纤和同轴电缆 支持树型和总 线型拓扑结构 3 c a n 总线接口芯片支持8 位 1 6 位c p u 可做成i s a i n d u s t r y s t a n d a r d a r c h i t e c t u r e 与p c i p e r i p h e r a l c o n t r o li n t e r f a c e 总线的插 卡 也可置于温度 压力 以及流量等物理量的变送器中 构成智 能化仪表 采用对等结构 可以点对点 点对多以及广播式发送接 收数据 采用短帧结构 受干扰概率小 重发时间短 c r c c y c l i c r e d u n d a n c yc h e c k 校验 出错率低 节点在错误严重的情况下 具有自动关闭总线的功能 避免影响总线上其他节点的操作 4 l o n w o r k s 总线 温度范围较宽 支持双绞线 电力线 无线电 红外线 光纤等多种介质和支持总线型 环型 自由拓扑等多种拓 扑结构 传输信号采用差分曼彻斯特编码 是所有现场总线种唯一 提供o s i o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n 参考模型中所定义的7 层 服务的网络f 5 因而近几年迅速在各个领域推广 随着现场总线技术的发展 其在铁路运输业中的应用也越来越广 加 拿大b o m b a r d i e r 和日本川崎等公司已将l o n w o r k s 用作列车通信网络 用 在所生产的地铁车辆上 今年i e e e 制定的列车通信标准i e e e l 4 7 3 1 9 9 9 包含了t c n 和l o n w o r k s 即1 4 7 3 t t c n 和1 4 7 3 一l l o n w o r k s 而且 有些公司已在生产连接这两个协议的网关 西南交通大学研究生论文第1 4 页 第三章4 8 5 总线与c a n 总线 3 14 8 5 总线的结构与工作方式 4 8 5 总线是一种串行总线标准 这种标准源于1 9 6 9 年美国电子工业协 会 e i a 公布的r s 2 3 2 c 标准 r s 2 3 2 定义了数据终端设备 d t e 和 数据通信设备 d c e 之间按位串行传输的接口信息 近距离 2 0 m 通 信时可以不用调制解调器 m o d e m 随着分布式控制系统和工业总线技术的发展 对一种能在2 k m 以内实 现数据通信的新总线标准要求十分迫切 于是1 9 7 7 年e i a 制定了新的r s 一 4 9 9 标准 可以支持较高的数据传输率 较远的传输距离 规定了3 7 脚的 连接器 而r s 一4 2 2 4 2 3 标准则是r s 4 9 9 标准的子集 r s 2 3 2 标准传输距离短的主要原因是其所用的驱动器和接收器芯片均 采用的单端电路 很容易引入来自于两者接地电平不一致所导致附加电平 而r s 一4 2 2 4 2 3 标准正是基于以上原因作出改进 采用了单端驱动差分接收 电路 以双绞线作为数据传输介质 减少了传输空间引入的干扰 避免了 发送端与接收端地电平不一致带来的电位差i 采用r s 4 2 2 标准可以达到 1 0 m b i t s 的传输率 r s 一4 8 5 就是r s 一4 2 2 的一种简化 把全双工的 可以同时发送和接收 数据的 变成半双工的 同一时刻只能接收或发送数据 节省了信号线 方便工业应用 r s 一4 8 5 总线标准在完整的o s i 网络的7 层模型中 只对应于第一层物 理层 即只关心数据的物理通道 发送端发送为 l 的电信号接收端不能 接收为 0 事实上只是定义了电平标准 信号频率范围 而不涉及其他 高层协议 但实际上由于种种原因和计算机串行异步通信协议紧密结合在 西南交通大学研究生论文第1 5 页 一起 对r s 4 8 5 总线的使用者来说主要面对的是串行异步通信协议 而非 4 8 5 总线本身 计算机串行异步通信技术是在早期电报机的基础上发展而来的 这种 机器是让发送方和接收方都使用同一种字模 轮 当发送方的轮上有所需 的字符到位时 单个 打印 脉冲发出 引导接收方的字模轮与纸带接触 这种技术深深的依赖于几乎不能实现的因素 即发送方和接收方的印字头 定位之间需要完全同步 如果在传送期间 序列脉冲中的某个单一定位脉 冲丢失 则接收方将无望的一直失真下去 基于这个原因 每个几个字符 就要有一段较长的 休息 时间 以使打印头返回到一个空位鹭 成功的 解决方法应归功于第一次世界大战期间的e e k l e i n s c h m i d t 的创造 即在 每个字符的第一位的前面再发送一个同步位 这个附加脉冲与普通的数据 位是一样的 单独增加一个同步脉冲就使电传打字机技术取得巨大的进步 用每个字符的自动同步代替全信息段的同步 克服了早期技术上同步性差 的缺陷 而停止位的出现是为了补充识别字的末位 消除了同步位本身丢 失引起同步失效的麻烦 其时序如图3 1 从现在的眼光看来 同步和异步通信都依赖于同步性只是程度不同而 已 前者经常需要一个同步字节 而后者在每一个字符中都要同步位 如 果数据可以用一个精确的时钟控制时 那么连续位流方式的同步传送要比 异步 传送方式效率高得多 毕竟异步方式中每一字节增加一个s t a r t 西南交通大学研究生论文第1 6 页 和s t o p 位 增加了2 5 8 位数据位 的不含数据的位的开销 在明白异步串行通信的原理之后 就会知道所谓串行通信软件就是发 送字节时 把每一位写入锁存器 锁存器依次驱动连接外部的接口 如 r s 4 8 5 而进行发送的 反之 接收字节就是通过从类似的锁存器中依次 读出每一位 并装配成一个字节 难点就在于实现错综复杂的数据和帧位 串的同步关系 早期串行口通信软件就必须请专职程序员编写 今天 称 为通用异步接收 发送器即u a r t u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r 的集成电路的出现 使得我们可以透明的处理这些头疼的问 题 现在不论高级计算机语言还是机器语言 只要是对串行口通信编程就 是对u a r t 的操作 如果实在要有什么差别那就是概念模型的差别 高级 语言用 对象的属性 替代了单片机中的 寄存器结构 v i s u a lb a s i c 5 就提供了一个非常好用的m s c o m m 控件 通过对该控件 的过程调用完成对u a r t 电路的操作 再通过u 灿h 对串行口控制从而最 终完成所需要的串行异步通信 m s c o m m 控件提供下列两种处理通讯的 方式 事件驱动通讯是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法 在 许多情况下 在事件发生时需要得到通知 例如 在c a r t i e r d e t e c t c d 或r e q u e s tt os e n d r t s 线上一个字符到达或一个变化发 生时 在这些情况下 可以利用m s c o m m 控件的o n c o m m 事 件捕获并处理这些通讯事件 o n c o m m 事件还可以检查和处理通 讯错误 在程序的每个关键功能之后 可以通过检查c o m m e v e n t 属性的值 来查询事件和错误 如果应用程序较小 并且是自保持的 这种 方法可能是更可取的 例如 如果写一个简单的电话拨号程序 则没有必要对每接收一个字符都产生事件 因为唯一等待接收的 字符是调制解调器的 o k 响应 亘曼塞塑盔堂塑塞兰迨塞蔓 蔓 本系统所要采用的m i c 2 6 1 0 卡 可以支持4 9 5 方式和4 2 2 方式 其通 信控制的核心是蒂1 6 比特f i f o 缓冲的u a r t 芯片 在w i n d o w s 操作系 统中 该卡为即插即用 设置成c o m l c o m 2 或c o m n 就可以直接进 应 用 程 序 图3 2 对4 8 5 总线的使用 行串口通信了 其工作机理如图3 2 所示 3 2 c a n 总线的结构与工作原理 随着计算机软件硬件与集成电路技术的迅速发展 工业控制系统已经 成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支 并取得巨大的进步 由 于对系统可靠性 灵活性的高要求 工业控制系统的发展主要表现为 控 制面向多元化 系统面向分散化 即负载分散 功能分散 危险分散和地 域分散 分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的 这类控 制系统是以微机为核心 将5 c 技术 c o m p u t e r 计算机技术 c o n t r o l 自动控制技术 c o m m u n i c a t i o n 通信技术 c r t 显示技术 和c h a n g e 转换技术 的紧密结合的产物 典型的分散式控制系统由现场设备 接 口与计算设备以及通信设备组成 现场总线 f i e l db u s 能同时满足过程控 制和制造业自动化的需要 己成为工业数据总线领域最活跃的一部分 3 2 1c a n 的性能特点 c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 即控制器局域网络 由于其高性能 高可靠性 及独特的设计 c a n 越来越受到人们的重视 国外已有许多大 公司的产品采用了这一技术 c a n 最初是由德国的b o s c h 公司为汽车监 孛熹2 0 0 0 4 西南交通大学研究生论文第1 8 页 测 控制系统而设计的 众所周知 现代汽车越来越多地采用电子装置控 制 如发动机的定时 注油控制 加速 刹车控制 a s c 及复杂的抗锁 死刹车系统 a b s 等 由于这些控制需检测及交换大量数据 采用硬接 信号线的方式不但烦琐 昂贵 而且难以解决问题 采用c a n 总线上述 问题便得到很好地解决 据资料介绍 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 等都已开始采用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 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 并己被公认为几种 最有前途的现场总线之一 c a n 属于总线式串行通信网络 由于其采用了 许多新技术及独特的设计 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 其特点可概括如下m c a n 为多主方式工作 网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络 上其他节点发送信息 而不分主从 通信方式灵活 且无需站地址等 节点信息 利用这一特点可方便地构成多机备份系统 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级 可满足不同的实时要求 高优先级的数据最多可在1 3 4ps 内得到传输 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术 当多个节点同时向总线发送信息时 优先级较低的节点会主动地退出发送 而最高优先级的节点可不受影 响地继续传输数据 从而大大节省了总线冲突仲裁时间 尤其是在网 络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况 以太网则可能 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点 一点对多点及全局广播等几 种方式传送接收数据 无需专门的 调度 c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m 速率5 k b p s 以下 通信速率最 西南交通大学研究生论文第1 9 页 高可达1 m b p s 此时通信距离最长为4 0 r a c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路 目前可达1 1 0 个 报文标 识符可达2 0 3 2 种 c a n 2 0 a 而扩展标准 c a n 2 0 b 的报文标识 符几乎不受限制 采用短帧结构 传输时间短 受干扰概率低 具有极好的检错效果 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施 保证了数据出错率 极低 c a n 的通信介质可为双绞线 同轴电缆或光纤 选择灵活 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 3 2 2c a n 节点的分层结构 为使设计透明和执行灵活 遵循1 s o o s l 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 c a n 的分层结构和功能 如图3 3 所示 l l c 子层的主要功能是 为数据传送和远程数据请求提供服务 确认 由l l c 予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 存在许多灵活性 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 为开始一次新的发送 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间实际传送的全部电气特性 自然 在一个网络内 所有节点物理层的必须是相同的 然而 在选择物 理层时存在很大的灵活性 西南交通大学研究生论文第2 0 页 c a n 技术规范2 0 b 定义了数据链路中的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 未定义物理层 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 予层可响应报文帧 仲裁 应答 错误检测和标定 m a c 子层由称为故障界定的 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 数据链路层 逻辑链路层 l l c 接收滤波 超载通知 恢复管理 媒体访问控制层 m a c 数据封装 拆装 帧编码 媒体访问管理 错误监测 出错标定 应答 串行化 解除串行化 物理层 位编码 解码 位定时 同步 驱动器 接收器特性 监控器 图3 3c a n 的分层结构和功能 3 2 3c a n 总线的物理结构 c a n 总线的物理结构实际上是所有总线接入节点之间的 线与 如 西南交通大学研究生论文第2 1 页 图3 4 所示 标准的c a n 总线的物理实现是通过两条信号线c a n h 和 c a n l 传递的 总线上的数值由两条信号线上的差分电压是否大于阙值决 定 差分电平大于阈值的状态为逻辑0 小于阈值的状态为逻辑1 c a n 图3 4c a n 总线的线与功能 总线上允许多个器件以线与方式连接 当一个器件发送逻辑0 而另一个 器件发送逻辑l 到总线上去时 总线上所得到差分电平大于阈值为逻辑0 即逻辑0 与逻辑1 进行与运算得到逻辑0 因而也称逻辑0 为 显性 电 平 逻辑l 为 隐性 电平 c a n 节点通过两对信号线接入c a n 总线 r x d 用于读总线 t x d 用 于写总线 所有的节点都永远在监测总线信号 其中包括正在发送消息的 节点 c a n 总线这种 线与 结构使得各节点中 只要有一个节点向c a n 总线写0 则总线的状态就是0 这种机制与c a n 总线的消息标识的巧妙 配