CANopen總線在地鐵車輛中的應(yīng)用
為提高主機(jī)廠系統(tǒng)集成能力和對(duì)部件供應(yīng)商的控制能力，自主研發(fā)國(guó)產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。依托NI（美國(guó)國(guó)家儀器）公司強(qiáng)大的硬件實(shí)力，自主開(kāi)發(fā)軟件，搭建有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。
【摘要】分析了地鐵車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用NI（美國(guó)國(guó)家儀器）硬件，自主開(kāi)發(fā)CANopen應(yīng)用層協(xié)議。測(cè)試效果表明總線通訊數(shù)據(jù)正常，未出現(xiàn)錯(cuò)誤幀，誤碼率低，通訊質(zhì)量好。
【關(guān)鍵詞】地鐵網(wǎng)絡(luò),CANopen,Labview
一、概述
車輛級(jí)的網(wǎng)絡(luò)采用CANopen以及HDLC485，分別負(fù)擔(dān)不同的設(shè)備，這部分CANopen是在標(biāo)準(zhǔn)的CAN模塊上進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)，適應(yīng)范圍相對(duì)更廣范。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1：
本系統(tǒng)CANopen總線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：
二、CANopen總線概述
CAN（ControllerAreaNetwork）現(xiàn)場(chǎng)總線僅僅定義了第1層、第2層（見(jiàn)ISO11898標(biāo)準(zhǔn)）；實(shí)際設(shè)計(jì)中，這兩層完全由硬件實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員無(wú)需再為此開(kāi)發(fā)相關(guān)軟件（Software）或固件（Firmware）。CANopen是在CAN基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，使用了CAN通訊和服務(wù)協(xié)議子集，提供了分布式控制系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方案。CANopen在保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互用性的同時(shí)允許節(jié)點(diǎn)的功能隨意擴(kuò)展。
CAN（Controllerareanetwork）最初是由德國(guó)BOSCH公司于1986年為解決現(xiàn)代汽車中眾多測(cè)量控制部件之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線�，F(xiàn)已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898（高速應(yīng)用）和ISO11519（低速應(yīng)用），獲得了非常廣泛的應(yīng)用，CAN總線在列車通信中也得到了應(yīng)用。CAN作為數(shù)字式串行通信技術(shù)，在可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
三、CANopen總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（一）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件選用NI（美國(guó)國(guó)家儀器）公司的CompactRIO系列產(chǎn)品，質(zhì)量可靠，振動(dòng)沖擊和電磁兼容等參數(shù)均符合地鐵車輛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)要求，可靠性高�？刂破鬟x用CompactRIO9074，其帶有8個(gè)擴(kuò)展槽，用來(lái)擴(kuò)展模塊。擴(kuò)展模塊9853是專用的標(biāo)準(zhǔn)高速CAN模塊（包括兩路獨(dú)立的CAN接口），在CAN的基礎(chǔ)上自主開(kāi)發(fā)CANopen系統(tǒng)。
NICompactRIO是一款工業(yè)級(jí)嵌入式測(cè)控系統(tǒng)，集成了嵌入式實(shí)時(shí)（Real-time）控制器、可編程硬件邏輯（FPGA）和可重配置的I/O模塊。由于采用嵌入式設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，而創(chuàng)新的集成FPGA更使系統(tǒng)具備高速并行的運(yùn)算能力。NICompactRIO系統(tǒng)設(shè)計(jì)精巧而堅(jiān)固，支持熱插拔的I/O模塊內(nèi)置了信號(hào)調(diào)理和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，可直接與外部的傳感器/驅(qū)動(dòng)器互聯(lián)。NICompactRIO和Labview開(kāi)發(fā)環(huán)境無(wú)縫連接是用戶可以輕松的通過(guò)圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境訪問(wèn)底層硬件，快速建立嵌入式系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，可大大縮短設(shè)計(jì)系統(tǒng)原型的時(shí)間，降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)時(shí)控制器和FPGA具備以下功能特點(diǎn)：
1.實(shí)時(shí)控制器（Real-TimeControl，RT）
�。�1）內(nèi)置主頻高達(dá)800M的微處理器和VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；
�。�2）系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度完全按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行，不會(huì)“死機(jī)”；
（3）系統(tǒng)確定性、可靠性高，循環(huán)周期抖動(dòng)在微秒量級(jí)；
（4）可通過(guò)USB接口、SD存儲(chǔ)模塊或網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)等方式擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。
2.FPGA
�。�1）提供大容量的可編程邏輯陣列，40MHZ基準(zhǔn)時(shí)鐘，可滿足復(fù)雜的高速并行處理要求；
�。�2）以25ns時(shí)間分辨率執(zhí)行定時(shí)、觸發(fā)和自定義控制循環(huán)，實(shí)現(xiàn)高確定、高可靠性的硬件決策；
�。�3）FPGA直接與IO模塊互聯(lián)，可進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和控制操作PID控制速率高達(dá)200KHZ。
�。ǘ┫到y(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件使用Labview編程實(shí)現(xiàn)。LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。
LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬(wàn)用表）類似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。前面板創(chuàng)建完畢后，便可使用圖形化的函數(shù)添加源代碼來(lái)控制前面板上的對(duì)象。在程序框圖上添加圖形化代碼，即G代碼或程序框圖代碼。因此又被稱作程序框圖代碼。
軟件設(shè)計(jì)又分為FPGA編程和RT編程。由于FPGA的運(yùn)行速度快，在FPGA上主要實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN端口的讀寫(xiě)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作；在RT上主要實(shí)現(xiàn)CANopen應(yīng)用層的協(xié)議。
由于車輛上的子系統(tǒng)應(yīng)用的是非標(biāo)準(zhǔn)的CANopen協(xié)議，根據(jù)給出的通訊規(guī)格書(shū)編寫(xiě)軟件。軟件流程圖如圖2所示。
四、應(yīng)用測(cè)試
（一）總線物理層測(cè)試
CAN總線節(jié)點(diǎn)的收發(fā)環(huán)節(jié)通過(guò)CAN-High（CANH）和CAN-Low（CANL）兩條線路被動(dòng)的連接到總線電纜上。實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸采用具有良好干擾免疫性的差分電壓信號(hào)。在這個(gè)過(guò)程中，兩條總線電纜之間的電壓差被計(jì)算。為了表示總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，ISO1898中定義了兩個(gè)不同的差分電壓范圍，也就是隱形和顯性的總線等級(jí)。
由以上波形可以看出，總線電壓波形正常，電壓等級(jí)符合ISO1898標(biāo)準(zhǔn)。
�。ǘ┛偩�應(yīng)用層測(cè)試
用以確定從站工作正常，通訊周期正常，總線干擾情況：
1.用CANalyzer記錄總線通訊數(shù)據(jù)
選取其中部分?jǐn)?shù)據(jù)（如圖6所示）。
2.誤碼率測(cè)試
由CANalyzer分析總線數(shù)據(jù)得出：
由以上數(shù)據(jù)可以看出，總線通訊數(shù)據(jù)正常，未出現(xiàn)錯(cuò)誤幀，誤碼率低，通訊狀態(tài)良好。
五、結(jié)束語(yǔ)
自主開(kāi)發(fā)的CANopen總線能正常有效的工作，總線負(fù)載率低，總線干擾對(duì)通訊影響小，在測(cè)試期間未出現(xiàn)錯(cuò)誤幀，總線運(yùn)行狀態(tài)良好。
自主開(kāi)發(fā)的CANopen總線有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：
�。�1）靈活性高，可以與標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)的CAN-open總線通訊，更能適用于現(xiàn)車實(shí)際情況（現(xiàn)車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的并不是標(biāo)準(zhǔn)CANopen總線），可以方便的與第三方非標(biāo)準(zhǔn)的CANopen接口連接。
�。�2）自主性高，可以及時(shí)快速的響應(yīng)通訊協(xié)議內(nèi)容改動(dòng)，及時(shí)更新軟件版本。
參考文獻(xiàn)
[1]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通[M].清華大學(xué)出版社，2007.
[2]饒運(yùn)濤.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2007.
[3]CIA，CANopenApplicationLayerandCommunicationProfile[M].1-312.
相關(guān)期刊推薦：《計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用》
由中國(guó)科學(xué)院主管、大恒電子音像出版社主辦的國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行的綜合性國(guó)家級(jí)學(xué)術(shù)期刊。本刊致力于創(chuàng)辦以創(chuàng)新、準(zhǔn)確、實(shí)用為特色，突出綜述性、科學(xué)性、實(shí)用性，及時(shí)報(bào)道國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)技術(shù)在科研、教學(xué)、應(yīng)用方面的研究成果和發(fā)展動(dòng)態(tài)，為國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)同行提供學(xué)術(shù)交流的平臺(tái)。
《計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用》欄目設(shè)置
1.信息技術(shù)應(yīng)用研究：教育信息化、企業(yè)信息化、檔案管理信息化、財(cái)會(huì)信息化、制造業(yè)信息化、電力信息化、交通信息化、藝術(shù)信息化。
2.工程技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、信息安全技術(shù)、開(kāi)發(fā)研究與設(shè)計(jì)技術(shù)、人工智能及識(shí)別技術(shù)。
3.多媒體技術(shù)及應(yīng)用：遠(yuǎn)程教育、多媒體教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教研。
4.軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)：軟件工程，程序設(shè)計(jì)，基于計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)化某個(gè)領(lǐng)域的理論與應(yīng)用研究。
5.計(jì)算機(jī)教學(xué)與教育信息化：計(jì)算機(jī)化教學(xué)，計(jì)算機(jī)教學(xué)應(yīng)用研究。
《計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用》收錄情況
本刊為CNKI中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)收錄期刊、中國(guó)科技論文在線來(lái)源期刊、中國(guó)核心期刊（遴選）數(shù)據(jù)庫(kù)收錄期刊、萬(wàn)方數(shù)據(jù)-數(shù)字化期刊群全文上網(wǎng)期刊、中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)全文收錄期刊、龍?jiān)磭?guó)際期刊網(wǎng)收錄期刊。
《計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用》征稿對(duì)象
從事計(jì)算機(jī)、電子、通訊、教育方面學(xué)習(xí)或工作的人員均可向本刊投稿。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自：http://www.jinnzone.com/guangbodianshilw/31515.html
