基于CAN总线和以太网的轻轨列车远程监控系统

国家科技支撑项目（!""#$%&"!$""）基于!"#总线和以太网的轻轨列车远程监控系统岳岱巍刘志刚陈丹余恒武霆（北京交通大学电气工程学院’"""((）摘要提出了一种基于)%*（)+,-.+//0.%.01*0-2+.3）总线和工业以太网的轻轨列车微机控制系统的远程监控系统。

介绍了基于高性能数字信号处理器4567!")!8’!的)%*总线和工业以太网的硬件接口电路，讨论了)%*／9-:0.,0-网关模型，以及)%*现场总线和工业以太网的现场网关设计，并应用;1<=>9?完成了上层监控界面的设计，实现了微机控制系统中底层控制单元与远程控制中心的实时监控和数据传输。

关键词0)%*工业以太网)%*／9-:0.,0-网关远程监控$引言轻轨列车的微机控制系统是一个多处理机控制系统，一般包括牵引控制单元（4)@）、车辆控制单元（=)@）、制动控制单元（$)@）、辅助控制单元（%)@）等微机功能控制单元。

而这些处理机之间以及处理机与人机接口之间的信息传输和工作协调则需要通过直接连线方式或通信网络来实现。

微机控制系统的先进性和可靠性已经成为轻轨列车安全、准点运行的重要保障［’］。

在工业现场总线中，)%*总线由于其在数据通信中突出的可靠性、实时性和灵活性［!］，广泛应用于底层监控和测控设备的互连；工业以太网则具有良好的开放性、较长的通信距离和较高的通信速率，主要应用在信息量需求大的上层管理网络和过程监控网络［7］。

因此，在轻轨列车上可应用)%*总线实现控制单元之间的信息通信，并通过工业以太网将控制单元的数据实时的传输到上层工控机进行远程监控。

本文设计了一种基于高性能数字信号处理器4567!")!8’!的)%*／9-:0.,0-网关，实现了)%*总线和工业以太网直接数据通信，构成一个远程监控数据传输系统。

%系统总体方案及构成本系统中，)%*总线作为底层通信网络，连接4)@、=)@、$)@、%)@等控制单元，负责控制单元之间的数据通信；)%*／9-:0.,0-网关连接)%*现场控制网络和上层以太网监控网络，完成)%*总线与工业以太网的协议转换；以太网则将通信数据传输给远程监控中心进行实时监控。

系统采用4>公司的4567!")!8’!作为主处理器。

当控制单元数据，即)%*总线的数据要发给远程监控中心即以太网层时，系统通过现场总线网络（)%*网络）接口模块接收来自)%*总线上各个设备节点的数据，并将其发送到A 6B 中，A 6B 则负责将)%*协议的数据格式转换成以太网协议的数据包格式，并按要求发送给C 4;8"’D %6以太网控制芯片，即以太网接口部分，通过以太网接口部分配置网关>B 地址、5%)地址，加上以太网帧的首部和尾部信息等，从而将数据成功地传送到远程监控中心进行监控和实时显示。

当远程监控中心有控制命令的数据传到控制单元时，则相反。

系统原理图如图’所示。

图’系统原理图!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!电气应用!""#年第!$卷第%%期・控制技术・!系统的硬件设计系统硬件上可以分为!"#／$%&’()’%网关和网络接口两大部分，其中!"#／$%&’()’%网关是整个系统的核心部分，而网络接口部分包括!"#现场总线接口部分和以太网接口部分。

!"#$%&／’()*+,*(网关硬件设计整个系统的关键部分就是!"#／$%&’()’%网关，网关模型如图*所示。

其中主处理器+,-.*/!*01*负责!"#控制器和以太网控制器的驱动和数据的收发，控制整个系统的运行；同时还要实现!"#总线协议和+!2／32协议，完成数据的重新封装和协议转换功能。

外围数据存储器为主处理器提供足够的程序和数据空间，用来保存一些重要的数据，如初始化值、硬件地址、现场数据等。

以太网控制器则负责以太网数据的发送和接收；!"#总线控制器负责!"#现场总线数据的接收和发送。

图*!"#／$%&’()’%网关模型!"-$%&接口硬件设计+,-.*/!*01*集成了!"#控制器的改进型———’!"#控制器［4］。

它有.*个邮箱，并且所有邮箱都有自己的接收屏蔽寄存器和.*位时间标签，都可配置为发送和接收邮箱。

所有进行数据传输和接收滤波的协议功能都是由!"#控制器执行的，通过5-2内的特殊功能寄存器可配置!"#控制器访问接收到的数据以及传输数据。

!"#通信的接口电路如图.所示，2!"0*!*6/作为!"#控制器和物理总线间的接口，可提供对总线的差动发送能力和对控制器的差动接收能力，具有高速、抗瞬间干扰和保护总线能力。

斜率电阻输入端7-（引脚0）允许选择三种不同的工作方式：待机方式、斜率控制方式、高速方式。

为降低射频干扰，可通过由引脚0与地间的电阻控制上升和下降斜率，其斜率正比于引脚0上的电流输出。

由于!"#总线利用双绞线进行数据传输，受外界干扰的程度相同，因此可以充分利用接收器的高共模抑制性能，提高通信的抗干扰能力。

同时，通过光电耦合与+,-.*/!*01*集成的’!"#控制器相连，可进一步提高!"#的总线驱动能力。

图.!"#接口电路!"!以太网接口硬件设计以太网控制芯片选用7’89%’:公司的7+;0/1<"-通用以太网接口芯片，该芯片与#$*///兼容，支持0位和1=位数据总线方式，收发可同时达到1/,>?%／@的速率［6］。

7+;0/1<"-的3A !-9=B 引脚经上拉电阻接!!!，选择1=位数据总线方式。

1=位数据线-5/!-516与5-2的5A !516引脚相连，低五位地址线-"/!-"4与5-2的"/!"4脚相连作为地址线，用于寻址网络控制器内部//!1C 的.*个偏移地址。

系统把7+;0/1<"-寄存器和5,"通道映射到D 3#+CE F )’/，将地址线D "6、D "=和／D E !-A "#51经过译码输出，然后再与／D 75和／D G $分别相连，最后输出至7+;0/1<"-的3A 7和3A G 引脚，／7／G 用来控制数据的流向。

选择以太网控制器的3#+/中断输出，经过电阻分压之后连接到5-2的外部中断请求引脚3#+1。

使用引脚+23#H 、+23#I 、+2A J +H 和+2A J +I 连接耦合隔离滤波器*/C //1#，利用7K 46插头实现与以太网的连接［=］。

接口电路如图4所示。

.系统的软件设计."#$%&／’()*+,*(网关模型开放系统互联A -3（A L ’)-M @%’N3)%’(O F ))’O %）是国际标准化组织（3-A ）为实现开放体系系统互连而建立的模型。

其目的是为异种计算机间的互连提供一个共同的基础和标准的框架，并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考。

A -3模型!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!基于!"#总线和以太网的轻轨列车远程监控系统电气应用!""#年第!$卷第%%期共有!层，从底向上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

图"以太网接口电路#$%&’(&$和)*+的网络模型都只支持,-.所定义的七层结构中的某些层，#$%&’(&$的网络模型中没有与,-.模型中的会话层和表示层相对应的层次，数据链路层的定义和,-.模型有所不同，它由逻辑链路控制（//)）和介质访问控制（0*)）两个子层组成。

//)的主要功能是对数据报进行封装和拆装。

0*)的主要功能是控制对传输介质的访问［!］。

而对于标准)*+总线来说，它只支持,-.模型中的最低两层。

与#$%&’(&$一样，数据链路层也分为逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。

)*+总线中没有定义应用层，需要自己定义应用层的协议。

对于网关来说，首先它必须能够读取和发送#$%&’(&$和)*+网上的数据，所以它必须具备#$%1&’(&$和)*+网络模型的网络层次；其次它要实现#$%&’(&$和)*+数据包的重新封装，所以网关的应用层要定义管理协议。

网关的基本模型如图2所示。

图2)*+／#$%&’(&$网关软件协议模型!"#协议的选择3)4是一种可靠的面向连接的传输协议，可提供纠错和流控制服务；564是一种不可靠的、以信息为核心的传输协议。

系统中没有采用传统的3)4协议，而是采用了加上回传校验机制的564协议。

因为)*+协议数据报为短帧形式（每个数据帧最多为7个字节），若采用3)4传输协议，要传输7个字节)*+协议数据，3)4需要严格的8次连接握手过程、"次关闭连接握手过程以及捎带确认信息，这些过程的实现对6-4的系统资源是非常大的考验。

为了减轻网关的处理任务，提高网络传输效率，故采用564协议。

当然，564传输协议是不可靠传输，对于控制网络来说，这是不允许的。

所以同时为了提高通信的可靠性，采用了回传校验机制，将564协议的简洁性和3)4协议的可靠性相结合。

!"$网关的协议转换处理当连接在)*+总线上的控制单元向连接在#$%&’(&$上的监控计算机发送数据时，数据首先通过网关上的)*+总线接口电路送到)*+总线控制器，并向)45发出中断请求，如果此时)45正在执行其他优先级较高的任务，数据就暂时存储在6-4集成)*+控制器的接收邮箱中，当)45执行完任务后，响应中断，读取邮箱中的数据并通过管理协议层中所对应的程序提取需要传送的数据，然后再对该数据分别添加564和.4层所需要的信息。

6-4通过串行总线将经过封装的数据发送给以太网控制芯片93/7:;<)（/），93/7:;<)（/）自动给这些数据添加以太网物理层和逻辑链路层所需要的相关信息，然后再通过物理接口传送到以太网上。

这时监控计算机就可以通过机器的网卡接收到从)*+总线上的控制单元所传递的数据。