關(guān)于CAN總線的接觸網(wǎng)隔離開關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探究論文
目前國內(nèi)鐵道機(jī)務(wù)段使用接觸網(wǎng)隔離開關(guān)進(jìn)行電分段, 一部分機(jī)務(wù)段對(duì)隔離開關(guān)的動(dòng)作仍是手動(dòng)操作, 不僅效率低, 而且操作員的安全隱患系數(shù)非常大;另一部分采用微機(jī)監(jiān)控方式, 采用RS232/485和無線通信方式, 然而RS232/485 的通信距離無法達(dá)到要求, 無線通信又對(duì)現(xiàn)場的輻射、電場及磁場的要求比較苛刻�？紤]到機(jī)務(wù)段工作環(huán)境比較惡劣, 筆者提出構(gòu)建一種新的監(jiān)控系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用具有強(qiáng)糾錯(cuò)能力、高性價(jià)比的CAN總線通信方法, 并在接觸網(wǎng)上設(shè)有2.5萬伏的高壓。為了保障在機(jī)車頂部作業(yè)工作人員的安全, 系統(tǒng)采用了一人操作一人監(jiān)護(hù)且均需要刷卡的互鎖機(jī)制, 采用可供選擇的聯(lián)機(jī)驗(yàn)證模式和獨(dú)立操作模式, 符合鐵道部《電氣化鐵路有關(guān)人員電氣安全規(guī)則》第24 條所給出的接觸網(wǎng)隔離開關(guān)操作的規(guī)定。
隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展, 各現(xiàn)場總線的應(yīng)用日益廣泛, 其中控制器局域網(wǎng)(controlareanetwork, CAN)總線以結(jié)構(gòu)簡單、低成本、高可靠性、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)現(xiàn)場控制等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。CAN能有效支持具有很高安全等級(jí)的分布實(shí)時(shí)控制, 已被列入ISO國際標(biāo)準(zhǔn), 稱為ISO11898。CAN協(xié)議是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型基礎(chǔ)上的, 不過其模型只有3層, 即OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。由于其結(jié)構(gòu)層次少, 因而有利于系統(tǒng)中實(shí)時(shí)控制信號(hào)的傳送。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)包括以AVR128單片機(jī)為主控制器的下位機(jī)監(jiān)控裝置、CAN通信模塊和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)3個(gè)部分。下位機(jī)監(jiān)控裝置包括液晶面板、鍵盤、語音、時(shí)鐘、射頻卡、電機(jī)控制、信號(hào)機(jī)控制、CAN總線智能節(jié)點(diǎn)等模塊, 以及一些開關(guān)量輸入輸出等;CAN通信模塊包括CAN總線程序設(shè)計(jì)、CAN-RS232轉(zhuǎn)換器和CAN總線應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)等;上位機(jī)包括RS232通信、監(jiān)控界面以及數(shù)據(jù)庫等。
下位機(jī)負(fù)責(zé)采集并顯示現(xiàn)場隔離開關(guān)的狀態(tài)和執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作, 是操作員和監(jiān)護(hù)員與系統(tǒng)的主要操作界面。下位機(jī)監(jiān)控裝置一共有10個(gè), 在CAN網(wǎng)絡(luò)里被定義為節(jié)點(diǎn)1 ～ 10;上位機(jī)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程監(jiān)控, 并提供操作員和監(jiān)護(hù)員的數(shù)據(jù)庫, 提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性;CAN通信模塊是下位機(jī)與上位機(jī)通信的轉(zhuǎn)換模塊, 由于監(jiān)控主機(jī)(上位機(jī))沒有CAN標(biāo)準(zhǔn)接口, 故需要專門設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置, 即CAN通信模塊, 它實(shí)質(zhì)就是CAN-RS232的轉(zhuǎn)換器, 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。
2 下位機(jī)監(jiān)控裝置
下位機(jī)監(jiān)控裝置設(shè)置在一個(gè)防護(hù)亭里面, 其操作面板上設(shè)有接觸網(wǎng)開關(guān)狀態(tài)指示燈、操作按鈕和鑰匙閉鎖開關(guān)等。
綜合考慮價(jià)格、IO資源及功能要求, 選擇Atmel公司的AVRATmega128單片機(jī)作為主控制芯片;液晶面板選擇OCM12864, 用在下位機(jī)監(jiān)控裝置上, 顯示當(dāng)前隔離開關(guān)的狀態(tài)、機(jī)車號(hào)、操作員卡號(hào)及操作步驟提示;鍵盤設(shè)計(jì)為4 ×4的矩陣鍵盤, 通過ATmega128的PB口組建而成, 用來輸入機(jī)車號(hào)、卡號(hào)及進(jìn)行刪除、確認(rèn)等功能操作;語音芯片采用BMP5008系列4 M的語音模塊, 主要用來對(duì)在防護(hù)亭里工作的操作員和監(jiān)護(hù)員播放操作步驟及一些其他提示, 并配合液晶顯示模塊進(jìn)行步驟提示工作;時(shí)鐘模塊主要是使下位機(jī)監(jiān)控裝置上能顯示當(dāng)前的時(shí)間, 選用了涓流充電時(shí)鐘芯片DS1302, 能提供2100 年前的秒、分、時(shí)、日、月、年的時(shí)間信息;射頻卡主要是達(dá)到認(rèn)證的目的, 通過IC卡和上位機(jī)上的'數(shù)據(jù)庫, 認(rèn)證操作員和監(jiān)護(hù)員的身份, 只有操作員和監(jiān)護(hù)員同時(shí)刷卡成功且卡號(hào)對(duì)應(yīng)才能進(jìn)行隔離開關(guān)的閉合或打開操作;通過AVR128單片機(jī)輸出的開關(guān)信號(hào)來控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn), 從而使與電機(jī)連接的隔離開關(guān)斷開或閉合;CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的主要目的是使每一個(gè)下位機(jī)監(jiān)控裝置里的AVR128單片機(jī)都作為CAN總線上的一個(gè)子節(jié)點(diǎn), 從而完成CAN總線的組網(wǎng)。
3 CAN通信模塊設(shè)計(jì)
3.1 CAN通信模塊的硬件設(shè)計(jì)
CAN通信模塊主要負(fù)責(zé)處理各個(gè)下位機(jī)監(jiān)控裝置與監(jiān)控主機(jī)的信息通信問題, 下位機(jī)監(jiān)控裝置與通信控制單元采用CAN通信, 監(jiān)控主機(jī)與通信控制單元采用RS232通信, 故該模塊實(shí)質(zhì)上是一個(gè)CAN-RS232轉(zhuǎn)換卡, 同時(shí)也是CAN網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn), 定義為節(jié)點(diǎn)0。
CAN通信模塊的控制芯片采用STC89C52單片機(jī);CAN控制器采用Philips公司的獨(dú)立CAN控制器SJA1000, 兼容CAN2.0A和CAN2.0B兩種技術(shù)規(guī)范;CAN驅(qū)動(dòng)器采用Philips公司的PCA82C250, 可提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能.
下位機(jī)監(jiān)控裝置的信息通過CAN總線發(fā)送給CAN通信模塊, CAN通信模塊再將該信息通過串口發(fā)送給監(jiān)控主機(jī);類似地, 監(jiān)控主機(jī)可以通過串口將要發(fā)送至下位機(jī)監(jiān)控裝置的信息發(fā)送給CAN通信模塊, 然后由CAN通信模塊通過CAN總線發(fā)送給下位機(jī)監(jiān)控裝置。
3.2 CAN通信模塊的軟件設(shè)計(jì)
CAN通信模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括串口的初始化、發(fā)送、接收程序和CAN的初始化、發(fā)送、接收程序兩大部分。串口的軟件設(shè)計(jì)比較常見,故不再詳述。
主要包括工作方式的設(shè)置、ACR/AMR的設(shè)置、BTR0/BTR1的設(shè)置、OCR的設(shè)置, 以及中斷允許寄存器的設(shè)置等;接收函數(shù)中, 要對(duì)總線上數(shù)據(jù)是否有需要接受、報(bào)文是否有效等狀態(tài)做出判斷, 并進(jìn)入相應(yīng)的處理程序;發(fā)送過程也需要對(duì)上次發(fā)送是否完成、緩沖器是否鎖定等狀態(tài)做出判斷, 并進(jìn)行相應(yīng)的處理。
3.3 CAN通信應(yīng)用層協(xié)議的制定
CAN協(xié)議本身只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范(遵循OSI標(biāo)準(zhǔn)), 因此, 用戶在應(yīng)用CAN協(xié)議時(shí), 必須根據(jù)實(shí)際需求自行定義CAN高層協(xié)議。國際上已經(jīng)形成了諸多基于CAN的高層應(yīng)用協(xié)議, 如CAL、CANopen、DeviceNet、SDS和CAN Kingdom等, 而適于接觸網(wǎng)隔離開關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一的CAN高層應(yīng)用協(xié)議目前還沒有形成。
在信息的安排上應(yīng)該注意CAN信息幀一次最多可以發(fā)送8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中, CAN通信采用帶29位報(bào)文標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀, 主要通過報(bào)文標(biāo)識(shí)符中的內(nèi)容來確定該幀數(shù)據(jù)的類型、通信目的地址、源地址、股道號(hào)和結(jié)束標(biāo)記等信息。對(duì)于CAN通信模塊來說, CAN總線上要發(fā)送的數(shù)據(jù)定義為3種, 即發(fā)送數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程請(qǐng)求幀和信息應(yīng)答幀.
4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)
上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用工控機(jī)作為人機(jī)接口,使用RS232串行接口通過CAN通信模塊與下位機(jī)監(jiān)控裝置進(jìn)行通信, 利用Windows環(huán)境下開發(fā)軟件的可視性, 面向事件和對(duì)象的特征, 編寫良好的用戶界面。上位機(jī)可以接收現(xiàn)場接觸網(wǎng)隔離開關(guān)分合的狀態(tài)、操作員的卡號(hào)、監(jiān)護(hù)員的卡號(hào)、機(jī)車類型以及機(jī)車號(hào), 在聯(lián)機(jī)驗(yàn)證模式中, 值班員可以發(fā)送信息來同意操作員和監(jiān)護(hù)員繼續(xù)操作或拒絕其繼續(xù)操作, 且值班員可以查詢工作人員的歷史工作數(shù)據(jù)。為完成這一系列功能的設(shè)計(jì), 該系統(tǒng)使用了BorlandC++Builder來開發(fā)該接觸網(wǎng)隔離開關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)程序。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求, 上位機(jī)程序主要完成如下的功能:①用戶登錄, 密碼設(shè)定, 確保身份的認(rèn)證;②主工作界面, 現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控;③操作員和監(jiān)護(hù)員的數(shù)據(jù)庫管理和維護(hù);④歷史工作數(shù)據(jù)的記錄與管理。
5 結(jié)論
基于CAN總線的接觸網(wǎng)隔離開關(guān)監(jiān)控裝置是專門針對(duì)電氣化機(jī)務(wù)段、動(dòng)車段和機(jī)車廠的接觸網(wǎng)隔離開關(guān)的集中監(jiān)控而研制的一種分布式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)務(wù)段整備場接觸網(wǎng)隔離開關(guān)進(jìn)行集中監(jiān)控和安全管理。由于其采用了抗干擾能力較強(qiáng)的通信方式、可重復(fù)使用的IC卡、語音提示, 以及對(duì)接地桿位置、隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)電源、鑰匙開關(guān)、軟件多級(jí)閉鎖等功能,大大提高了機(jī)務(wù)段接觸網(wǎng)隔離開關(guān)集中監(jiān)控的安全性和可靠性。該系統(tǒng)的使用可降低接觸網(wǎng)隔離開關(guān)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度, 杜絕接觸網(wǎng)隔離開關(guān)的誤操作, 能適應(yīng)作業(yè)自動(dòng)化操作發(fā)展趨勢, 提高工作效率, 可有效地防止鐵路人身和設(shè)備安全事故的發(fā)生。
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