自定义实时通信协议的双CAN网络应用

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1、双CAN实时协议系统在机车网络控制中的应用有相关发明专利，勿用于商业抄袭关键字：TCN,MVB,WTB，双CAN，实时协议1. CAN简介：CAN全称为Controller Area Network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CAN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ECU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CAN控制装置，一个由CAN总线构成的单一网络中理论上可以挂接无数 个节点实际应用中节点数目受网络硬件的电气特性所限制例如当使用Philips P82C250作为CAN收发器时同一网络中允

2、许挂接110个节点，CAN可提供高达1Mbit/s的数据 传输速率这使实时控制变得非常容易，另外，硬件的错误检定特性也增强了 CAN的抗电 磁干扰能力。1.机车、列车车辆通信控制的应用：目前，随着电子计算机以及网络技术的发展，车列因控制系统复杂，系统庞大，众多 的智能节点设备之间存在许多信息交互，实施网络控制已成为当前的潮流和必须，并且应 用的范围细化程度越来越广泛。各种现场总线得以百花齐放，从工业以太网、RS485HDLC 通信、Longworks、Profibus、WorldFIP等等都获得各大工业巨头例如东芝日立、西门子、 庞巴迪等等的支持及应用。后来，随着国际互联，以及轨道车辆应用的特

3、殊要求，关于车列、车列网络控制，由 西门子、庞巴迪、阿尔斯通等国际联合推出 了 TCN标准IEC61375TCN(Train Communication Network)标准，专门用于解决轨道交通的车辆信息、机车控制信号的互联 通信问题。该TCN标准提出了网络双线冗余、实时、高可靠、开放互联的通信要求，同 时，TCN 标准中定义了 2 种现场总线，MVB( Multifunction Vehicle Bus),WTB(Wire Train Bus)网络，分别应用于机车车辆内部设备间的通信和车辆间的信息交换。目前，在在国内 铁路、地铁引进的进口电气系统中已大量使用，国产自主的HXD1C机车、以及

4、老直流SS3B 重联机车也应用了 MVB通信技术。但使用过程都是采用进口网卡或成套系统设备，技术 较封闭，特别是成本高，主要用于主干或关键设备网路，众多的中小设备难以全面推广。2. CAN的应用尝试而作为众多的现场总线之一，CAN （ Controller Area Network控制器局域网）网络早 早已广泛运用于汽车等诸多领域，具备可靠、开放互联并且成熟通用、配套成本低廉等特 点，得以在各行业汽车、电梯、工业工控制、数据采集等要求可靠、苛刻的场合广泛应用， 由此在CAN技术的基础上衍生出deviceNet ,CanOpen等应用网络，具备极高的灵活性。 事实上，CAN的基本简单应用也在机车

5、设备上已成为常见现象，在某些底层设备内部或设 备之间的局部通信中，CAN网络作为取代RS485通信正成为事实，在成本相当的基础上 通信可靠性、安全性、实时性，远远优于RS485。尽管如此，与TCN网络标准通信要求对比，CAN普通应用的实时性、可靠性仍然不 能满足要求,作为应用扩展，deviceNet ,CanOpen等也不能完全满足TCN标准对于车辆设 备通信的实时和可靠性要求。为此，参照TCN标准要求，本文提出CAN的一种灵活应用 解决方案基于双CAN实时协议的应用系统，通过对网络层、应用层的灵活配置，物 理链路的扩展，类比满足TCN的通信要求，又保留了 CAN总线的特点，充分满足车列设 备

6、间的特殊通信控制的要求。3. 双CAN实时协议应用系统的特点及重点技术要点种车列实时控制系统，它包括至少两个智能控制节点，所述智能控制节点中包括一 个主节点和至少一个从节点，所述主节点与众多从节点之间通过双CAN连接组网构 成。每个智能控制节点包括车列控制应用功能软硬件模块、基于实时协议的通信控制模块、 信道冗余切换控制模块、双路CAN控制及驱动硬件模块。诸如状态显示器、分布式I/O , 轴温报警器，A/D采集模块，智能传感器，微机控制柜等等都可成为本通信网络中的 智能节电。主节点的通信控制模块将实施对CAN通信介质分配的强制调度控制，发送定时通信令 牌，所有从节点的通信控制模块将按照主节点信

7、令要求占有或释放网络介质资源。通 过令牌同步，各节点需要定时通信的数据的传输到达时间与时延预先得到确认。通过 这样的通信模式，主节点集中调度，从节点响应的令牌方法，各从节点软件系统可以 很简单，例如智能节点的简易低成本推广。网络介质资源划分成若干等距的最小基本通信周期，每个基本周期分成定时周期相与 零星周期相两部分，有实时要求的过程数据包将在定时周期相按照既定的时间点进行， 无实时要求及零星的消息数据包将在零星周期相通过仲裁竞争完成。形成本系统中满 足TCN定时通信的要求，又能有效利用CAN总线的总线总裁技术，保留突发性通信的要求。基本周期进一步衍生出特征周期，实时性要求低的过程数据将以较大的

8、特征周期通信。 通过这一方案，使得信道资源得以合理分配，最大限度的提高系统通信数据的容量要 求。 进行特征周期分配表计算时，主节点控制每个基本周期内定时周期相分配的各过程数 据包所需的时间和小于定时周期相时间。通过预先对信道负载的计算与分配，彻底解 决总线冲突，绝对保证定时通信的实时性要求。线路故障界定将以数据包对应的通信路径分段界定，而不是将直接将故障所在的一条 线整条信道设置为错误，最大可能的利用正常的信道区段。 这里的双线冗余，2组线路可同时处于信任状态并相互监视，在双线正常的状态下， 相比单信任线方式它将获得双倍的通信容量。这里双线冗余区别于简单的双线信号重 复，容量不变。在双线正常的

9、状态下，它将实现双倍容量进行通信。4. 双CAN实时系统应用说明如图1所示，本应用的第一实施例本应用基于双CAN的车列实时控制网络由车列上 若干智能控制节点，通过双CAN连接组网构成，每个智能控制节点包括车列控制应用功 能软硬件模块、基于实时协议的通信控制模块、信道冗余切换控制模块、双路CAN控制 及驱动硬件模块等4块。本网络里，实现实时通信主动控制的节点将成为主节点，并且只 有一个，其它实现实时通信从动控制的节点将称为从节点，网络的主从功能与应用功能无 关。对于车列网络控制的应用，智能节点设备的构成除了应用功能软硬件模块之外，其余 三块属于本应用部分，区别于当前其他网络智能节点设备的通信控制

10、实现部分。车列控制应用功能软硬件模块，用于实现车列的控制功能，如实现司机控制指令、车 列速度、电机电流、设备状态等数据采集，车列电路系统的逻辑控制，车列电机的牵引控 制，故障诊断等等，这些功能将分布于车列各个智能控制节点里。与CAN多主通信无主从节点区分不同，本网络实行主从式通信模式，主节点的通信 控制模块将实施对CAN通信介质分配的强制调度控制，发送定时通信令牌，所有从节点 的通信控制模块将按照主节点信令要求占有或释放网络介质资源，网络介质资源指网络通 信信号传输时占据的物理信道，即节点之间网络连接线。通过令牌同步，各节点需要定时 通信的数据的传输到达时间与时延预先得到确认。网络介质资源分配

11、策略将网络介质资源划分成若干等距的最小基本通信周期，每个基 本周期分成定时周期相与零星周期相两部分，有实时要求的过程数据包将在定时周期相按 照既定的时间点进行，无实时要求及零星的消息数据包将在零星周期相通过仲裁竞争完 成，仲裁过程在CAN通信中有详细描述，零星周期通信将继续发扬CAN的优势；为了满足不同的实时性需求，以基本周期为基础，衍生出特征周期，n次特征周期的 时间将是基本周期时间的2的n次方倍，实时性要求低的过程数据将以较大的特征周期通 信，根据最低的实时要求，将决定最大特征周期的N值，一般取值3 8。进行特征周期表计算时，主节点必须保证每个基本周期内定时周期相分配的过程数据 包所需的时

12、间小于定时周期相时间。这样从启动通信到完成必定是确定的时间完成，弥补 非一般CAN通信实时性无法满足的要求。如图2所示系统上电初运行时，首先完成CAN控制器的初始化，然后进入到主节点 竞选过程：所有节点，上电一开始，在设定的时间内，当没有监测接收到主节点同步令牌 或其他标识主节点信息的数据时，将发送主节点竞选帧。不同节点因启动发送时刻的不同， 并结合CAN通信的仲裁机制，第一个成功完成发送竞选帧并且获得确认的节点将获得主 节点权利。通过竞争与确认流程网络中最终将产生唯一的主节点，其它节点自动进入从节 点状态，并将自己的过程数据包数量及对应的实时要求等通信信息发送给主节点，主节点 通过运算确定最

13、大特征周期，产生特征周期分配表，并通知发送到所有节点，完成实时协 议的初运行。之后，在每次最大特征周期的开始，主节点将广播发送用于同步的的数据帧，各从节 点收到同步令牌后，将按照既定的特征周期及基本周期定时相位置，获得同步，启动过程 数据包的发送。在同一基本周期的定时周期相内，多个过程数据包将不区分先后顺序，将 利用CAN的基于优先级的总线仲裁自由发送，可以减少许多调度运算，优化通信的实时 性能。在每个零星周期相，所有消息数据包都将可能同时尝试发送，无论发送完成与否， 在零星周期相完成前，必须关闭发送，避免影响周期相的数据通信，未完成的消息数据通 信将在下一零星周期相再次启动。当发现主节点丢失

14、，自身无法竞争获得主节点地位时，从节点将按与预先设定的特征 周期表，虚拟节点内部令牌，按照虚拟令牌启动通信，尝试进行基本通信。在物理链路层，将实施信道冗余切换控制，一上电，所有网络节点将实时监视判断两 路CAN （这里称之为A线和B线）的通信状态，包括节点数据链路、隔离驱动电路和外 部传导网线的连接等。然后实施分段界定信任和非信任状态的通信控制策略。这里通信状 态的分段对象将不是节点物理端口或整条线路而是具体到一个数据包所对应的源节点到 目的节点之间的通信路径，通过细化到每个数据包通信路径，网络的通信状态将以所有数 据包的通信路径进行分段界定和标识，地维持正常通信。通常的双线冗余，例如在MVB

15、网络中，A、B线的分工是一组界定为信任线，另一组 界定为监视线，只能由信任线承担通信任务，监视线处于同步重复的发送接收或备用状态。 在这里，不单独设定监视线，双线都可同时承担信任线的角色承担通信任务，并相互监视 通信状态。此时在定时周期相，所有过程数据包将设定在A、B线之间轮流交替进行通信。 出现故障，当某个数据包对应的A线或B线通信路径中一个处于非信任态时，该数据包将 在唯一的信任线进行通信，其结果是该数据包的通信周期延长为双线通信时的2倍，实时 周期通信的特性保持不变，满足一般实时通信控制的需要。出现故障，当某个数据包对应 的A线或B线通信路径都均处于非信任态时，该数据包无法通信。相反，在

16、正常的情况下， 所有数据包将利用A、B线路资源同时进行通信，在相同的实时要求条件下，此方式的通 信容量实现了单信任线方式下的2倍。对于主节点，除了完成从节点相同的功能，还将对网络里所有的通信状态信息汇总， 解析报告。双路CAN控制及驱动硬件模块主要包括：2个CAN控制器，可以使用独立的CAN协 议芯片如sjalOOO或节点应用处理器自带的CAN控制器接口以高速光耦HCPL-0611 实现的接收发送隔离电路；以CAN驱动器TJA1050实现的CAN驱动电路等。5. 与TCN网络MVB应用比较通信实时性，容量对比：通过本应用，实时通信控制协议，可以实现与MVB通信等同的实时通信性能。而且，由于本应

17、用的主节点采取在每一个最大特征周期发送一次同步数据帧的方式， 与MVB中主从帧配对同步的方式相比，几乎消除了对应的所有主帧，按照MVB的主帧长 度与有效从帧的长度比例，容量约提升0.30.5倍。再次，本应用的冗余切换控制方式，在正常状态下，双路CAN同时独立使用，比TCN 标准中的MVB双线冗余方式，在相同波特率情况下，恰好提高1倍的通信容量。综合计 算，即使本应用中的CAN线路采用波特率500Kbps，而MVB采用标准波特率1.5Mbps， 两者的通信容量却大体相当，而采用较低的波特率500Kbps相比波特率1.5Mbps，将更 容易获得较好的EMC效果和实现长距离的通信。应用便利性比较MV

18、B的应用需要用到MVBC01等专用协议芯片或进口西门子、EKE的成套网卡， 其购买并不畅通；而CAN通信作为大众化的应用，目前绝大部分工业控制的微控制器 芯片都集成了 CAN协议功能，可以说随处可见。同时，由于CAN的大量应用普及，无论从测试手段、设计文献，其应用所有环节 都非常成熟，工具丰富。成本比较相比较于TCN网络中节点采用的MVB网卡，进口价格都在2500元以上，而本应用 网络中的网络接口主要包括双路CAN的硬件，成本在300元以内。6. 应用总结本应用参考TCN标准的要求，结合CAN网络的特点。采用双路CAN，实施冗余切 换、实时通信控制方法，实现基于双CAN的车列实时控制网络。该应

19、用技术曾用于直流 机车的分布式LCU （整车逻辑控制装置）系统中，例如SS8、SS4机车的LCU，在改系 统中，每块I/O板都是一个智能节电，主从节点共计9个组成系统。通过实际应用来看， 其通信的可靠性，实时性都得以充分验证，充分可行。结合设计理论，以及初步的实际验证经验，可将其推广应用于通信实时性、可靠性、 安全性的多种场合，特别是轨道交通的机车、车辆的内部设备间通信，提供整个控制系统 智能化、信息化程度，并保证安全可靠的控制保障。相比TCN网络标准的MVB，其带来 的低成本、简单易用的特点，更加易于推广，从而可提高国内车列控制系统的网络信息化 程度。需要授权或实际项目支持：谭诗干guntank图監络网与成构点节4N小节从备小节从答小节从笹小节主CAN初始化