關于CAN總線的接觸網隔離開關監控系統的設計探究論文
目前國內鐵道機務段使用接觸網隔離開關進行電分段, 一部分機務段對隔離開關的動作仍是手動操作, 不僅效率低, 而且操作員的安全隱患系數非常大;另一部分采用微機監控方式, 采用RS232/485和無線通信方式, 然而RS232/485 的通信距離無法達到要求, 無線通信又對現場的輻射、電場及磁場的要求比較苛刻。考慮到機務段工作環境比較惡劣, 筆者提出構建一種新的監控系統, 該系統采用具有強糾錯能力、高性價比的CAN總線通信方法, 并在接觸網上設有2.5萬伏的高壓。為了保障在機車頂部作業工作人員的安全, 系統采用了一人操作一人監護且均需要刷卡的互鎖機制, 采用可供選擇的聯機驗證模式和獨立操作模式, 符合鐵道部《電氣化鐵路有關人員電氣安全規則》第24 條所給出的接觸網隔離開關操作的規定。
隨著嵌入式系統應用的發展, 各現場總線的應用日益廣泛, 其中控制器局域網(controlareanetwork, CAN)總線以結構簡單、低成本、高可靠性、實時性和抗干擾能力強等優點在工業現場控制等眾多領域得到了廣泛應用。CAN能有效支持具有很高安全等級的分布實時控制, 已被列入ISO國際標準, 稱為ISO11898。CAN協議是建立在國際標準組織的開放系統互聯模型基礎上的, 不過其模型只有3層, 即OSI底層的物理層、數據鏈路層和應用層。由于其結構層次少, 因而有利于系統中實時控制信號的傳送。
1 系統總體方案設計
整個系統包括以AVR128單片機為主控制器的下位機監控裝置、CAN通信模塊和上位機監控系統3個部分。下位機監控裝置包括液晶面板、鍵盤、語音、時鐘、射頻卡、電機控制、信號機控制、CAN總線智能節點等模塊, 以及一些開關量輸入輸出等;CAN通信模塊包括CAN總線程序設計、CAN-RS232轉換器和CAN總線應用層協議設計等;上位機包括RS232通信、監控界面以及數據庫等。
下位機負責采集并顯示現場隔離開關的狀態和執行開關動作, 是操作員和監護員與系統的主要操作界面。下位機監控裝置一共有10個, 在CAN網絡里被定義為節點1 ～ 10;上位機負責遠程監控, 并提供操作員和監護員的數據庫, 提高了整個系統的安全性;CAN通信模塊是下位機與上位機通信的轉換模塊, 由于監控主機(上位機)沒有CAN標準接口, 故需要專門設計一個轉換裝置, 即CAN通信模塊, 它實質就是CAN-RS232的轉換器, 負責數據的傳輸。
2 下位機監控裝置
下位機監控裝置設置在一個防護亭里面, 其操作面板上設有接觸網開關狀態指示燈、操作按鈕和鑰匙閉鎖開關等。
綜合考慮價格、IO資源及功能要求, 選擇Atmel公司的AVRATmega128單片機作為主控制芯片;液晶面板選擇OCM12864, 用在下位機監控裝置上, 顯示當前隔離開關的狀態、機車號、操作員卡號及操作步驟提示;鍵盤設計為4 ×4的矩陣鍵盤, 通過ATmega128的PB口組建而成, 用來輸入機車號、卡號及進行刪除、確認等功能操作;語音芯片采用BMP5008系列4 M的語音模塊, 主要用來對在防護亭里工作的操作員和監護員播放操作步驟及一些其他提示, 并配合液晶顯示模塊進行步驟提示工作;時鐘模塊主要是使下位機監控裝置上能顯示當前的時間, 選用了涓流充電時鐘芯片DS1302, 能提供2100 年前的秒、分、時、日、月、年的時間信息;射頻卡主要是達到認證的目的, 通過IC卡和上位機上的'數據庫, 認證操作員和監護員的身份, 只有操作員和監護員同時刷卡成功且卡號對應才能進行隔離開關的閉合或打開操作;通過AVR128單片機輸出的開關信號來控制電機正轉或反轉, 從而使與電機連接的隔離開關斷開或閉合;CAN總線智能節點的主要目的是使每一個下位機監控裝置里的AVR128單片機都作為CAN總線上的一個子節點, 從而完成CAN總線的組網。
3 CAN通信模塊設計
3.1 CAN通信模塊的硬件設計
CAN通信模塊主要負責處理各個下位機監控裝置與監控主機的信息通信問題, 下位機監控裝置與通信控制單元采用CAN通信, 監控主機與通信控制單元采用RS232通信, 故該模塊實質上是一個CAN-RS232轉換卡, 同時也是CAN網絡中的一個CAN節點, 定義為節點0。
CAN通信模塊的控制芯片采用STC89C52單片機;CAN控制器采用Philips公司的獨立CAN控制器SJA1000, 兼容CAN2.0A和CAN2.0B兩種技術規范;CAN驅動器采用Philips公司的PCA82C250, 可提供對總線的差動發送和接收功能.
下位機監控裝置的信息通過CAN總線發送給CAN通信模塊, CAN通信模塊再將該信息通過串口發送給監控主機;類似地, 監控主機可以通過串口將要發送至下位機監控裝置的信息發送給CAN通信模塊, 然后由CAN通信模塊通過CAN總線發送給下位機監控裝置。
3.2 CAN通信模塊的軟件設計
CAN通信模塊的軟件設計主要包括串口的初始化、發送、接收程序和CAN的初始化、發送、接收程序兩大部分。串口的軟件設計比較常見,故不再詳述。
主要包括工作方式的設置、ACR/AMR的設置、BTR0/BTR1的設置、OCR的設置, 以及中斷允許寄存器的設置等;接收函數中, 要對總線上數據是否有需要接受、報文是否有效等狀態做出判斷, 并進入相應的處理程序;發送過程也需要對上次發送是否完成、緩沖器是否鎖定等狀態做出判斷, 并進行相應的處理。
3.3 CAN通信應用層協議的制定
CAN協議本身只定義了物理層和數據鏈路層的規范(遵循OSI標準), 因此, 用戶在應用CAN協議時, 必須根據實際需求自行定義CAN高層協議。國際上已經形成了諸多基于CAN的高層應用協議, 如CAL、CANopen、DeviceNet、SDS和CAN Kingdom等, 而適于接觸網隔離開關監控系統的統一的CAN高層應用協議目前還沒有形成。
在信息的安排上應該注意CAN信息幀一次最多可以發送8個字節的數據。該系統中, CAN通信采用帶29位報文標識符的擴展幀, 主要通過報文標識符中的內容來確定該幀數據的類型、通信目的地址、源地址、股道號和結束標記等信息。對于CAN通信模塊來說, CAN總線上要發送的數據定義為3種, 即發送數據幀、遠程請求幀和信息應答幀.
4 上位機監控系統
上位機監控系統采用工控機作為人機接口,使用RS232串行接口通過CAN通信模塊與下位機監控裝置進行通信, 利用Windows環境下開發軟件的可視性, 面向事件和對象的特征, 編寫良好的用戶界面。上位機可以接收現場接觸網隔離開關分合的狀態、操作員的卡號、監護員的卡號、機車類型以及機車號, 在聯機驗證模式中, 值班員可以發送信息來同意操作員和監護員繼續操作或拒絕其繼續操作, 且值班員可以查詢工作人員的歷史工作數據。為完成這一系列功能的設計, 該系統使用了BorlandC++Builder來開發該接觸網隔離開關監控系統的上位機程序。
根據設計要求, 上位機程序主要完成如下的功能:①用戶登錄, 密碼設定, 確保身份的認證;②主工作界面, 現場數據的實時監控;③操作員和監護員的數據庫管理和維護;④歷史工作數據的記錄與管理。
5 結論
基于CAN總線的接觸網隔離開關監控裝置是專門針對電氣化機務段、動車段和機車廠的接觸網隔離開關的集中監控而研制的一種分布式綜合自動化系統。該系統可實現對機務段整備場接觸網隔離開關進行集中監控和安全管理。由于其采用了抗干擾能力較強的通信方式、可重復使用的IC卡、語音提示, 以及對接地桿位置、隔離開關操作機構電源、鑰匙開關、軟件多級閉鎖等功能,大大提高了機務段接觸網隔離開關集中監控的安全性和可靠性。該系統的使用可降低接觸網隔離開關操作人員的勞動強度, 杜絕接觸網隔離開關的誤操作, 能適應作業自動化操作發展趨勢, 提高工作效率, 可有效地防止鐵路人身和設備安全事故的發生。
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