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CAN总线在铁路设备通信中的应用

  中图分类号:TP274.4 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)16-0349-01
  1、 CAN总线的主要特点
  CAN总线应用领域越来越广泛主要是因为其本身具有的特点。
  1) CAN为多主方式工作、网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息,而不分主从;当多个节点同时发送时,依据报文的优先级而不是节点的优先级进行总线访问控制。
  2) CAN采用非破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时,高优先级的节点可不受影响地继续传输数据,从而大大节省了总线冲突仲裁时间,保证了高优先级节点传输报文的实时性要求。
  3) CAN节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。
  4) 很远的数据传输距离(长达10km)。
  5) 高速的数据传输速率(高达1Mbps)。
  6) 可根据报文的ID决定接收或者屏蔽该报文。
  正是基于CAN总线的这些特点,CAN总线被应用于越来越多的通信领域。
  2、 CAN总线传输介质
  电气传输介质使用方式:两线总线、单线总线、共用一条线传输信号和供电。
  在现有的铁路设备CAN通信中,多使用两线总线。两线总线提供差分信号的传输,因此可以抑制共模误差,即使在非常低的信号电平下也能保证信号的可靠传输。在两线传输时,必须在总线的每一端接一个电阻(建议值为120Ω),以避免出现信号反射。
  在现场使用过程中,出现过多达38个区段的监测数据出现异常,主要现象是同一数据帧会重复出现几次甚至几十次,不仅增加了采集处理器的工作量,还会造成CAN线拥堵,影响通信。经过检查是监测CAN总线末端未加入120欧姆匹配电阻,造成CAN总线内信号反射,使数据成百上千倍的增加,造成CAN总线阻塞。通过在每路CAN总线末端加入120欧姆终端电阻,杜绝CAN总线上的信号反射,保障CAN总线通讯质量。
  3、 CAN协议通信模式
  CAN网络是一个基于连接的主从式网络,有一个主控设备来管理网络上的其他设备,并监控整个网络的功能;各个从设备之间不能直接进行通信。CAN协议支持主从通信模式和事件触发通信模式。事件触发通信模式用于从站设备主动向主站中传送数据报文;主从通信模式用于主站设备对于从站设备的访问。
  4、 CAN协议通信模式在铁路设备中的应用
  1) 事件触发通信模式
  在这种通信模式下,采集监测设备可以定时循环向采集处理器发送数据,或者在设定的条件下向采集处理器发送数据,具体执行过程见图-1。
  在实际使用中,采集监测设备定时6s向采集处理器发送全部的模拟量和开关量;当判断采集的模拟量或开关量发生了变化,则立刻将变化的模拟量和开关量发送给采集处理器,在这个过程中定时6s及模拟量和开关量变化即是触发事件。
  2) 主从通信模式
  主从通信方式即命令/应答通信方式:通信由采集处理器发起,接收到命令帧的采集监测设备返回应答帧。在新型的铁路采集监测设备中多数采用这种通信模式,它逐渐代替了事件触发通信模式。
  主从通信模式分为点对点式和广播式两种方式。
  ①点对点式是采集处理器和一个采集监测设备进行通信。采集监测设备接收到命令帧并处理完请求后返回相应的应答帧给采集处理器,具体执行过程见图-2。
  在这种模式中一个完整的通信过程包括采集处理器的请求命令和采集监测设备的应答,实现通信的关键是采集处理器能够准确的接收到命令帧。
  每个采集监测设备必须有自己唯一的标识用以区分其他设备。在DSP28335硬件平台上,通过对配置邮箱MSGID寄存器(DSP28335中邮箱标识符寄存器[1])的ID域配置来实现,ID域固定的位置可以包括设备的类型、设备的地址、优先级、方向等多种信息,这些由通信协议确定,通过设备类型和设备地址就可以确定唯一的一台设备。在通信过程中只有当采集处理器发出的命令帧中包含的帧头信息与采集监测设备接收命令的邮箱ID域配置一致,指定的采集监测设备才能接收到命令帧,且只有一台采集监测设备能满足要求。这种通信方式在未接收到采集处理器的请求时采集监测设备是不会传输数据的。
  ②广播式是采集处理器同时发送一种请求命令帧给所有采集监测设备,它的通信过程与点对点式类似,只是满足命令帧要求的设备为多台。
  在命令帧中忽略设备类型、设备地址等具有标识性的信息。在DSP28335硬件平台,所有的采集监测设备要将接收命令的邮箱MSGID寄存器的ID域配置成相同,同时也忽略掉设备类型、设备地址等具有标识性的信息。
  5、数据发送与接收
  1) CAN报文的发送分为查询控制发送和中断控制发送。
  查询控制发送:当在发送报文时,发送缓冲区对写操作是锁定的,这样CPU必须检查状态寄存器的发送缓冲区状态标志,以确定是否可以将一个新报文写入发送缓冲区。
  ①当发送缓冲区被锁定时,CPU周期性地查询状态寄存器,等待发送缓冲区被释放。
  ②当发送缓冲区被释放时,CPU将新报文写入发送缓冲区,并置位命令寄存器的发送请求标志,该标志导致发送的启动。当发送完成状态置位1时,表明CAN报文已发送成功。
  中断控制发送:将CAN报文写入发送缓冲区和置位发送请求与查询控制类似。
  ①当发送缓冲区被锁定时,CPU必须将报文临时保存到数据存储器中,并置位软件标志“还有报文”用于指示有新的报文等待发送。在结束当前运行的发送时启动中断服务程序,在中断服务程序中进行下一个发送报文的起始处理。
  ②当发送缓冲区被释放时,CPU将新报文写入发送缓冲区,并置位发送请求标志。在发送结束时CAN控制器产生一个发送中断。
  2) CAN报文的接收分为查询控制接收和中断控制接收。
  查询控制接收:CPU以一定周期读取CAN控制器的状态寄存器以检查接收缓冲区状态标志指示是否至少接收到一个报文。
  ①接收缓冲区状态标志指示“空”,即没有接收到报文;在没有新的检查接收缓冲区状态的要求之前,CPU继续当前的任务。
  ②接收缓冲区状态标志指示“满”,即已接收到一个或是多个报文;CPU从CAN控制器读取第一个报文并置位命令寄存器中的释放接收缓冲区标志。
  中断控制接收:已接收一个报文,该报文通过验收滤波器并放入接收FIFO中,则产生一个接收中断。CPU能够立即响应将接收到的报文传送到自身的报文存储器,并置位命令寄存器的释放缓冲区标志。
  6、总结
  论文描述了CAN总线的特点,并通过实际使用分析了CAN传输介质及终端120Ω电阻在实现正常通信过程中的重要作用;介绍了CAN协议的几种通信模式在铁路设备中的应用;最后对数据的发送和接收方式进行了简单的介绍。

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