关于CAN总线的接触网隔离开关监控系统的设计探究

目前国内铁道机务段使用接触网隔离开关进行电分段, 一部分机务段对隔离开关的动作仍是手动操作, 不仅效率低, 而且操作员的安全隐患系数非常大;另一部分采用微机监控方式, 采用RS232/485和无线通信方式, 然而RS232/485 的通信距离无法达到要求, 无线通信又对现场的辐射、电场及磁场的要求比较苛刻。考虑到机务段工作环境比较恶劣, 笔者提出构建一种新的监控系统, 该系统采用具有强纠错能力、高性价比的CAN总线通信方法, 并在接触网上设有2.5万伏的高压。为了保障在机车顶部作业工作人员的安全, 系统采用了一人操作一人监护且均需要刷卡的互锁机制, 采用可供选择的联机验证模式和独立操作模式, 符合铁道部《电气化铁路有关人员电气安全规则》第24 条所给出的接触网隔离开关操作的规定。

随着嵌入式系统应用的发展, 各现场总线的应用日益广泛, 其中控制器局域网(controlareanetwork, CAN)总线以结构简单、低成本、高可靠性、实时性和抗干扰能力强等优点在工业现场控制等众多领域得到了广泛应用。CAN能有效支持具有很高安全等级的分布实时控制, 已被列入ISO国际标准, 称为ISO11898。CAN协议是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上的, 不过其模型只有3层, 即OSI底层的物理层、数据链路层和应用层。由于其结构层次少, 因而有利于系统中实时控制信号的传送。

1 系统总体方案设计

整个系统包括以AVR128单片机为主控制器的下位机监控装置、CAN通信模块和上位机监控系统3个部分。下位机监控装置包括液晶面板、键盘、语音、时钟、射频卡、电机控制、信号机控制、CAN总线智能节点等模块, 以及一些开关量输入输出等;CAN通信模块包括CAN总线程序设计、CAN-RS232转换器和CAN总线应用层协议设计等;上位机包括RS232通信、监控界面以及数据库等。

下位机负责采集并显示现场隔离开关的状态和执行开关动作, 是操作员和监护员与系统的主要操作界面。下位机监控装置一共有10个, 在CAN网络里被定义为节点1 ～ 10;上位机负责远程监控, 并提供操作员和监护员的数据库, 提高了整个系统的安全性;CAN通信模块是下位机与上位机通信的转换模块, 由于监控主机(上位机)没有CAN标准接口, 故需要专门设计一个转换装置, 即CAN通信模块, 它实质就是CAN-RS232的转换器, 负责数据的传输。

2 下位机监控装置

下位机监控装置设置在一个防护亭里面, 其操作面板上设有接触网开关状态指示灯、操作按钮和钥匙闭锁开关等。

综合考虑价格、IO资源及功能要求, 选择Atmel公司的AVRATmega128单片机作为主控制芯片;液晶面板选择OCM12864, 用在下位机监控装置上, 显示当前隔离开关的状态、机车号、操作员卡号及操作步骤提示;键盘设计为4 4的矩阵键盘, 通过ATmega128的PB口组建而成, 用来输入机车号、卡号及进行删除、确认等功能操作;语音芯片采用BMP5008系列4 M的语音模块, 主要用来对在防护亭里工作的操作员和监护员播放操作步骤及一些其他提示, 并配合液晶显示模块进行步骤提示工作;时钟模块主要是使下位机监控装置上能显示当前的时间, 选用了涓流充电时钟芯片DS1302, 能提供2100 年前的秒、分、时、日、月、年的时间信息;射频卡主要是达到认证的目的, 通过IC卡和上位机上的数据库, 认证操作员和监护员的身份, 只有操作员和监护员同时刷卡成功且卡号对应才能进行隔离开关的闭合或打开操作;通过AVR128单片机输出的开关信号来控制电机正转或反转, 从而使与电机连接的隔离开关断开或闭合;CAN总线智能节点的主要目的是使每一个下位机监控装置里的AVR128单片机都作为CAN总线上的一个子节点, 从而完成CAN总线的组网。

3 CAN通信模块设计

3.1 CAN通信模块的硬件设计

CAN通信模块主要负责处理各个下位机监控装置与监控主机的信息通信问题, 下位机监控装置与通信控制单元采用CAN通信, 监控主机与通信控制单元采用RS232通信, 故该模块实质上是一个CAN-RS232转换卡, 同时也是CAN网络中的一个CAN节点, 定义为节点0。

CAN通信模块的控制芯片采用STC89C52单片机;CAN控制器采用Philips公司的独立CAN控制器SJA1000, 兼容CAN2.0A和CAN2.0B两种技术规范;CAN驱动器采用Philips公司的PCA82C250, 可提供对总线的差动发送和接收功能.

下位机监控装置的信息通过CAN总线发送给CAN通信模块, CAN通信模块再将该信息通过串口发送给监控主机;类似地, 监控主机可以通过串口将要发送至下位机监控装置的信息发送给CAN通信模块, 然后由CAN通信模块通过CAN总线发送给下位机监控装置。

3.2 CAN通信模块的软件设计

CAN通信模块的软件设计主要包括串口的初始化、发送、接收程序和CAN的初始化、发送、接收程序两大部分。串口的软件设计比较常见,故不再详述。

主要包括工作方式的设置、ACR/AMR的设置、BTR0/BTR1的设置、OCR的设置, 以及中断允许寄存器的设置等;接收函数中, 要对总线上数据是否有需要接受、报文是否有效等状态做出判断, 并进入相应的处理程序;发送过程也需要对上次发送是否完成、缓冲器是否锁定等状态做出判断, 并进行相应的处理。

3.3 CAN通信应用层协议的制定

CAN协议本身只定义了物理层和数据链路层的规范(遵循OSI标准), 因此, 用户在应用CAN协议时, 必须根据实际需求自行定义CAN高层协议。国际上已经形成了诸多基于CAN的高层应用协议, 如CAL、CANopen、DeviceNet、SDS和CAN Kingdom等, 而适于接触网隔离开关监控系统的统一的CAN高层应用协议目前还没有形成。

在信息的安排上应该注意CAN信息帧一次最多可以发送8个字节的数据。该系统中, CAN通信采用带29位报文标识符的扩展帧, 主要通过报文标识符中的内容来确定该帧数据的类型、通信目的地址、源地址、股道号和结束标记等信息。对于CAN通信模块来说, CAN总线上要发送的数据定义为3种, 即发送数据帧、远程请求帧和信息应答帧.

4 上位机监控系统

上位机监控系统采用工控机作为人机接口,使用RS232串行接口通过CAN通信模块与下位机监控装置进行通信, 利用Windows环境下开发软件的可视性, 面向事件和对象的特征, 编写良好的用户界面。上位机可以接收现场接触网隔离开关分合的状态、操作员的卡号、监护员的卡号、机车类型以及机车号, 在联机验证模式中, 值班员可以发送信息来同意操作员和监护员继续操作或拒绝其继续操作, 且值班员可以查询工作人员的历史工作数据。为完成这一系列功能的设计, 该系统使用了BorlandC++Builder来开发该接触网隔离开关监控系统的上位机程序。

根据设计要求, 上位机程序主要完成如下的功能:①用户登录, 密码设定, 确保身份的认证;②主工作界面, 现场数据的实时监控;③操作员和监护员的数据库管理和维护;④历史工作数据的记录与管理。

5 结论

基于CAN总线的接触网隔离开关监控装置是专门针对电气化机务段、动车段和机车厂的接触网隔离开关的集中监控而研制的一种分布式综合自动化系统。该系统可实现对机务段整备场接触网隔离开关进行集中监控和安全管理。由于其采用了抗干扰能力较强的通信方式、可重复使用的IC卡、语音提示, 以及对接地杆位置、隔离开关操作机构电源、钥匙开关、软件多级闭锁等功能,大大提高了机务段接触网隔离开关集中监控的安全性和可靠性。该系统的使用可降低接触网隔离开关操作人员的劳动强度, 杜绝接触网隔离开关的误操作, 能适应作业自动化操作发展趋势, 提高工作效率, 可有效地防止铁路人身和设备安全事故的发生。