軌道列車在線故障定位系統的CAN通信切斷方法

張玉石 孫佳隆 黃 鷹

（青島杰瑞工控技術有限公司，山東 青島 266061）

0 引言

軌道列車在線監測單元是動車組列車網絡控制系統的核心之一，是控制技術、通信技術和故障診斷技術緊密結合的產物[1]，將車載計算機系統作為數據處理中樞，以工業局域網為數據傳輸手段，可以兼容多種總線通信，進而實現對列車的機車控制、車輛控制、運行控制、故障定位、狀態檢測，并對旅客服務信息等進行綜合處理。但是因為高速列車具有通信復雜、通信量大的特點，所以其故障無法避免。

長期以來，國內的城軌、地鐵等城市軌道交通車輛普遍采用機械式的車載監測設備。由于設備無法聯網，機械式車載監測設備只能顯示單節車廂的傳感器信息，而且沒有監控功能。這樣在設備發生重大故障時，只能通過人工逐一排查各個儀表示數的方法來推斷故障原因。這種監控方法在速度較慢的交通領域尚可滿足安全性需求。但是，如今的高鐵速度已經可以和飛機相媲美。并且更快的運行速度也對車載在線監測設備提出了更高的要求。由于軌道列車的空間狹小，對于車載設備的小型化和智能化也提出了更高的要求[2]。因此，研究列車牽引系統在線故障定位單元具有重要意義。并且在國內外高速鐵路市場拓展的新形勢下，為了能夠適應中國高速鐵路的運營環境和條件，實現高速動車組在線故障定位單元技術全面的自主化，按照成熟的國際標準來研究、開發相關系統產品，是符合近10 年高鐵發展趨勢的[3]，對提高產品在國內市場和國外市場的競爭力有著重要意義。

該研究及相關產品可以實現各動力車的通信網絡檢測，實現全列車（動車和拖車）所有計算機控制的單元的聯網通信和資源共享，生產出了適用于中國境內運行環境的列車牽引系統在線監測單元，完成全列車的自檢及故障定位，降低列車牽引在線故障定位單元的硬件成本。

1 通信系統及監控對象

列車通信網絡是列車信息傳輸的核心[4]。作為信息傳輸的介質和交互樞紐，其主要包括通信系統、監控對象。

1.1 通信系統

列車在線故障定位單元包括硬件系統和軟件系統。硬件系統主要由控制模塊、通信模塊（CAN和以太網）、I/O模塊、顯示模塊組成。軟件系統主要由顯示處理系統、操作系統（QNX）和應用軟件（監測定位軟件）組成。

1.2 主要監控對象

車廂級的監控對象包括車廂的空調總電流、故障顯示、溫度顯示、空調集控、溫度設定、車內車外信息顯示、車廂的供電、照明工況、煙火報警器、軸溫報警器、塞拉門故障等。列車通信系統主要的監控對象包括受電弓狀態、主電路通斷狀態、列車制動狀態、變壓器狀態、充電機狀態、牽引狀態等實時運行數據。因為列車通信系統是由各個層級之間進行數據傳輸的，所以研究CAN通信切斷方法對于列車故障的準確定位以及降低產品成本具有重要意義。

2 C A N通信切斷方法

該研究介紹的CAN通信（控制器局域網）切斷方法是通過硬件電路邏輯控制實現的。通過封裝硬件電路，提供用戶使用的通信接口，實現通信鏈路的接通和斷開。接通和斷開的方式可通過觸摸屏選擇自動模式和手動模式。

2.1 通信切斷原理

FPGA（現場可編程邏輯門陣列）通過內部IP核（集成電路芯核）轉換出CAN總線，CAN總線控制器將信號轉換成發送、接收單端信號，之后再由CAN開關芯片將通信數據通過RS-485物理接口進行發送或接收。列車運行信息通過CAN總線進行各級分系統的數據傳輸。當分系統出現故障時，可通過切斷分系統的CAN總線通信的方式進行故障定位。圖1為CAN切斷方法的硬件控制邏輯設計圖。從圖中可以看出，在控制鏈路車載計算機端，通信切斷功能為I/O芯片控制CAN總線的切斷。I/O芯片與車載計算機通過LPC總線（并行總線協議）相連，其主要功能是做通信切斷和串口輸出。因為I/O芯片與PCIe總線（高速串行計算機擴展總線）在線路和軟件上是完全獨立的，因此，其與CAN控制功能沒有任何沖突。

在具體的工作過程中，車載計算機通過LPC總線與I/O（輸入輸出）芯片通信并產生控制信號，從而控制CAN開關芯片，進而實現CAN通信的導通與切斷。CAN開關為數字量控制開關，在具體的工作過程中，通過編程的方式將相關引腳設置為高電平或者低電平，進而控制其接通或者斷開。在硬件方面實現了接通和斷開CAN協議通信的目的。

切斷控制模塊和CAN數據處理模塊是FPGA內部2個獨立的模塊，分別由2個不同的驅動（advcan，advled）來控制。因此，CAN的控制和切斷可同時由FPGA進行處理。同時，FPGA具有可編程的LED控制模塊，可通過GPIO（輸入輸出端口）控制LED（發光二極管），切斷通信鏈路的監控與反饋。

2.2 人機交互顯示系統

人機界面分為設備監控區和設備控制區。通過網絡傳輸系統，可將數據實時傳輸并顯示在觸摸屏的設備監控區。觸摸屏相關區域通過數字或者開關量的形式進行顯示，而且不同顏色可實時顯示數據所處值設區間，方便查詢故障。車廂選擇可通過點選的方式進行查詢。被選中的車廂顯示綠色。設備控制區以按鈕的形式對設備進行打開和關閉控制。當按下相關按鈕時，相關按鈕指示燈常亮，提示按鈕操作生效。同時，信道選擇按鈕可以進行控制選擇。同樣，相關指示燈可指示操作成功。工作模式可通過模式選擇按鈕進行切換。

菜單通過點擊操作，可實現畫面的打開和保存、查詢幫助信息、退出系統、與各個車廂建立聯系通道等。設置按鈕通過點擊操作，可進行通信端口號、通信波特率、信道的設置。同時，可設置系統語言、背景色、對比度等。窗口為畫面快捷選擇菜單，通過點擊可將已打開的窗口下拉顯示，點擊相應窗口可快速切換至相關顯示頁面。數據查詢為歷史記錄查詢，按鈕點開后，可進入查詢設置界面，可設置需要查詢的名稱和時間。查詢結果可以報表的形式導出。監控查詢為車載監控視頻信息查詢，可分為實時監控信息查詢和歷史監控信息查詢，點擊歷史監控信息查詢后，可以進行查詢時間設置、車廂號設置、攝像頭選擇設置。完成后點擊查詢，即可查看查詢結果。視圖可對顯示界面進行分屏顯示，多用于攝像頭的單屏多窗顯示。信息上傳可對查詢結果進行上傳，或將歷史記錄信息上傳至遠程云端。車長權限可通過輸入賬號密碼的方式獲取列車的相關操作權限，不同權限的操作員只可對有權限的操作窗口進行操作。智能駕駛為智能行駛設置按鈕，操作員獲取了相關權限后，即可點擊智能行駛按鈕，從而打開一鍵安全行駛功能。

圖1 硬件控制邏輯設計圖

2.3 通信單元物理接口

CAN通信切斷單元，總線采用插拔式，方便連接。指示燈位于面板右下角，方便觀察。內部有鋁型材散熱器，可以將處理器工作產生的熱量及時散發至外界環境，從而保護芯片和內部元器件。其中，安裝孔用于固定設備。RS-485（現場總線）通信物理連接口用來連接并上傳車載信息。RS-232（現場總線）通信物理連接口用來連接I/O芯片。LAN通信物理端口直接與車載網口連接，進行通信數據的交互。通信指示燈用來指示相關通信狀態。通信單元復位按鍵用于重啟系統。系統電源用于為系統提供電力保障。電源指示燈在電源接通時為常亮狀態。

3 結語

該文介紹的通信切斷方法通過I/O芯片產生控制信號，以數字量開關芯片為受控對象，進而實現CAN通信切斷。經過測試，CAN通信切斷技術可以滿足高速列車故障定位的實時性、準確性需求。同時該產品可以與列車的通信網絡兼容，人機交互界面不僅可以顯示設備的狀態，而且還能對外圍設備進行控制。產品拆裝方便、體積小，便于市場推廣。需要指出的是，相關通信切斷技術對同種類型的通信線路切換應用領域同樣具有指導意義。