基于數(shù)字化傳輸研究在編組站測(cè)速雷達(dá)的應(yīng)用

吳文杰

（上海電氣泰雷茲交通自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司武漢分公司，湖北武漢，430000）

1 多普勒雷達(dá)測(cè)速

多普勒雷達(dá)的測(cè)速原理，如下圖1所示。

圖1 多普勒雷達(dá)測(cè)速原理框圖

f0是耿氏振蕩器產(chǎn)生的簡(jiǎn)諧振蕩信號(hào)，信號(hào)通過(guò)傳輸介質(zhì)透鏡天線輻射到前方的列車，當(dāng)發(fā)送信號(hào)遇到移動(dòng)的列車，經(jīng)雷達(dá)反射的頻率為f=f0±fd，其中fd稱為多普勒測(cè)速頻率，它與車輛速度有如下關(guān)系：

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙CAN總線型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著較高的容錯(cuò)性與可靠性，相比于普通的總線型結(jié)構(gòu)，雙CAN總線型的優(yōu)點(diǎn)是更加容易的擴(kuò)充與后期升級(jí)，且它擁有四路CAN通路，比普通的CAN總線能多分擔(dān)一倍的數(shù)據(jù)量。為了保證編組站雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)有著較高的可靠性與容錯(cuò)性，可選用雙總線型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。測(cè)速主機(jī)的核心選用STM32F105微控制器內(nèi)部集成2路獨(dú)立的CAN控制器，避免了總線節(jié)點(diǎn)擴(kuò)張而帶來(lái)的電磁干擾。如下圖2所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。多個(gè)測(cè)速主機(jī)可以分別掛載在雙CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上。

圖2 雙CAN總線網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用了雙CAN總線的控制器及總線的收發(fā)器，從底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層再到上層的應(yīng)用層，都能夠?qū)崿F(xiàn)冗余功能，作為整個(gè)測(cè)速主機(jī)的核心，雙CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分為主從結(jié)構(gòu)，其中一路為主CAN，另外一路為從CAN，在系統(tǒng)正常工作時(shí)，系統(tǒng)只有一路CAN控制器工作，另外一路處于備用狀態(tài)。當(dāng)主CAN故障失效時(shí)，備用的從CAN將接管主CAN的工作。整個(gè)系統(tǒng)的冗余性能得到較大的提升，當(dāng)主CAN的負(fù)載較大且傳輸數(shù)據(jù)量較大時(shí)，兩路CAN可以一起工作，這樣也提高了整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載能力，可靠性大大提高。

3 通信模式

該協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)為主/從式網(wǎng)絡(luò)，通信并不能隨即發(fā)起，建立連接后，主控設(shè)備必須按周期與從設(shè)備進(jìn)行通信，以維持建立的通信連接。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中由主CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)起，并向從站CAN設(shè)備發(fā)送命令幀，從站設(shè)備收到該數(shù)據(jù)幀后，要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)返回應(yīng)答幀，當(dāng)主站收到返回的應(yīng)答幀后，將會(huì)判斷返回的報(bào)文是否有錯(cuò)誤出現(xiàn)，則從CAN設(shè)備的應(yīng)答幀會(huì)有一個(gè)異常功能碼用于提醒主站CAN控制器，并且將該CAN節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)刪除，且遠(yuǎn)程自動(dòng)復(fù)位，并啟動(dòng)從CAN節(jié)點(diǎn)的連接。

3.1 協(xié)議基本功能測(cè)試

因?yàn)樵搮f(xié)議的網(wǎng)絡(luò)為主/從式網(wǎng)絡(luò)，主控設(shè)備需和從控設(shè)備先建立一個(gè)連接，連接反應(yīng)正常后，主控設(shè)備再給從控設(shè)備發(fā)送相關(guān)的優(yōu)先級(jí)編碼、源節(jié)點(diǎn)編碼、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址編碼和功能碼，來(lái)控制相關(guān)的從控設(shè)備的相關(guān)工作。在CANPro分析平臺(tái)中，制定相關(guān)的CAN應(yīng)用層協(xié)議，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連接無(wú)誤后，給priority發(fā)送0x02的編碼（進(jìn)行數(shù)字量的采集傳輸）、SrcMACID發(fā)送0x08的編碼，DestMACID發(fā)送0x08的地址編碼（對(duì)應(yīng)相關(guān)的從控設(shè)備），功能碼為0x01（用于節(jié)點(diǎn)主CAN建立通信）。在CANPro協(xié)議軟件的接收數(shù)據(jù)如3所示。

圖3 協(xié)議基本功能測(cè)試

3.2 dual can bus功能驗(yàn)證

雙CAN網(wǎng)絡(luò)的功能驗(yàn)證是符合故障導(dǎo)向安全EN50159規(guī)范的，導(dǎo)向原則就是在硬件或軟件故障時(shí)，能讓系統(tǒng)從不穩(wěn)定不安全的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到相對(duì)穩(wěn)定的情況。當(dāng)系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒊霈F(xiàn)丟包、協(xié)議不穩(wěn)、報(bào)文重復(fù)或丟失，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)能夠識(shí)別出此類危險(xiǎn)，并采取強(qiáng)制的措施讓其他故障節(jié)點(diǎn)盡快恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。

在本網(wǎng)絡(luò)測(cè)試中，以CAN1節(jié)點(diǎn)故障為例，當(dāng)給測(cè)速主機(jī)的發(fā)送相關(guān)報(bào)文時(shí)，CAN1節(jié)點(diǎn)因?yàn)槌霈F(xiàn)故障，不能完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文通信，因此按照此前的協(xié)議，首先要?jiǎng)h除該主機(jī)的主CAN連接，然后進(jìn)行設(shè)備復(fù)位，如圖4所示。

在圖4中，可以看到當(dāng)建立主CAN節(jié)點(diǎn)通信的時(shí)候，狀態(tài)信息為Failed,說(shuō)明該測(cè)速主機(jī)的主CAN節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，不能正常的工作。因此在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)發(fā)送不變的情況下，更改相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)，改變要發(fā)送相應(yīng)的功能碼，將優(yōu)先級(jí)改為0，優(yōu)先級(jí)最高（此時(shí)出現(xiàn)設(shè)備故障）來(lái)操作主機(jī)從故障向安全轉(zhuǎn)換。首先要?jiǎng)h除該主CAN故障節(jié)點(diǎn)，因此發(fā)送功能碼0x02，從圖7中可以看到狀態(tài)標(biāo)志位是Success,說(shuō)明主CAN刪除成功。然后需要重新復(fù)位該主機(jī)，發(fā)送功能碼0x03,狀態(tài)標(biāo)識(shí)位是Success，故該測(cè)速主機(jī)復(fù)位成功。然后再CANPro軟件中將CAN節(jié)點(diǎn)切換到CAN2中，發(fā)送相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)、源節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和功能碼。相應(yīng)的功能碼為0x04（建立從CAN的連接）。從CAN節(jié)點(diǎn)能夠完成主機(jī)測(cè)速信息的報(bào)文傳輸，將主CAN故障轉(zhuǎn)向安全側(cè)，利用從CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行正常的工作。

圖4 主CAN故障轉(zhuǎn)向安全

圖5 從CAN節(jié)點(diǎn)建立連接并正常工作

4 結(jié)論

結(jié)合編組站的模擬信號(hào)傳輸容易受到干擾的研究背景，本文作者提出了數(shù)字化信息傳輸?shù)难芯浚秒pCAN網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)，測(cè)速主機(jī)選用STM32F105為控制器的核心，本文主要針對(duì)CAN總線應(yīng)用層做出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，該協(xié)議的特點(diǎn)如下：針對(duì)應(yīng)用層設(shè)計(jì)了相應(yīng)的功能碼、標(biāo)識(shí)碼，使得信息的傳輸更加靈活。雙CAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠讓系統(tǒng)更加穩(wěn)定，故障導(dǎo)向安全的功能也讓系統(tǒng)的冗余性、可靠性、安全性更高利用CAN總線作為數(shù)字信息傳輸?shù)妮d體，相比于模擬量，受電磁干擾的能力會(huì)更好