CN109795467B

CN109795467B - 一种用于地铁车辆制动系统的can通信方法及装置

Info

Publication number: CN109795467B
Application number: CN201910189255.XA
Authority: CN
Inventors: 黄志武; 蒋富; 张晓勇; 武悦; 陈彬; 刘伟荣; 杨迎泽; 彭军; 李恒; 张瑞
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: CN109795467A

Abstract

本发明公开了一种用于地铁车辆制动系统的CAN通信方法及装置，其中装置包括双路CAN总线、若干个电制动通信单元和与电制动通信单元数量相同的驱动电路单元；方法为：从所有电制动通信单元中，取其中1个作为主节点电制动通信单元，其余均作为从节点电制动通信单元；主节点电制动通信单元，在主控周期内按顺序将所有轮询帧发送给所有从节点电制动通信单元；从节点电制动通信单元在接收到针对自身的轮询帧后，将与轮询帧相应的状态帧反馈给主节点电制动通信单元。本发明装置和方法，有效降低了CAN总线的占用率和通信负荷，从而增强了通信可靠性和地铁制动安全性。

Description

一种用于地铁车辆制动系统的CAN通信方法及装置

技术领域

本发明属于CAN通信领域，具体涉及一种用于地铁车辆制动系统的CAN通信方法及装置。

背景技术

随着铁路机车的日开数逐步增加，保障机车安全运行是重中之重的任务之一。虽然传统CAN总线通信装置可以实现基本的节点通信功能，但其设计过程中并没有考虑到实际地铁车辆制动节点之间的高通信负载率，也不能保证通信装置在机车这种强电磁干扰环境下依然能够正常工作。传统变换器也有保护措施，但其设计过程中并没有考虑到地铁制动系统通信节点的负荷要求，采用的是主动式通信方式，即各节点每隔一个通信周期(如20ms)主动将自身信息发送至CAN总线，其中主节点接收5个从节点的全部状态信息，5个从节点接收主节点的控制信息，这种通信方式的总线占用率较高，无法避免通信装置在各类突发情况(例如网络通塞、负荷过载)下的数据丢包和总线错误现象，这给地铁安全运行留下了隐患。

由于地铁制动系统在车辆运行时需实时保证CAN通信装置各部分工作稳定可靠，确保各个通信节点畅通，实时同步制动信息，因此有必要提出一种用于地铁车辆制动系统的可降低通信负载率的CAN通信装置及方法。

发明内容

为降低地铁电制动系统的节点通信负载率，提高CAN通信稳定性，本发明提供一种用于地铁车辆制动系统的CAN通信方法及装置。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于地铁车辆制动系统的CAN通信方法，包括：从所有电制动通信单元中，取其中1个作为主节点电制动通信单元，其余均作为从节点电制动通信单元；主节点电制动通信单元，在主控周期内按顺序将所有轮询帧发送给所有从节点电制动通信单元；其中，每个轮询帧均相应针对各自的从节点电制动通信单元；从节点电制动通信单元在接收到针对自已的轮询帧后，将与轮询帧相应的状态帧反馈给主节点电制动通信单元。

在该CAN通信方法中，每个从节点电制动通信单元，仅在接收到针对自己的轮询帧时，回复相应的状态帧，若接收的轮询帧不是针对自已时不作回应，避免了从节点电制动通信单元接收到任何轮询帧都要经CAN总线同时回复自身状态帧，而是有一定时间差，有效降低了CAN总线的占用率和通信负荷。

进一步地，每个从节点电制动通信单元包括若干个不同的状态帧；从节点电制动通信单元根据每个状态帧的重要程度和时序要求，对状态帧的反馈周期进行设置，且按状态帧的反馈周期将状态帧反馈给主节点电制动通信单元。

从节点电制动通信单元的反馈周期可以根据实不用状态帧的重要程度和时序要求进行设置，而不是主动式的固定最小周期，避免从节点电制动通信单元主动式地以固定最小周期频繁向CAN总线反馈状态帧，进一步降低CAN总线占用率和通信负载。

进一步地，反馈周期t_j的取值为16ms、32ms、64ms或128ms。

进一步地，从所有从节点电制动通信单元中，取其中1个作为备用主节点电制动通信单元；当所有从节点电制动通信单元在预设时长内未接收到当前的主节点电制动通信单元的轮询帧时，备用主节点电制动通信单元替换当前的主节点电制动通信单元，作为新的主节点电制动通信单元。

该方案通过选取从节点电制动通信单元作为备用切换，替代主节点电制动通信单元的硬件冗余功能提高了组网通信装置的可靠性，避免了主节点意外故障导致的整个网络瘫痪。

进一步地，所述主控周期为20ms，所述预设时长为1s。

本发明还提供一种用于地铁车辆制动系统的CAN通信装置，包括双路CAN总线、若干个电制动通信单元和与电制动通信单元数量相同的驱动电路单元；每个驱动电路单元分别与对应的1个电制动通信单元连接，且均与双路CAN总线连接。

进一步地，所述驱动电路单元包括隔离电路、CAN控制器和浪涌保护电路，所述电制动通信单元包括通信节点微控制器；所述隔离电路的两侧分别与通信节点微控制器和CAN控制器连接，所述CAN控制器还经所述浪涌保护电路与所述双路CAN总线连接。

在驱动电路单元设置隔离电路可实现高压电气隔离，浪涌保护电路可实现浪涌电流保护、电磁干扰防护等功能。

进一步地，所述地铁车辆制动系统采用电控空气制动系统。

进一步地，所述隔离电路包括第一光耦合器U19、第二光耦合器立U22、电阻R40、电阻R41、电阻R44、电容C41、电容C42、电容C44、电容C46，所述CAN控制器包括CAN总线接口芯片，所述浪涌保护电路包括保护电感芯片U21、电阻R42、电阻R43、电阻R45、电容C43、双路CAN总线保护芯片D4；

所述第一光耦合器U19的输出端与通信节点微控制器的接收端口连接，还通过上拉电阻R40接电源VCC，还通过电容C41接系统地；第一光耦合器U19的直流电源端接电源VCC，还通过电容C42接系统地；第一光耦合器U19的接地端接系统地，第一光耦合器U19的正极端Anode接电源+5VB3，负极端Cathode与CAN控制器的接收端连接；

所述第二光耦合器U22的输出端与CAN控制器的发送端连接，还通过上拉电阻R44接电源+5VB3，还通过电容C46接CAN地GNDB3；第二光耦合器U22的直流电源端接电源+5VB3，还通过电容C44接CAN地GNDB3；第二光耦合器U22的直流地端接CAN地GNDB3，第二光耦合器U22的正极端Anode接电源VCC，3脚负极端Cathode与通信节点微控制器的发送端连接；

所述CAN控制器的直流电源端VCC接电源+5VB3，直流地端GND接CAN地GNDB3；

所述保护电感芯片U21包括电感L1和电感L2；电感L1和电感L2的一端分别接CAN控制器的CANL端和CANH端；电感L1和电感L2的另一端分别与双路CAN总线保护芯片D4的端口PIN1和PIN2连接，还分别通过电阻R42和电阻R43均与电容C43连接，电容C43的另一端接CAN地GNDB3；电阻R45接CAN控制器的电阻端RS，双路CAN总线保护芯片D4的端口PIN3接CAN地GNDB3。

所述第一光耦合器U19和第二光耦合器U22的型号为6N137，所述CAN控制器的型号为82C250，所述双路CAN总线保护芯片D4的型号为NUP2105，所述保护电感芯片U21的型号为AT45B。

型号为6N137光耦合器能提供DC2500V电器隔离，型号为NUP2105的双路CAN总线保护芯片能提供ESD保护和总线错误保护。

有益效果

本发明的相对于现有技术的有益效果为：

1，每个从节点电制动通信单元，仅在接收到针对自己的轮询帧时，回复相应的状态帧，若接收的轮询帧不是针对自已时不作回应，避免了从节点电制动通信单元接收到任何轮询帧都要经CAN总线同时回复自身状态帧，而是有一定时间差，有效降低了CAN总线的占用率和通信负荷，从而增强了通信可靠性和地铁制动安全性。

2，从节点电制动通信单元的反馈周期可以根据实不用状态帧的重要程度和时序要求进行设置，而不是主动式的固定最小周期，避免从节点电制动通信单元主动式地以固定最小周期频繁向CAN总线反馈状态帧，进一步降低CAN总线占用率和通信负载。

3，通过选取从节点电制动通信单元作为备用切换，替代主节点电制动通信单元的硬件冗余功能提高了组网通信装置的可靠性，避免了主节点意外故障导致的整个网络瘫痪。

4，隔离电路可实现高压电气隔离，浪涌保护电路可实现浪涌电流保护、电磁干扰防护等功能，而且，双路CAN总线可避免在单路故障时另一路CAN总线仍能保证信息流通，避免导致的网络崩溃和通信失效。而在双路总线正常时，双路CAN信息可在微控制器内校验一致后保存其一并使用。

附图说明

图1为本发明所述的CAN通信装置结构示意图；

图2为本发明的隔离电路结构图，其中(a)为CAN发送隔离部分电路图，(b)为CAN接收隔离部分电路图；

图3为CAN控制器电路图；

图4为浪涌保护电路图；

图5为本发明所述的电气隔离测试示意图；

图6为本发明所述的CAN通信方法示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。

如图1所示，本实施例提供的用于地铁车辆制动系统的CAN通信装置，包括双路CAN总线、6个电制动通信单元和6个驱动电路单元；每个驱动电路单元分别与对应的1个电制动通信单元连接，且均与双路CAN总线连接；在所有电制动通信单元中，取第1个电制动通信单元作为主节点电制动通信单元，其余均为从节点电制动通信单元；在所有从节点电制动通信单元中，取第6个电制动通信单元作为备用主节点电制动通信单元。在本实施例中，地铁车辆制动系统具体为电控空气制动系统。

驱动电路单元包括隔离电路、CAN控制器和浪涌保护电路，电制动通信单元包括通信节点微控制器；隔离电路的两侧分别与通信节点微控制器和CAN控制器连接，CAN控制器还经浪涌保护电路与双路CAN总线连接。其中驱动电路单元的隔离电路、CAN控制器和浪涌保护电路，通过PCB布线连接。

如图2所示，隔离电路包括CAN发送隔离部分电路和CAN接收隔离部分电路。如图2(a)所示，CAN发送隔离部分电路包括第二光耦合器立U22、电阻R41、电阻R44、电容C44、电容C46。第二光耦合器U22的6脚输出端(集电极开路)与CAN控制器的发送端连接，还通过上拉电阻R44接电源+5VB3，还通过电容C46接CAN地GNDB3；第二光耦合器U22的8脚直流电源端接电源+5VB3，还通过电容C44接CAN地GNDB3；第二光耦合器U22的5脚直流地端接CAN地GNDB3，第二光耦合器U22的2脚正极端Anode接电源VCC，3脚负极端Cathode与通信节点微控制器的发送端连接。

如图2(b)所示，CAN接收隔离部分电路包括第一光耦合器U19、电阻R40、电容C41、电容C42。第一光耦合器U19的6脚输出端(集电极开路)与通信节点微控制器的接收端口连接，还通过上拉电阻R40接电源VCC，还通过电容C41接系统地；第一光耦合器U19的8脚直流电源端接电源VCC，还通过电容C42接系统地；第一光耦合器U19的5脚直流地端接系统地，第一光耦合器U19的2脚正极端Anode接电源+5VB3，3脚负极端Cathode与CAN控制器的接收端连接。其中，

如图3所示，CAN控制器的3脚直流电源端VCC接电源+5VB3，2脚直流地端GND接CAN地GNDB3；

如图4所示，浪涌保护电路包括保护电感芯片U21、电阻R42、电阻R43、电阻R45、电容C43、双路CAN总线保护芯片D4。保护电感芯片U21包括电感L1和电感L2；电感L1和电感L2的一端分别接CAN控制器的CANL端和CANH端；电感L1和电感L2的另一端分别与双路CAN总线保护芯片D4的端口PIN1和PIN2连接，还分别通过电阻R42和电阻R43均与电容C43连接，电容C43的另一端接CAN地GNDB3；电阻R45接CAN控制器的电阻端RS，双路CAN总线保护D4的PIN3脚接CAN地GNDB3。

在本实施例中，第一光耦合器U19和第二光耦合器U22的型号为6N137，CAN控制器的型号为82C250，双路CAN总线保护芯片D4的型号为NUP2105，芯片U21的型号为AT45B。

如图2所示，隔离电路采用两个光耦合器6N137能提供DC2500V电气隔离，即2脚阳极端Anode与8脚电源端分别采用相互独立且隔离的电源，且CAN控制器以及第一光耦合器U19和第二光耦合器U22中与CAN控制器的连接部分，均采用与电制动通信单元不同的CAN地GNDB3，使电制动通信单元的收发端信号不受CAN控制器端的高电压影响，实现高压电气隔离。如图5所示的驱动电路电气隔离测试示意图，在隔离电路的CAN网RXD端口(即图2(b)所示的第一光耦合器U1的3脚阴极端Cathode，或图3所示的CAN控制器的4脚发送端RXD)施加2000-2500V直流电压输入进行测试，隔离电路需能够隔离该电压，通信节点微控制器保持工作正常，不会受到损害。同时，如图4所示，双路CAN总线保护芯片NUP2105提供ESD保护和总线错误保护，实现浪涌电流保护、电磁干扰防护等功能。因此，本发明的CAN通信装置在外界出现强震动、强电磁干扰、高温等恶劣环境仍能可靠、稳定地工作。

本发明还提供一种用于地铁车辆制动系统的CAN通信方法，采用前述的用于地铁车辆制动系统的CAN通信装置，CAN通信方法具体为：

从所有电制动通信单元中，取其中1个作为主节点电制动通信单元，其余均作为从节点电制动通信单元；

主节点电制动通信单元，在主控周期内按顺序将所有轮询帧发送给所有从节点电制动通信单元；其中，每个轮询帧均相应针对各自的从节点电制动通信单元；其中，主控周期为保证电控空气制动和控制的性能要求，通常选择为20ms，允许的主控周期是指允许的最大主控周期。

从节点电制动通信单元在接收到针对自已的轮询帧r_j后，根据轮询帧获取相应的反馈周期，并按反馈周期将与轮询帧相应的状态帧反馈给主节点电制动通信单元。

每个从节点电制动通信单元包括若干个不同的状态帧；从节点电制动通信单元根据每个状态帧的重要程度和时序要求，对状态帧的反馈周期进行设置，且按状态帧的反馈周期将状态帧反馈给主节点电制动通信单元。其中，反馈周期可设置为16ms、32ms、64ms或128ms。

取所有从节点电制动通信单元中任意1个作为备用主节点电制动通信单元；当所有从节点电制动通信单元在预设时长内(本实施例设为1s)未接收到当前的主节点电制动通信单元的信号时，备用主节点电制动通信单元替换当前的主节点电制动通信单元，作为新的主节点电制动通信单元。

在本实施例中，CAN通信装置包括6个电制动通信单元，取第1个电制动通信单元作为主节点电制动通信单元，第2-6个作为从节点电制动通信单元，另外在这5个从节点电制动通信单元中，取第6个电制动通信单元作为备用主节点电制动通信单元。

在主节点电制动通信单元正常情况时，如图6所示，主节点电制动通信单元将4个轮询帧0x21、0x22、0x23、0x24，发送给所有5个从节点电制动通信单元，由于该4个轮询帧都是针对第2个电制动通信单元，因此只有第2个电制动通信单元回复分别与4个轮询帧相应的4个状态帧，其余4个从节点电制动通信单元均保持沉默。如此，每个从节点电制动通信单元，仅在接收到针对自己的轮询帧时，回复相应的状态帧，若接收的轮询帧不是针对自已时不作回应，避免了从节点电制动通信单元接收到任何轮询帧都要经CAN总线同时回复自身状态帧，而是有一定时间差，有效降低了CAN总线的占用率和通信负荷。

由于4个状态帧的重要程度和时序要求不同，以该4个状态帧为例：状态帧0x21最重要，主节点通信单元需要16ms接收一次；状态帧0x24时序要求最低，主节点通信单元需要128ms接收一次；类似地，主节点通信单元需要32ms接收一次状态帧0x22，需要64ms接收一次状态帧0x23。在双路CAN总线上所有状态帧不需要像传统主动式发送一样均以固定最小周期频繁发送到双路CAN总线，而是根据重要程度和时序要求进行灵活设置，进一步降低CAN总线占用率和通信负载。本实施例方案经实验测试，双路CAN总线的占用率可原来的50％降至30％以下。

当主节点电制动通信单元(即第1个电制动通信单元)出现故障时，各从节点电制动通信单元均接收不到主节点电制动通信单元的信号，此时备用主节点电制动通信单元(即第6个电制动通信单元)自动切换为主节点电制动通信单元，承担原主节点电制动通信单元(即第1个电制动通信单元)的功能，负责与上层控制器通信，其余从节点电制动通信单元(即第2、3、4、5个电制动通信单元)转换为接收新的主节点电制动通信单元(即第6个电制动通信单元)的轮询帧。通过选取从节点电制动通信单元作为备用切换，替代主节点电制动通信单元的硬件冗余功能提高了组网通信装置的可靠性，避免了主节点意外故障导致的整个网络瘫痪。

本发明的研发由国家自然科学基金项目61672539，61672537，61803394，61873353提供部分支持。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims

1.一种用于地铁车辆制动系统的CAN通信方法，其特征在于，包括：

从所有电制动通信单元中，取其中任意1个作为主节点电制动通信单元，其余均作为从节点电制动通信单元；

主节点电制动通信单元，在主控周期内按顺序将所有轮询帧发送给所有从节点电制动通信单元；其中，每个轮询帧均相应针对各自的从节点电制动通信单元；

从节点电制动通信单元在接收到针对自已的轮询帧后，将与轮询帧相应的状态帧反馈给主节点电制动通信单元；

每个从节点电制动通信单元包括若干个不同的状态帧；从节点电制动通信单元根据每个状态帧的重要程度和时序要求，对状态帧的反馈周期进行设置，且按状态帧的反馈周期将状态帧反馈给主节点电制动通信单元。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，反馈周期t_j的取值为16ms、32ms、64ms或128ms。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所有从节点电制动通信单元中，取其中任意1个作为备用主节点电制动通信单元；当所有从节点电制动通信单元在预设时长内未接收到当前的主节点电制动通信单元的轮询帧时，备用主节点电制动通信单元替换当前的主节点电制动通信单元，作为新的主节点电制动通信单元。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述主控周期为20ms，所述预设时长为1s。

5.一种应用权利要求1-4任一所述方法的CAN通信装置，其特征在于，包括双路CAN总线、若干个电制动通信单元和与电制动通信单元数量相同的驱动电路单元；每个驱动电路单元分别与对应的1个电制动通信单元连接，且每个驱动电路单元均与双路CAN总线连接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述驱动电路单元包括隔离电路、CAN控制器和浪涌保护电路，所述电制动通信单元包括通信节点微控制器；所述隔离电路的两侧分别与通信节点微控制器和CAN控制器连接，所述CAN控制器还经所述浪涌保护电路与所述双路CAN总线连接。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述地铁车辆制动系统采用电控空气制动系统。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述隔离电路包括第一光耦合器U19、第二光耦合器立U22、电阻R40、电阻R41、电阻R44、电容C41、电容C42、电容C44、电容C46，所述CAN控制器包括CAN总线接口芯片，所述浪涌保护电路包括保护电感芯片U21、电阻R42、电阻R43、电阻R45、电容C43、双路CAN总线保护芯片D4；

所述第二光耦合器U22的输出端与CAN控制器的发送端连接，还通过上拉电阻R44接电源+5VB3，还通过电容C46接CAN地GNDB3；第二光耦合器U22的直流电源端接电源+5VB3，还通过电容C44接CAN地GNDB3；第二光耦合器U22的直流地端接CAN地GNDB3，第二光耦合器U22的正极端Anode接电源VCC，负极端Cathode与通信节点微控制器的发送端连接；

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一光耦合器U19和第二光耦合器U22的型号为6N137，所述CAN控制器的型号为82C250，所述双路CAN总线保护芯片D4的型号为NUP2105，所述保护电感芯片U21的型号为AT45B。