CN112383457A - 一种基于CANopen协议的安全从站系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于CANopen协议的安全从站系统，应用于有轨电车道岔控制系统中，从站系统包括：从站初始化模块，用于初始化底层硬件模块、定时器、对象字典以及自身的CANopen状态机；CAN中断服务处理模块，用于CAN控制器数据的接收处理；从站安全数据发送处理模块，用于给待发送数据增加安全层协议，并发送给CAN总线其它节点；从站安全数据接收处理模块，用于对接收的数据进行安全校验以及宽恕处理；从站非安全数据处理模块，用于非安全数据的接收和发送处理；自检模块，用于对CPU、内存、时钟和电压硬件进行周期性自检。与现有技术相比，本发明具有标准化程度高、安全可靠等优点。

Description

一种基于CANopen协议的安全从站系统
技术领域
本发明涉及有轨电车道岔控制系统领域，尤其是涉及一种基于CANopen协议的安全从站系统。
背景技术
现代有轨电车道岔控制系统由通信子系统、逻辑处理子系统以及IO执行子系统组成，子系统之间通过冗余的CAN总线进行数据交互。其中，通信子系统主要负责整个系统对外的网络通信，包括安全通信和非安全通信；逻辑处理子系统主要负责系统逻辑运算处理，包括根据已有的条件生成驱动命令，并通过IO执行子系统对外围设备进行控制，以及对IO执行子系统采集的外围设备状态进行处理等；IO执行子系统主要负责驱动外围设备以及采集外围设备的状态。针对不同的有轨电车站场，外围设备类型和设备数量可能不同，所以IO子系统中IO执行单元的类型以及数量也可能不同；同时，现代有轨电车道岔控制系统属于安全产品，IO执行单元必须达到SIL4安全等级要求。
因此，在现代有轨电车道岔控制系统中，如何设计一种标准化程度高、安全可靠的从站供IO子系统各IO执行单元进行复用，是一项亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于CANopen协议的安全从站系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于CANopen协议的安全从站系统，应用于有轨电车道岔控制系统中，所述的从站系统包括从站初始化模块、CAN中断服务处理模块、从站安全数据发送处理模块、从站安全数据接收处理模块、从站非安全数据处理模块和自检模块；
所述的从站初始化模块，用于初始化底层硬件模块、定时器、对象字典以及自身的CANopen状态机；
所述的CAN中断服务处理模块，用于CAN控制器数据的接收处理；
所述的从站安全数据发送处理模块，用于给待发送数据增加安全层协议，并发送给CAN总线其它节点；
所述的从站安全数据接收处理模块，用于对接收的数据进行安全校验以及宽恕处理；
所述的从站非安全数据处理模块，用于非安全数据的接收和发送处理；
所述的自检模块，用于对CPU、内存、时钟和电压硬件进行周期性自检。
优选地，所述的从站初始化模块的工作流程具体包括：
步骤1.1：初始化CAN 2.0B硬件；
步骤1.2：初始化定时器；
步骤1.3：初始化SDO通信参数；
步骤1.4：初始化PDO通信参数；
步骤1.5：初始化对象字典；
步骤1.6：初始化安全消息队列；
步骤1.7：初始化非安全消息队列。
优选地，所述的CAN中断服务处理模块用于CAN控制器数据的接收处理，包括CANopen通信对象的过滤、分类，以及与主节点的时间同步。
优选地，所述的CAN中断服务处理模块的工作流程具体包括：
步骤2.1：从硬件缓冲区中读取接收到的数据帧；
步骤2.2：判断数据帧是否为标准帧，若是标准帧，执行步骤2.3；否则丢弃数据帧，清中断，并退出中断处理；
步骤2.3：判断数据帧的目标节点是否为本节点，若是本节点，执行步骤2.4；否则丢弃数据帧，清中断，并退出中断处理；
步骤2.4：清中断；
步骤2.5：判断数据帧是否为PDO通信对象，若是PDO通信对象，执行步骤2.6，否则，执行步骤2.7；
步骤2.6：把数据帧放入“安全数据接收处理模块”的安全消息队列中，由安全数据接收处理模块进行进一步处理，并退出中断处理；
步骤2.7：把数据帧放入“非安全数据接收处理模块”的非安全消息队列中，由非安全数据接收处理模块进行进一步处理，并退出中断处理。
优选地，所述的从站安全数据发送处理模块的工作流程具体包括：
步骤3.1：从安全数据库中提取上个采集的安全数据，并计算其CRC32；
步骤3.2：获取本节点的安全时间戳SafetyTimeStamp、安全标识SafetyId、安全校核字SafetyCheckWord；
步骤3.3：按照如下公式计算PDO通信的校验码，标记为CRCM；
CRCM＝CRC32_Cal^SafetyTimeStamp^SafetyCheckWord^SafetyId
步骤3.4：把待发送的安全数据和CRCM打包成PDO通信对象，并调用CAN驱动发送接口发送PDO通信对象。
优选地，所述的从站安全数据接收处理模块的工作流程具体包括：
步骤4.1：在线计算PDO中安全数据的CRC32，标记为CRC32_Cal，用于校验PDO数据的完整性；
步骤4.2：获取本节点的安全时间戳，标记为SafetyTimeStamp，用于校验PDO数据的时效性；
步骤4.3：获取本节点的安全标识，标记为SafetyId，用于校验PDO数据的真实性；
步骤4.4：获取本节点的安全校核字，标记为SafetyCheckWord，用于校验PDO发送方的状态的正确性；
步骤4.5：按照如下公式在线计算PDO中安全数据的校验码，标记为CRCM_Cal；
CRCM_Cal＝CRC32_Cal^SafetyTimeStamp^SafetyCheckWord^SafetyId
步骤4.6：比较CRCM_Cal与PDO通信对象中CRCM的一致性，如果一致，执行步骤4.7；否则，执行步骤4.8；
步骤4.7：使用PDO中的数据驱动外围设备；
步骤4.8：对驱动命令进行宽恕处理，如果超过宽恕周期，则采用安全侧的驱动命令驱动外围设备，否则采用宽恕命令驱动外围设备。
优选地，所述的从站非安全数据处理模块的工作流程具体包括：
步骤5.1：每周期发送一次HeartBeat消息；
步骤5.2：收到NMT通信对象，则根据NMT命令设置本节点的CANopen状态；
步骤5.3：收到时间戳通信对象，则根据时间戳通信对象中的时间设置本地的时间戳，保持与主节点时间同步；
步骤5.4：收到SDO戳通信对象，则采用标准的段传输的方式进行数据交互。
优选地，所述的步骤5.1的周期为150ms。
优选地，所述的自检模块的工作流程具体包括：
步骤6.1：采用EN50129标准中定义的数据对CPU的指令集和寄存器进行检测，并记录检测结果；
步骤6.2：利用主站的时间戳校验本地的时钟，如果偏差小于2ms，则校验通过，否则校验失败，并记录校验结果；
步骤6.3：通过硬件电路对过压和欠压进行检测，如果发生过压或欠压现象，则复位CPU；
步骤6.4：对可变内存进行检测，并记录检测结果；
步骤6.5：在线计算不可变内存的CRC32，并与该内存区的离线CRC32进行一致性比较，并记录比较结果；
步骤6.6：对CAN总线进行检测，如果发生媒介故障或离线，则从站进入离线状态；
步骤6.7：对各个硬件的检测结果进行异或操作，生成系统校核字，并发送给主站进行校验。
优选地，所述的步骤6.4中对可变内存进行检测，采用IEC61508中定义的Abraham算法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、对硬件进行周期性的检查，确保从站运行环境的正确性；
2、安全数据和非安全数据分别采用独立的模块进行处理，实现了时间和空间上的隔离，可有效的防止非安全数据破坏安全数据；
3、安全数据通过安全协议进行防护，确保了传输过程的正确性。同时，宽恕机制提高了整个系统的可用性；
4、采用标准的CANopen协议作为应用层通信协议，开发成本少，便于维护与功能扩展。
附图说明
图1为本发明的从站系统应用于的有轨电车道岔控制系统结构示意图；
图2为本发明的从站初始化模块的软件流程图；
图3为本发明的CAN中断服务处理模块的软件流程图；
图4为本发明的从站安全数据发送处理模块的软件流程图；
图5为本发明的从站安全数据接收处理模块的软件流程图；
图6为本发明的自检模块的软件流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于CANopen协议的安全从站系统，应用于现代有轨电车道岔控制系统中，包括通信子系统、逻辑处理子系统以及IO执行子系统。
通信子系统由安全通信单元和非安全通信单元组成，安全通信单元负责与外部的安全通信设备进行通信，主要进行驱采数据交互；非安全通信单元负责与外部的非安全通信设备进行通信，主要进行系统维护数据交互。
逻辑处理子系统采用2乘2oo2架构，主要负责对外部设备的驱动命令进行加工处理，生成最终驱动命令，并通过系统总线发送给IO执行子系统；以及对来自IO执行子系统的采集数据和维护数据进行加工处理，将处理后的数据提交给通信子系统。
IO执行子系统主要负责按照逻辑处理子系统的命令驱动外围设备，以及采集外围设备的状态，并发送给逻辑处理子系统。
该从站系统包括从站初始化模块、CAN中断服务处理模块、从站安全数据发送处理模块、从站安全数据接收处理模块、从站非安全数据处理模块和自检模块，所述的从站初始化模块用于初始化底层CAN2.0B硬件模块、定时器、对象字典以及自身的CANopen状态机；所述的CAN中断服务处理模块，用于CAN控制器数据的接收处理；所述的从站安全数据发送处理模块，用于给待发送数据增加安全层协议，并发送给CAN总线其它节点；所述的从站安全数据接收处理模块，用于对接收的数据进行安全校验以及宽恕处理；所述的从站非安全数据处理模块，用于非安全数据的接收和发送处理；所述的自检模块用于对CPU、内存、时钟和电压硬件进行周期性自检。
如图2所示，所述的从站初始化模块的软件流程具体包括以下步骤：
步骤1.1：初始化CAN 2.0B硬件；
步骤1.2：初始化定时器；
步骤1.3：初始化SDO通信参数；
步骤1.4：初始化PDO通信参数；
步骤1.5：初始化对象字典；
步骤1.6：初始化安全消息队列；
步骤1.7：初始化非安全消息队列。
如图3所示，所述的CAN中断服务处理模块的软件流程具体包括以下步骤：
步骤2.1：从硬件缓冲区中读取接收到的数据帧；
步骤2.2：；判断数据帧是否为标准帧，若是标准帧，执行步骤2.3；否则丢弃数据帧，清中断，并退出中断处理；
步骤2.3：判断数据帧的目标节点是否为本节点，若是本节点，执行步骤2.4；否则丢弃数据帧，清中断，并退出中断处理；
步骤2.4：清中断；
步骤2.5：判断数据帧是否为PDO通信对象，若是PDO通信对象，执行步骤2.6，否则，执行步骤2.7；
步骤2.6：把数据帧放入“安全数据接收处理模块”的安全消息队列中，由安全数据接收处理模块进行进一步处理，并退出中断处理；
步骤2.7：把数据帧放入“非安全数据接收处理模块”的非安全消息队列中，由非安全数据接收处理模块进行进一步处理，并退出中断处理。
如图4所示，所述的从站安全数据发送处理模块软件流程具体包括以下步骤：
步骤3.1：从安全数据库中提取上个采集的安全数据，并计算其CRC32；
步骤3.2：获取本节点的安全时间戳(标记为SafetyTimeStamp)、安全标识(标记为SafetyId)、安全校核字(标记为SafetyCheckWord)；
步骤3.3：按照如下公式计算PDO通信的校验码,标记为CRCM；
CRCM＝CRC32_Cal^SafetyTimeStamp^SafetyCheckWord^SafetyId
步骤3.4：把待发送的安全数据和CRCM打包成PDO通信对象，并调用CAN驱动发送接口发送PDO通信对象。
如图5所示，所述的从站安全数据接收处理模块软件流程具体包括以下步骤：
步骤4.1：在线计算PDO中安全数据的CRC32，标记为CRC32_Cal，用于校验PDO数据的完整性；
步骤4.2：获取本节点的安全时间戳，标记为SafetyTimeStamp，用于校验PDO数据的时效性；
步骤4.3：获取本节点的安全标识，标记为SafetyId，用于校验PDO数据的真实性；
步骤4.4：获取本节点的安全校核字，标记为SafetyCheckWord，用于校验PDO发送方的状态的正确性；
步骤4.5：按照如下公式在线计算PDO中安全数据的校验码,标记为CRCM_Cal；
CRCM_Cal＝CRC32_Cal^SafetyTimeStamp^SafetyCheckWord^SafetyId
步骤4.6：比较CRCM_Cal与PDO通信对象中CRCM的一致性，如果一致，执行步骤4.7；否则，执行步骤4.8；
步骤4.7：使用PDO中的数据驱动外围设备；
步骤4.8：对驱动命令进行宽恕处理，如果超过宽恕周期，则采用安全侧的驱动命令驱动外围设备，否则采用宽恕命令驱动外围设备。
所述的从站非安全数据处理模块软件流程具体包括以下步骤：
步骤5.1：每周期(150ms)发送一次HeartBeat消息；
步骤5.2：收到NMT通信对象，则根据NMT命令设置本节点的CANopen状态；
步骤5.3：收到时间戳通信对象，则根据时间戳通信对象中的时间设置本地的时间戳，保持与主节点时间同步；
步骤5.4：收到SDO戳通信对象，则采用标准的段传输的方式进行数据交互。
如图6所示，所述的自检模块软件流程具体包括以下步骤：
步骤6.1：采用EN50129标准中定义的数据对CPU的指令集和寄存器进行检测，并记录检测结果；
步骤6.2：利用主站的时间戳校验本地的时钟，如果偏差小于2ms，则校验通过，否则校验失败，并记录校验结果；
步骤6.3：通过硬件电路对过压和欠压进行检测，如果发生过压或欠压现象，则复位CPU；
步骤6.4：采用IEC61508中定义的Abraham算法，对可变内存进行检测，并记录检测结果；
步骤6.5：在线计算不可变内存的CRC32，并与该内存区的离线CRC32进行一致性比较，并记录比较结果；
步骤6.6：对CAN总线进行检测，如果发生媒介故障或离线，则从站进入离线状态；
步骤6.7：对各个硬件的检测结果进行异或操作，生成系统校核字，并发送给主站进行校验。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于CANopen协议的安全从站系统，应用于有轨电车道岔控制系统中，其特征在于，所述的从站系统包括从站初始化模块、CAN中断服务处理模块、从站安全数据发送处理模块、从站安全数据接收处理模块、从站非安全数据处理模块和自检模块；
所述的从站初始化模块，用于初始化底层硬件模块、定时器、对象字典以及自身的CANopen状态机；
所述的CAN中断服务处理模块，用于CAN控制器数据的接收处理；
所述的从站安全数据发送处理模块，用于给待发送数据增加安全层协议，并发送给CAN总线其它节点；
所述的从站安全数据接收处理模块，用于对接收的数据进行安全校验以及宽恕处理；
所述的从站非安全数据处理模块，用于非安全数据的接收和发送处理；
所述的自检模块，用于对CPU、内存、时钟和电压硬件进行周期性自检。
2.根据权利要求1所述的一种基于CANopen协议的安全从站系统，其特征在于，所述的从站初始化模块的工作流程具体包括：
步骤1.1：初始化CAN 2.0B硬件；
步骤1.2：初始化定时器；
步骤1.3：初始化SDO通信参数；
步骤1.4：初始化PDO通信参数；
步骤1.5：初始化对象字典；
步骤1.6：初始化安全消息队列；
步骤1.7：初始化非安全消息队列。
3.根据权利要求1所述的一种基于CANopen协议的安全从站系统，其特征在于，所述的CAN中断服务处理模块用于CAN控制器数据的接收处理，包括CANopen通信对象的过滤、分类，以及与主节点的时间同步。
4.根据权利要求3所述的一种基于CANopen协议的安全从站系统，其特征在于，所述的CAN中断服务处理模块的工作流程具体包括：
步骤2.1：从硬件缓冲区中读取接收到的数据帧；
步骤2.2：判断数据帧是否为标准帧，若是标准帧，执行步骤2.3；否则丢弃数据帧，清中断，并退出中断处理；
步骤2.3：判断数据帧的目标节点是否为本节点，若是本节点，执行步骤2.4；否则丢弃数据帧，清中断，并退出中断处理；
步骤2.4：清中断；
步骤2.5：判断数据帧是否为PDO通信对象，若是PDO通信对象，执行步骤2.6，否则，执行步骤2.7；
步骤2.6：把数据帧放入“安全数据接收处理模块”的安全消息队列中，由安全数据接收处理模块进行进一步处理，并退出中断处理；
步骤2.7：把数据帧放入“非安全数据接收处理模块”的非安全消息队列中，由非安全数据接收处理模块进行进一步处理，并退出中断处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于CANopen协议的安全从站系统，其特征在于，所述的从站安全数据发送处理模块的工作流程具体包括：
步骤3.1：从安全数据库中提取上个采集的安全数据，并计算其CRC32；
步骤3.2：获取本节点的安全时间戳SafetyTimeStamp、安全标识SafetyId、安全校核字SafetyCheckWord；
步骤3.3：按照如下公式计算PDO通信的校验码，标记为CRCM；
CRCM＝CRC32_Cal^SafetyTimeStamp^SafetyCheckWord^SafetyId
步骤3.4：把待发送的安全数据和CRCM打包成PDO通信对象，并调用CAN驱动发送接口发送PDO通信对象。
6.根据权利要求1所述的一种基于CANopen协议的安全从站系统，其特征在于，所述的从站安全数据接收处理模块的工作流程具体包括：
步骤4.1：在线计算PDO中安全数据的CRC32，标记为CRC32_Cal，用于校验PDO数据的完整性；
步骤4.2：获取本节点的安全时间戳，标记为SafetyTimeStamp，用于校验PDO数据的时效性；
步骤4.3：获取本节点的安全标识，标记为SafetyId，用于校验PDO数据的真实性；
步骤4.4：获取本节点的安全校核字，标记为SafetyCheckWord，用于校验PDO发送方的状态的正确性；
步骤4.5：按照如下公式在线计算PDO中安全数据的校验码，标记为CRCM_Cal；
CRCM_Cal＝CRC32_Cal^SafetyTimeStamp^SafetyCheckWord^SafetyId
步骤4.6：比较CRCM_Cal与PDO通信对象中CRCM的一致性，如果一致，执行步骤4.7；否则，执行步骤4.8；
步骤4.7：使用PDO中的数据驱动外围设备；
步骤4.8：对驱动命令进行宽恕处理，如果超过宽恕周期，则采用安全侧的驱动命令驱动外围设备，否则采用宽恕命令驱动外围设备。
7.根据权利要求1所述的一种基于CANopen协议的安全从站系统，其特征在于，所述的从站非安全数据处理模块的工作流程具体包括：
步骤5.1：每周期发送一次HeartBeat消息；
步骤5.2：收到NMT通信对象，则根据NMT命令设置本节点的CANopen状态；
步骤5.3：收到时间戳通信对象，则根据时间戳通信对象中的时间设置本地的时间戳，保持与主节点时间同步；
步骤5.4：收到SDO戳通信对象，则采用标准的段传输的方式进行数据交互。
8.根据权利要求7所述的一种基于CANopen协议的安全从站系统，其特征在于，所述的步骤5.1的周期为150ms。
9.根据权利要求1所述的一种基于CANopen协议的安全从站系统，其特征在于，所述的自检模块的工作流程具体包括：
步骤6.1：采用EN50129标准中定义的数据对CPU的指令集和寄存器进行检测，并记录检测结果；
步骤6.2：利用主站的时间戳校验本地的时钟，如果偏差小于2ms，则校验通过，否则校验失败，并记录校验结果；
步骤6.3：通过硬件电路对过压和欠压进行检测，如果发生过压或欠压现象，则复位CPU；
步骤6.4：对可变内存进行检测，并记录检测结果；
步骤6.5：在线计算不可变内存的CRC32，并与该内存区的离线CRC32进行一致性比较，并记录比较结果；
步骤6.6：对CAN总线进行检测，如果发生媒介故障或离线，则从站进入离线状态；
步骤6.7：对各个硬件的检测结果进行异或操作，生成系统校核字，并发送给主站进行校验。
10.根据权利要求1所述的一种基于CANopen协议的安全从站系统，其特征在于，所述的步骤6.4中对可变内存进行检测，采用IEC61508中定义的Abraham算法。
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