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基于CAN总线的地铁月台幕门监控系统设计
Caiqi Hu 青岛农业大学机电工程系，266109
摘要
本文介绍了应用于地铁月台幕门监控系统的CAN总线的应用层通信协议和监控系统设计。本文中我们构建了地铁月台幕门监控系统的框架，挑选了应用于该地铁月台幕门监控系统的各个功能模块的硬件以及设计了上位机监控软件的平台。在以上工作的基础上，我们实现了地铁月台幕门监控系统的通信功能，并给出了为了实现通信功能而设计的具体流程图。该地铁月台幕门监控系统已在上海地铁线上进行了系统测试。结果证明了该月台监控系统完全符合行业标准，完全可以满足应用要求。实际证明该月台幕门监控系统的架构计划是有效的和可行的。
关键词：地铁月台幕门，CAN总线，设备监控
- 简介
地铁月台幕门是位于地铁站台边缘的设备，地铁月台幕门将列车运营区域与地铁站公共区域隔开，以用来保护乘客的安全。地铁月台幕门的监控系统是指根据安全等级要求的地铁月台幕门的各种操作信息通过某种形式的网络总线实时传输到系统监控中心，并且此月台幕门监控系统中的现场设备由监控中心实时监控。这是确保地铁安全运行的重要措施之一[1-3]。
目前，分布式控制模式主要应用于地铁月台幕门的监控系统中。随着技术的发展和应用要求的不断增加使分布式控制系统（DCS）渐渐地出现了一些缺点。例如，由于DCS开发板块并没有完全开放，所以不同制造商的分布式控制系统（DCS）产品是不可互换的，也是不可互连的，由于分布式控制系统（DCS）不可互换以及不可互连的特点就限制了用户对产品的选择空间。同时分布式控制系统（DCS）的分散控制模式还并没有完善，同时分布式控制系统（DCS）的可靠度并不高，且分布式控制系统（DCS）的成本高。由于上述分布式控制系统（DCS）多种问题的存在导致分布式控制系统（DCS）无法很好地满足客户的需求。随着CAN（控制器局域网）网络总线技术的发展，CAN（控制器局域网）具有很多优点，如CAN总线可以以多主方式工作，总线上任意节点均可在任意时刻主动地向总线上的其他节点发送信息，不分主从，而且无须占用地址等信息；CAN总线的长传输距离远，通信距离（无须中继）最远可达10km;传输速度快，抗干扰能力强，成本低，性能可靠性高，连接方便等，综上所述，地铁月台幕门监控系统的设计可以有更多的选择[4-7]。
本文基于CAN总线技术设计并发展完善了地铁月台幕门的监控系统。该地铁月台监控系统具有多领域的先进技术，包括控制技术，通信技术，应用于该地铁月台幕门监控系统的硬件电路设计和软件设计。所以该地铁月台幕门监控系统不仅具有监控功能，报警功能，控制功能，通信功能以及其他功能，同时该地铁月台监控系统也最大限度地满足高质量，高精度和高可靠性的要求。同时该地铁月台幕门监控系统的设计具有良好的可扩展性和极佳的性价比。
2.地铁月台监控系统的总体结构设计
2.1. 系统硬件设计
现场设备监控系统的设计通常由三部分组成：一是远程上位机监控管理平台，二是下位机智能节点模块，三是应用于上位机和下位机之间通信的网络通信协议和硬件设备。
在这个地铁月台幕门监控系统中，上位机主要由工业控制计算机组成，所以上位机具有很强的抗干扰能力，同时它也可以安全可靠地存储信息。该PCI总线和CAN通信卡应用于上位机和CAN总线之间的通信。因为从地铁月台幕门到控制室的距离超过500~1000m，每个地铁站一般有几十个地铁月台幕门，所以月台幕门和控制电脑之间的通信数据量非常大。就有了带有高速双端口内存的ZLG双PCI-5121 CAN卡在该监控系统中使用。这种带有高速双端口内存的ZLG双PCI-5121 CAN卡可以提高数据处理效率，并为用户提供库函数功能，使用户可以方便地控制和操作该带有高速双端口内存的ZLG双PCI-5121 CAN卡，并为用户在上位机软件和程序的设计过程中带来便利。
控制下位机的设计包括CAN控制芯片和MCU的微处理器之间的连接和CAN控制芯片与PC之间的连接。典型的智能节点结构是“MCU＆CAN控制器＆CAN驱动器”。在CAN控制芯片与PC之间的连接里面通常有光电隔离电路（利用光隔离器，将控制器与外部的驱动电路隔离开来，使得外部电路的变化不至于影响或者损坏控制系统），从而提高系统的可靠性，增强系统的抗干扰能力。PHILIPS P8XC591用于CAN控制器，它是一个带有CAN控制器的MCU微处理器。PHILIPS PCA82C250用于CAN驱动器，可满足长距离和低速数据传输（最长距离为10km，最低传输速度是5kbps）的要求。 系统结构图如图1所示。
图1.地铁月台幕门的监控系统结构图
2.2. 系统架构设计
根据系统功能模块的不同，地铁月台幕门监控系统主要由月台幕门控制计算机（PSC）和信号系统（SIG），设备监控系统，自动火灾报警系统（FAS）和接口通信时钟单元，平台端插座控制盒（PSL），面板报警系统（PSA），紧急控制面板（PEC），门控制单元（DCU）和声光门顶报警装置，本地控制箱等组成。在这篇论文里上位机是指月台幕门控制计算机（PSC），以及下位机是门控制单元（DCU），该地铁月台幕门监控系统之间的连接主要是基于CAN总线连接和硬线连接。
上位机发送命令或数据，这些命令或数据通过CAN通讯卡被传送到网络通信总线，上位机设置参数并监控门控制单元（DCU），并实时获取并处理从门控制单元（DCU）收集的数据。下位机根据发送到网络通信总线的命令或数据中的ID自身识别号码区分它们，下位机也接收与其相对应的命令或数据。用来发送数据或命令的节点成为公共主控计算机站。当多个门控制单元（DCU）同时发送命令或数据到主控计算机时，CAN网络通信总线就使用基于竞争的仲裁协议（当有多个节点同时向总线发送报文时，优先级低的节点会自动地放弃总线访问权，而高优先级的节点可不受影响的继续传输报文，从而大大节省了总线冲突时的仲裁时间，提高了系统的实时性。特别是在网络负荷很大的情况下也不会出现网络瘫痪的情况），该CAN总线的非破坏性总线仲裁协议只允许节点优先级最高的帧转入总线主机站。所以分散监控和集中管理都可以集成到分布式监控系统中。该地铁月台幕门监控系统的总体架构图如图2所示。
图2.系统的总体架构图
3.CAN总线通信协议的设计
3.1 CAN总线通信协议
到目前为止CAN总线是唯一具有国际标准的现场总线，它是一种串行通信网络总线（使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占用一个固定的时间长度，只需要少数几条线就可以在系统中交换信息。串行接口是一种可以将接受来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件。串口按位发送和接收字节，尽管比按字节的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接受数据。），既可支持分布式控制和又可支持实时控制。该CAN网络的设计只使用符合开放系统互连模型（0SI）的三层结构模型，这三层结构模型分别是物理层，数据链路层和应用层。CAN网络通信总线的工作方式是多主模式。该CAN网络通信总线的传输介质为双绞线，通信速度最快可达1MB / s，最长传输距离可达10km。该CAN通信协议最重要的的特点是用通信数据块编码取代传统的地址编码。根据通信数据块编码的模式，不同的节点可以同时接收相同的数据，而这个功能在分布式控制系统上非常有用。CAN总线上的节点信息可划分为不同的优先级，可以满足不同的实时要求。因此对于CAN总线，数据传输距离长，并且通信速度快，并且每个帧信息由CRC和其他测量错误的措施来进行校验。与其他的通信总线相比，CAN总线具有结构简单，性能稳定，抗干扰能力强，良好的可扩展性和开放性，低成本等优点。
3.2. 应用层通信协议的设计
CAN通信协议中有4种帧格式：数据帧，远程帧，出错帧和超载帧。其中数据帧和远程帧必须在CPU的控制下进行传输，并且当出现错误或过载时，框架会自动执行传输出错帧和过载帧。当用户想要建立一个实用的CAN总线通信网络，他必须制定具体的CAN总线应用层协议。因为在CAN总线应用层协议中并没有指定分配的信息标识符，用户可以根据不同的应用进而使用不同的方法进行编制CAN总线应用层协议。在基于CAN网络的通信系统中分配CAN网络的标识符是非常重要。在这个地铁月台幕门监控系统中门控制单元和上位机之间有很多不同的通信方式，同时各自的门控制单元（DCU）在此地铁月台幕门监控系统中具有许多不同类型的信息传输方式。根据不同传递的信息类型，相应级别的消息类型被分别分配，同时用于识别的信息也包含在当中。如果每 100ms从门控制单元（DCU）中读取一次数据，该地铁月台幕门监控系统的总线数据在高峰时间的传输速度每秒不会超过10K字节。根据该监控系统的传输内容和系统的数据流量，CAN 2.0B通信协议应用于该地铁月台幕门监控系统的设计。标准数据帧和短框架的格式被应用于该月台幕门监控系统中，每个数据帧的有效字节数为8，其中它们的在总线上的传输时间很短。当节点出现严重错误时，系统所具有的自动关闭功能会切断这个节点和总线之间的连接。所以其它节点以及它们与总线之间的通信不会受到其它节点出现错误的影响，这就保证了该地铁月台幕门监控系统具有很强的抗干扰能力和错误检测能力。CAN的标准帧格式如下所示表格1。
表1. CAN的标准帧格式
因为CAN通信协议本身就具有错误检测功能和校准功能，所以在本文制定CAN通信协议的过程中，对于错误检测机制我们不需考虑。如果将来由于CAN总线通信故障率太高而无法满足系统要求要求，数据域的每个传输数据单元部分中的字节空间保留部分用于达到错误检测的目的。换句话说，根据CAN总线通信协议，数据域的每一个传输数据单元可以传输不超过8个字节的数据。在这个CAN总线通信协议中的数据域每个传输数据的单元使用不超过7个字节的数据并至少保留1个字节的空间用于扩展错误检测的目的。
在本文制定的CAN应用层通信协议中，有一些关于应用仲裁字段和数据字段的标准帧格式制定了标识符的规则，并以此为基础节点应用于标识符的分配。格式说明如表2所示。标识符的低6字节用作身份标识，其中OX00标识符作为识别上位机的标识符; 其他用作识别门控制单元（DCU）的标识符，因此只有一个地铁站的地铁月台幕门监控系统可以识别63个地铁月台幕门。标识符的高5字节用作对信息类型来进行编号，因此一个地铁月台幕门可以响应32种不同类型的信息类型，数据域设置了不同的字节长度以及不同的信息类型。
表2. CAN协议标准框架中的标识符和DataField的形式
4.系统软件设计
4.1下位机软件设计
CAN控制器通过接收中断信号进而实时监控CAN总线的数据帧，并将数据发送到节点控制器，其中CAN控制器发送的数据主要是上位机发送到下位机的相关信息。具体程序通信步骤如图3所示。
图3.用于编制下位机软件的具体通信流程图
4.2. 上位机软件设计
在本文所介绍的研究中，在上位机监控系统软件中Windows操作平台被用作地铁月台幕门监控系统的操作平台，Delphi程序语言被用作该地铁月台幕门监控系统软件的开发。该地铁月台幕门监控系统采用功能模块来进行开发，功能模块具体包括系统初始化模块，信息采集模块和信息处理模块，远程控制模块，显示模块和打印趋势图模块，该地铁月台幕门监控系统还包括历史记录查询模块，图表显示和打印模块，趋势曲线和生成报告等等。
基于CAN总线通信技术的上位机监控系统，其本质上属于多主现场总线。但在此过程中，在该监控系统中上位机的节点被视为主控制节点，它既包含主从模式又包含多主模式，它是主从模式和多主模式的组合。在该地铁月台幕门监控系统中下位机仅在主控制节点发送请求时发送信息。该程序流程如图4所示。
图4.用于编制上位机监控软件具体通信流程图
在地铁月台幕门监控系统软件设计过程中，其中动态链接库和多线程应用技术分别来读取和处理下位机的数据信息。并且用来读取数据的线程和用来处理数据的线程之间共享数据信息。该监控系统软件设置并激活后，在该监控软件中用来读取数据的线程不断检查和判断是否有来自CAN卡的数据，如果有来自CAN卡的数据的话则用来读取数据的线程接收数据，并将其接受的数据放入接收队列中。该监控系统软件设置并激活后，用来处理数据的线程检查并判断是否有数据包等待处理，如果有等待处理的数据包的话，则用来处理数据的线程将读取和处理数据包。如果在此过程中并没有数据在接收队列中，则用来处理数据包的线程被阻塞，直到有数据包进入接收队列。该地铁月台幕门监控系统的主监控接口如图所示5如下。
图5.系统的主监控界面
4.3 . 测试验证
地铁月台幕门监控系统经过测试并在上海地铁运行3个月，该地铁月台幕门监控系统的运行故障率为0。结果证明了该由软硬件组成的地铁月台幕门监控系统完全可以满足行业要求标准，该监控系统并在保护乘客安全方面发挥重要作用。从而证明在实践中该地铁月台幕门监控系统的架构被证明是可行的。
5.总结
目前CAN总线技术已成为最受欢迎的现场总线之一，因为CAN总线具有通信速度快，性价比高以及网络建设灵活性高等优点。在本文中基于CAN总线技术来进行研发地铁月台幕门监控系统，并且把各个功能模块相集成，包括监控模块，报警模块，控制模块，显示模块，通讯模块等。在具体的实践测试中，证明该地铁月台幕门监控系统具有良好的稳定性，强大的抗干扰能力和良好的开放性，以及所设计的系统软件和系统硬件都具有良好的通用性。该监控系统也可以方便地实现与不同的应用程序来进行功能扩展。
参考文献
[1] Silei Hou, Xiangdong Gong. Design of greenhouse monitoring system ga
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资料编号：[1277]
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