磁悬浮列车运行信号监测系统

    摘要：结合ＣＡＮ总线的特点和列车这个特定的环境，对磁悬浮列车运行信号监测系统的设计、实现以及多台监测仪之间的通讯进行了论述。

    关键词：磁悬浮列车  运行监测仪  ＣＡＮ总线

    一种面向未来的新型高速地表运输系统—磁浮列车正以其独特而神奇的魅力吸引着越来越多的关注目光。磁浮列车利用磁力抵消地球引力，使车体脱离轨道而悬浮在空中，并利用直线电机进行推进，因此它具有快捷、安全、舒适、低噪声、无摩擦、无磨损、无污染的特点。磁悬浮列车外观图如图１所示。

    对于交通运输系统，安全可靠是第一要素，磁浮列车也不例外。为了使车辆安全运营，在磁浮列车上采用了列车运行信号监测系统，以实现对车辆的运行位置、速度、运行方向、加减速度的实时检测，对司机的操作进行监测，对运行的故障和操作的错误进行记录，对运行的故障信息进行分级报警。本文正是以磁浮列车运行监测系统为对象进行研究。

1 系统主要功能和要求

    列车运行监测系统主要功能和要求如下：

    （１）通过对磁浮列车的实时速度、到站距离、运行方向、车门位置、驾驶台操作的命令（如加减速、刹车、紧急制动等）进行自动监测，并根据运行的位置提示列车的最高限速，同时记录运行过程中的报警信息，从而实现磁浮列车的安全运行。

    （２）通过安装在首、尾车的两套同样系统对车辆运行状况进行检测，使系统在关键信息的采集上，具有一定的冗余性。

    （３）对车辆运行过程中驾驶员发出的关键操作命令以及车辆故障信息进行记录，即使掉电也不能够丢失，便于提高驾驶员的岗位责任心。

    考虑到测速传感器—电感式接近开关安装在车厢底板下，且离轨枕只有５ｃｍ，传感器要加防撞措施，并且要适应室外的－２５℃～＋５０℃的环境温度。

2 系统总体设计

    列车运行信号监测系统主要由三台运行监测仪和两台操作显示计算机组成，组成框图如图２所示。首、尾车的运行监测仪主要完成上述（１）、（２）、（３）功能，中间车主要完成上述（１）、（２）功能，为便于工程化，三个运行监测仪在硬件上是相同的，并且互为备份，两台操作显示计算机都接收这三个运行监测仪数据，通过三选二的方法进行数据的显示和记录。对于这三个连续不断的检测通道，任何一个通道故障都是可容忍的，只有在系统两个通道同时出现故障的情况下，才会在下一个停车点停车检修。

    该系统主要由列车运行监测单片机和外接的速度传感器组成。列车运行监测仪以单片计算机为主ＣＰＵ，以高亮数码管为显示单元，采用触摸键进行输入，速度传感器及驾驶员操作经过光隔后进入该监测仪，监测仪在首、尾及中间车各有一套速度传感器，且相互独立，监测仪结构框图如图３所示。从图３可知，监测仪有八路开关量输入口、两路模拟量输入口和一个ＣＡＮ通讯接口，此外监测仪留有四路开关量输出口，通过组合编码向外输出报警信号。

    操作显示计算机面板布置如图４所示。在面板上各用３位数码管显示“车速”和“限速”，用４位数码管显示“到站距离”（单位为米），用３位数码管显示“本次运行时间”。通过发光二极管（８）以闪烁方式显示报警内容（如急刹、超速、速度过低、快到站了），或通过发光二极管（８）以亮和不亮方式显示目前车辆运行状况（如加速、减速、制动、正向或反向运行）。通过按键在第二行数码管显示本车运行的总里程，对标按键主要是给“到站距离”这个变量赋初值。

    上述五台单片机之间通过ＣＡＮ总线互相连接。

3 ＣＡＮ总线

    控制器局域网（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＣＡＮ）是一种有效支持分布式监控或实时控制的串行通信现场总线网络 且无主、从机之分；ＣＡＮ可以用点对点、一点对多点及全局广播几种方式传送和接收数据；ＣＡＮ直接通讯距离最远可达１０ｋｍ传输率为５ｋｂｐｓ，通讯速率最高可达１Ｍｂｐｓ传输距离为４０ｍ；ＣＡＮ总线上节点数可达１１０个。ＣＡＮ的媒体访问采用多主随机发送协议，实现了无冲突的媒体访问协议（载波侦听多路访问／冲突避免）。ＣＡＮ具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点，使其在道路运输工具以外的领域，如机器人、工业自动化、医疗仪器、自动测试系统等领域得到了广泛应用。用户在开发带ＣＡＮ总线的微机系统时，可不必过多了解ＣＡＮ的两个协议，只要完成ＣＡＮ通信控制器初始化即可进行数据通讯。

    结合ＣＡＮ总线的特点和列车这个特定的环境，在本列车运行信号监测系统中，ＣＡＮ总线是用作通信子网。主要是充分利用ＣＡＮ总线在数据采集系统方面，尤其是在数据通信的可靠性、数据通信实时性以及数据通信的灵活性方面的优势，从而大量减少司机台的控制信号线，使司机台设计更简单、合理。本文主要结合通讯可靠性介绍ＣＡＮ通讯“死机”时的处理方法。

    ＣＡＮ总线协议通过两层机制来保证总线数据的安全可靠传输。第一层是从总线角度考虑的。ＣＡＮ协议根据每个节点的出错情况，将节点分为三种类型并为每种类型定义了相应的总线行为。这些总线行为对总线的影响是不同的。出错特别严重的节点会自动退出总线，不再参与总线活动。第二层是从单个节点角度考虑的。ＣＡＮ控制器从硬件上提供了对自身出错情况的监视。错误捕捉寄存器提供了最近一次错误的种类和位置信息。发送错误寄存器和接收错误寄存器保存了发送或接收过程中发生的错误次数。错误报警极限寄存器设定发出报警信号时的错误次数。

    ＣＡＮ总线的“死机”问题，即部分ＣＡＮ节点由于出错严重自动退出总线而引起的采集数据丢失情况。解决这个问题，需要保证ＣＡＮ节点不长久脱离总线。首先，ＣＡＮ节点在收到错误报警信号时，一方面要进行错误诊断，另一方面要将出错情况通过总线通知监测总线的上位计算机；ＣＡＮ节点在收到总线错误信号时，进行完错误处理后要清除复位状态位。其次，监测总线的上位计算机要实时记录各个节点的状况，能够引入外部干预。对于单个节点来说，由于硬件损坏引起的脱离总线是无法自我修复的，必须增加冗余的通讯线路和ＣＡＮ接口。

    我们曾在ＣＡＮ总线的防“死机”方面作过多次实验。比如，用导线短接ＣＡＮ总线。研究发现，通过在程序中加入ＣＡＮ控制器的状态检测处理指令，可显著提高ＣＡＮ系统的抗干扰性。指令如下：

    ｗｈｉｌｅ（ＳＲ＿ＣＡＮ＆＆０ｘ８０）ＭＯＤ＿ＣＡＮ＝ＭＯＤ＿ＣＡＮ＆＆０Ｘｆｅ；

    注：ＳＲ＿ＣＡＮ 状态寄存器；

    ＭＯＤ＿ＣＡＮ 工作模式寄存器。

4 磁浮车测速、定位与鉴向

    常规列车是靠运动的车轮来测速的。由于磁悬浮列车是浮在轨道之上的，列车与轨道之间无接触，所以测速不能用常规办法进行。考虑磁悬浮列车线路上的枕是钢材料，每隔１.２米安装，为了测得列车的车速，可以通过检测单位时间内通过的枕木数，检测用的传感器只要能检测有无枕木，即采用接近开关就可测出。接近开关有光电的、超声波的、电磁的，由于枕木是安装在野外，所以检测枕木所用传感器必须具有响应速度快、工作温度范围宽、环境适应性好等特点，所以在综合性能上电磁式接近开关较好。

    接近开关输出的信号是开关信号，比如高电平表示检测到对象，低电平表示没有检测到对象，这样难免会受到一些干扰。干扰主要表现为尖峰，这些尖峰会影响测速的精度，还会引起速度的跳变，所以在测速时要尽量排除这些干扰。首先对开关输出信号进行预处理，包括高频滤波、整形、隔离，经过处理后的信号再进入单片机进行软件滤波，可消除干扰的影响。

    检测单位时间内通过的枕木数的测速方法在列车行驶速度较慢时会响应很慢，用测频方法测速，就可以提高速度检测的实时性和准确性。测量通过两枕木之间的时间Ｔ，则Ｖ＝１．２×１／Ｔ（米／秒）。为了测得列车的行驶方向，在列车上一前一后安装两个接近开关，通过鉴相的方法可以判别列车的行驶方向，如图５所示。列车正向行驶时，Ｂ滞后Ａ ９０度，即ｔ／Ｔ＝１／４，两个传感器的波形如图６所示；列车反向行驶时，Ｂ滞后Ａ ２７０度，即ｔ／Ｔ＝３／４。因此可由ｔ／Ｔ的比值判别列车的行驶方向。

5 电源电压检测及掉电数据保护

    为了保存列车运行的历史记录（如列车运行的总里程数、发生故障的总数等），采用一片非易失性存储器２４Ｃ０２。２４Ｃ０２数据接口采用二总线制结构，容量为５１２字节，写入的次数为１０万次。由于写入的次数有限，就必须减少写的次数，为此采取了只在关机或掉电的时候才保存数据的思路。在关机的时候，由于电容效应，电源电压不会立即降为零，保证单片机工作一段时间，所以，只要能检测到电源电压在下落，单片机立刻把数据写入２４Ｃ０２中。电源电压检测电路由一个二极管和一只大电容组成，当掉电时大电容上充的电可以保证单片机和２４Ｃ０２工作几十毫秒，完成数据保存功能。