磁懸浮列車運(yùn)行信號監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：結(jié)合ＣＡＮ總線的特點(diǎn)和列車這個特定的環(huán)境，對磁懸浮列車運(yùn)行信號監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)以及多臺監(jiān)測儀之間的通訊進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：磁懸浮列車 運(yùn)行監(jiān)測儀 ＣＡＮ總線

一種面向未來的新型高速地表運(yùn)輸系統(tǒng)—磁浮列車正以其獨(dú)特而神奇的魅力吸引著越來越多的關(guān)注目光。磁浮列車?yán)么帕Φ窒厍蛞Γ管圀w脫離軌道而懸浮在空中，并利用直線電機(jī)進(jìn)行推進(jìn)，因此它具有快捷、安全、舒適、低噪聲、無摩擦、無磨損、無污染的特點(diǎn)。磁懸浮列車外觀圖如圖１所示。

對于交通運(yùn)輸系統(tǒng)，安全可靠是第一要素，磁浮列車也不例外。為了使車輛安全運(yùn)營，在磁浮列車上采用了列車運(yùn)行信號監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)對車輛的運(yùn)行位置、速度、運(yùn)行方向、加減速度的實時檢測，對司機(jī)的操作進(jìn)行監(jiān)測，對運(yùn)行的故障和操作的錯誤進(jìn)行記錄，對運(yùn)行的故障信息進(jìn)行分級報警。本文正是以磁浮列車運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)為對象進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)主要功能和要求

列車運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)主要功能和要求如下：

（１）通過對磁浮列車的實時速度、到站距離、運(yùn)行方向、車門位置、駕駛臺操作的命令（如加減速、剎車、緊急制動等）進(jìn)行自動監(jiān)測，并根據(jù)運(yùn)行的位置提示列車的最高限速，同時記錄運(yùn)行過程中的報警信息，從而實現(xiàn)磁浮列車的安全運(yùn)行。

（２）通過安裝在首、尾車的兩套同樣系統(tǒng)對車輛運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測，使系統(tǒng)在關(guān)鍵信息的采集上，具有一定的冗余性。

（３）對車輛運(yùn)行過程中駕駛員發(fā)出的關(guān)鍵操作命令以及車輛故障信息進(jìn)行記錄，即使掉電也不能夠丟失，便于提高駕駛員的崗位責(zé)任心。

考慮到測速傳感器—電感式接近開關(guān)安裝在車廂底板下，且離軌枕只有５ｃｍ，傳感器要加防撞措施，并且要適應(yīng)室外的－２５℃～＋５０℃的環(huán)境溫度。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

列車運(yùn)行信號監(jiān)測系統(tǒng)主要由三臺運(yùn)行監(jiān)測儀和兩臺操作顯示計算機(jī)組成，組成框圖如圖２所示。首、尾車的運(yùn)行監(jiān)測儀主要完成上述（１）、（２）、（３）功能，中間車主要完成上述（１）、（２）功能，為便于工程化，三個運(yùn)行監(jiān)測儀在硬件上是相同的，并且互為備份，兩臺操作顯示計算機(jī)都接收這三個運(yùn)行監(jiān)測儀數(shù)據(jù)，通過三選二的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和記錄。對于這三個連續(xù)不斷的檢測通道，任何一個通道故障都是可容忍的，只有在系統(tǒng)兩個通道同時出現(xiàn)故障的情況下，才會在下一個停車點(diǎn)停車檢修。

該系統(tǒng)主要由列車運(yùn)行監(jiān)測單片機(jī)和外接的速度傳感器組成。列車運(yùn)行監(jiān)測儀以單片計算機(jī)為主ＣＰＵ，以高亮數(shù)碼管為顯示單元，采用觸摸鍵進(jìn)行輸入，速度傳感器及駕駛員操作經(jīng)過光隔后進(jìn)入該監(jiān)測儀，監(jiān)測儀在首、尾及中間車各有一套速度傳感器，且相互獨(dú)立，監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)框圖如圖３所示。從圖３可知，監(jiān)測儀有八路開關(guān)量輸入口、兩路模擬量輸入口和一個ＣＡＮ通訊接口，此外監(jiān)測儀留有四路開關(guān)量輸出口，通過組合編碼向外輸出報警信號。

操作顯示計算機(jī)面板布置如圖４所示。在面板上各用３位數(shù)碼管顯示“車速”和“限速”，用４位數(shù)碼管顯示“到站距離”（單位為米），用３位數(shù)碼管顯示“本次運(yùn)行時間”。通過發(fā)光二極管（８）以閃爍方式顯示報警內(nèi)容（如急剎、超速、速度過低、快到站了），或通過發(fā)光二極管（８）以亮和不亮方式顯示目前車輛運(yùn)行狀況（如加速、減速、制動、正向或反向運(yùn)行）。通過按鍵在第二行數(shù)碼管顯示本車運(yùn)行的總里程，對標(biāo)按鍵主要是給“到站距離”這個變量賦初值。

上述五臺單片機(jī)之間通過ＣＡＮ總線互相連接。

3 ＣＡＮ總線

控制器局域網(wǎng)（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＣＡＮ）是一種有效支持分布式監(jiān)控或?qū)崟r控制的串行通信現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò) 且無主、從機(jī)之分；ＣＡＮ可以用點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播幾種方式傳送和接收數(shù)據(jù)；ＣＡＮ直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)１０ｋｍ傳輸率為５ｋｂｐｓ，通訊速率最高可達(dá)１Ｍｂｐｓ傳輸距離為４０ｍ；ＣＡＮ總線上節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)１１０個。ＣＡＮ的媒體訪問采用多主隨機(jī)發(fā)送協(xié)議，實現(xiàn)了無沖突的媒體訪問協(xié)議（載波偵聽多路訪問／沖突避免）。ＣＡＮ具有實時性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在道路運(yùn)輸工具以外的領(lǐng)域，如機(jī)器人、工業(yè)自動化、醫(yī)療儀器、自動測試系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。用戶在開發(fā)帶ＣＡＮ總線的微機(jī)系統(tǒng)時，可不必過多了解ＣＡＮ的兩個協(xié)議，只要完成ＣＡＮ通信控制器初始化即可進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

結(jié)合ＣＡＮ總線的特點(diǎn)和列車這個特定的環(huán)境，在本列車運(yùn)行信號監(jiān)測系統(tǒng)中，ＣＡＮ總線是用作通信子網(wǎng)。主要是充分利用ＣＡＮ總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面，尤其是在數(shù)據(jù)通信的可靠性、數(shù)據(jù)通信實時性以及數(shù)據(jù)通信的靈活性方面的優(yōu)勢，從而大量減少司機(jī)臺的控制信號線，使司機(jī)臺設(shè)計更簡單、合理。本文主要結(jié)合通訊可靠性介紹ＣＡＮ通訊“死機(jī)”時的處理方法。

ＣＡＮ總線協(xié)議通過兩層機(jī)制來保證總線數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。第一層是從總線角度考慮的。ＣＡＮ協(xié)議根據(jù)每個節(jié)點(diǎn)的出錯情況，將節(jié)點(diǎn)分為三種類型并為每種類型定義了相應(yīng)的總線行為。這些總線行為對總線的影響是不同的。出錯特別嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)會自動退出總線，不再參與總線活動。第二層是從單個節(jié)點(diǎn)角度考慮的。ＣＡＮ控制器從硬件上提供了對自身出錯情況的監(jiān)視。錯誤捕捉寄存器提供了最近一次錯誤的種類和位置信息。發(fā)送錯誤寄存器和接收錯誤寄存器保存了發(fā)送或接收過程中發(fā)生的錯誤次數(shù)。錯誤報警極限寄存器設(shè)定發(fā)出報警信號時的錯誤次數(shù)。

ＣＡＮ總線的“死機(jī)”問題，即部分ＣＡＮ節(jié)點(diǎn)由于出錯嚴(yán)重自動退出總線而引起的采集數(shù)據(jù)丟失情況。解決這個問題，需要保證ＣＡＮ節(jié)點(diǎn)不長久脫離總線。首先，ＣＡＮ節(jié)點(diǎn)在收到錯誤報警信號時，一方面要進(jìn)行錯誤診斷，另一方面要將出錯情況通過總線通知監(jiān)測總線的上位計算機(jī)；ＣＡＮ節(jié)點(diǎn)在收到總線錯誤信號時，進(jìn)行完錯誤處理后要清除復(fù)位狀態(tài)位。其次，監(jiān)測總線的上位計算機(jī)要實時記錄各個節(jié)點(diǎn)的狀況，能夠引入外部干預(yù)。對于單個節(jié)點(diǎn)來說，由于硬件損壞引起的脫離總線是無法自我修復(fù)的，必須增加冗余的通訊線路和ＣＡＮ接口。

我們曾在ＣＡＮ總線的防“死機(jī)”方面作過多次實驗。比如，用導(dǎo)線短接ＣＡＮ總線。研究發(fā)現(xiàn)，通過在程序中加入ＣＡＮ控制器的狀態(tài)檢測處理指令，可顯著提高ＣＡＮ系統(tǒng)的抗干擾性。指令如下：

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

注：ＳＲ＿ＣＡＮ 狀態(tài)寄存器；

ＭＯＤ＿ＣＡＮ 工作模式寄存器。

4 磁浮車測速、定位與鑒向

常規(guī)列車是靠運(yùn)動的車輪來測速的。由于磁懸浮列車是浮在軌道之上的，列車與軌道之間無接觸，所以測速不能用常規(guī)辦法進(jìn)行?？紤]磁懸浮列車線路上的枕是鋼材料，每隔１.２米安裝，為了測得列車的車速，可以通過檢測單位時間內(nèi)通過的枕木數(shù)，檢測用的傳感器只要能檢測有無枕木，即采用接近開關(guān)就可測出。接近開關(guān)有光電的、超聲波的、電磁的，由于枕木是安裝在野外，所以檢測枕木所用傳感器必須具有響應(yīng)速度快、工作溫度范圍寬、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，所以在綜合性能上電磁式接近開關(guān)較好。

接近開關(guān)輸出的信號是開關(guān)信號，比如高電平表示檢測到對象，低電平表示沒有檢測到對象，這樣難免會受到一些干擾。干擾主要表現(xiàn)為尖峰，這些尖峰會影響測速的精度，還會引起速度的跳變，所以在測速時要盡量排除這些干擾。首先對開關(guān)輸出信號進(jìn)行預(yù)處理，包括高頻濾波、整形、隔離，經(jīng)過處理后的信號再進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行軟件濾波，可消除干擾的影響。

檢測單位時間內(nèi)通過的枕木數(shù)的測速方法在列車行駛速度較慢時會響應(yīng)很慢，用測頻方法測速，就可以提高速度檢測的實時性和準(zhǔn)確性。測量通過兩枕木之間的時間Ｔ，則Ｖ＝１．２×１／Ｔ（米／秒）。為了測得列車的行駛方向，在列車上一前一后安裝兩個接近開關(guān)，通過鑒相的方法可以判別列車的行駛方向，如圖５所示。列車正向行駛時，Ｂ滯后Ａ ９０度，即ｔ／Ｔ＝１／４，兩個傳感器的波形如圖６所示；列車反向行駛時，Ｂ滯后Ａ ２７０度，即ｔ／Ｔ＝３／４。因此可由ｔ／Ｔ的比值判別列車的行駛方向。

5 電源電壓檢測及掉電數(shù)據(jù)保護(hù)

為了保存列車運(yùn)行的歷史記錄（如列車運(yùn)行的總里程數(shù)、發(fā)生故障的總數(shù)等），采用一片非易失性存儲器２４Ｃ０２。２４Ｃ０２數(shù)據(jù)接口采用二總線制結(jié)構(gòu)，容量為５１２字節(jié)，寫入的次數(shù)為１０萬次。由于寫入的次數(shù)有限，就必須減少寫的次數(shù)，為此采取了只在關(guān)機(jī)或掉電的時候才保存數(shù)據(jù)的思路。在關(guān)機(jī)的時候，由于電容效應(yīng)，電源電壓不會立即降為零，保證單片機(jī)工作一段時間，所以，只要能檢測到電源電壓在下落，單片機(jī)立刻把數(shù)據(jù)寫入２４Ｃ０２中。電源電壓檢測電路由一個二極管和一只大電容組成，當(dāng)?shù)綦姇r大電容上充的電可以保證單片機(jī)和２４Ｃ０２工作幾十毫秒，完成數(shù)據(jù)保存功能。

在我校磁懸浮列車試驗線上，對上述方案進(jìn)行了車載實驗。實驗表明本文提出的利用接近開關(guān)進(jìn)行車輛測速、定位和鑒向可以滿足磁懸浮列車的運(yùn)行要求，運(yùn)行信號監(jiān)測儀設(shè)計合理，ＣＡＮ總線采用退出總線情況下的復(fù)位處理后，可保證通訊的可靠性。