1、5.1.2 CAN通信CAN MINI通讯部分5.2 CAN总线通讯模拟调试第五章 总结展望，不足，改进附录基于CAN总线的地铁屏蔽门系统设计摘 要 随着科技的飞速发展，屏蔽门系统变得越来越复杂，人们对屏蔽门系统通讯的要求不断提高，由于较之以往的通讯方式，更为及时，有效，CAN通讯成为最热门的通讯方式之一。文详细介绍了CAN总线技术，并通过设计将CAN总线技术应用在实际的屏蔽门系统中，提出了设计实验的初步方案；紧接着对设计方案进行硬软件的详细介绍，并进行SJA1000等各部分工作模式的详细介绍，为随后的设计CAN通讯实验进行预设和说明，做了充分准备工作；最后提出了具体的实验的方案，对硬件进行初
2、始化和测试，安装相应的软件，对单片机进行相应的软件的烧入，并通过实验验证完成在地铁屏蔽门背景下对CAN两节点通讯的模拟。关键词：CAN总线 屏蔽门 节点通讯 单片机The design of Platform Screen Door System based on CAN BusAbstractWith the development of technology, Platform Screen Door has been much more complex.Then people need better communication methods.Because of the validit
3、y,CAN becomes one of the most popular communition method.The paper will introduce CAN Bus Technology in detail,design the CAN Bus Technology used in the actual PSD system and presented the preliminary program design experiments.Not only the details of the hardware and software ,but also SJA1000 and
4、other detailed models are carried out.All above makes full preparations for default and description of subsequent CAN communication experiments. Finally the specific experimental program and test hardware are initialized,and the corresponding software are installed into the .And Metro Platform Scree
5、n Doors CAN simulated two-node communication are verified by experiments done in the context.Key Words:CAN Bus ; PSD;Two-node communication; single chip microcomputer.1.1课题研究的背景随着我国经济健康快速的发展，我国的地铁建设事业也正处在高速发展和不断完善的过程中。地铁所具有的方便、准时、快捷的特点，使其成为人们日常生活中重要的交通工具之一，在城市交通中扮演着越来越重要的角色。 目前，全国有30多座城市有意向建设城市轨道交通，
6、几乎所有的省会城市都有地铁建设计划。以上海市为例，上海拥有目前中国最发达的地铁系统，共有13条轨道交通线路，总通车里程达到300多公里。地铁屏蔽门系统是一种专用于地铁站台的防护性系统，在地铁站台边缘与顶部之间竖起一排屏蔽门（Platform Screen Door，简称PSD），通过屏蔽门的控制系统与驱动机构，实现地铁列车的车门与该系统屏蔽门中的活动门之间的同步操作。列车未到站时，屏蔽门关闭，将候车旅客与轨道隔离开；在列车到站以后，屏蔽门的活动门与列车车门同步打开，乘客可以通过活动门直接出入列车车厢，为候车旅客提供了绝对的安全保障。屏蔽门控制系统用于实现对地铁屏蔽门设备的精确控制与智能管理，是
7、一个复杂的分布参数控制系统，该系统集通讯、机械、电子和控制等科学于一体，对信息传递速率、同步性、系统可靠性和电磁兼容性等方面的要求十分严格。随着屏蔽门系统设备技术的日益成熟，它的优越性正逐渐地显现出来。概括起来地铁屏蔽门系统具有以下优点:（1）可以有效避免一些安全事故的发生，并且保证列车不会因人为因素而延误，提高了列车的进站速度，为确保列车班次的准确性提供了有利条件，从而大大提高了整个地铁运营系统的可靠性，并为将来地铁实现无人驾驶创造了条件；（2）减小了噪声以及活塞风对站台候车乘客的影响，降低了站台空气含尘量，改善了乘客候车环境，使城市形象得到提升；（3）屏蔽门系统安装在站台边缘，将站台公共区
8、与隧道轨行区完全屏蔽，减少站台区与轨行区之间冷热气流的交换，降低了环控系统的运营能耗；（4）屏蔽门的设置还可以减少地铁车站站台的值班人数，大大节约了地铁运营的人力成本。由此可见，为了减少能耗、降低运营费用、保证乘客候车安全、提高地铁服务水平和环境质量，在地铁线路上加装屏蔽门系统是非常必要的，因此屏蔽门系统的开发势在必行。1.2国内外屏蔽门系统的发展现状世界上最早的屏蔽门出现在20世纪60年代前苏联的列宁格勒（现圣彼得堡），当时一为了保证无侧站台的安全和观瞻，设计了一种利用区间隧道停车的车站，这就是地铁屏蔽门的雏形。1970年在法国里尔的全自动地铁的设计中为了保证自动行车的安全而装配了屏蔽门，1
9、951年，日本东京地铁南北线上安装了半封闭式的站台安全门，它是一种结构简单、高度较低的玻璃隔墙和活动门，主要是为了把轨道与乘客隔离开，在保证了站台候车乘客的安全的同时也能起到一定的降低噪音的作用。新加坡常年气候炎热，空调的运行费用在地铁运行成本中占了相当大的比重，为了减少空调的能源消耗，1987年新加坡的快铁交通一期和二期工程中首次采用了全封闭式的屏蔽门系统，这也是世界上最早的以节能为目的屏蔽门的地铁运行线路。屏蔽门的使用不仅保证了站台安全，而且带来了明显的节能效果（空调节能率达到了50%左右），其与站台内的建筑风格一致，整体感强，构筑了一个宁静、清新、现代的候车环境，给乘客留下了良好的印象。
10、随着社会不断前进，屏蔽门系统在地铁的应用近几年在世界各地得到迅猛发展。它的控制方式也是由最初的手动到简单线路再到复杂线路。现今，地铁屏蔽门系统已经发展到现场总线网络控制，走向了智能化、一体化、科学化。现场总线控制系统（FCS）是一个开放通信网络，也是一种全分布式控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备屏蔽门单元连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项集嵌入式系统、控制、计算机、数字通信、网络为一体的综合技术。这样的控制系统达到了屏蔽门的精确控制和使用性能的要求，可以无
11、人参与实现了智能管理控制。从目前地铁屏蔽门行业的实际情况来看，由于国外企业屏蔽门技术发展较早，使之在于国内企业的竞争中占据着先机和绝对的优势。国际上最早从事屏蔽门设计和制造的企业是英国的西屋（westhouse）公司， 该公司与瑞士卡巴（Kaba）公司、法国法维莱（Faiveley）公司和日本那博克（Nabco）公司一起，成为目前世界上最主要的4家屏蔽门生产厂家， 这四家公司所生产的屏蔽门产品约占国际屏蔽门市场总份额的90%。英国的西屋和法国法维莱作为屏蔽门与安全门业务的业界领导者，己经安装或正在安装超过一万多扇屏蔽门，这其中有的是完整配套的站台门体，有的是会同此类站台门体中所有关键的PSD核
12、心组件一同提供给客户。已经承建包括广州地铁一号线和五号线、天津滨海线、上海八号线和六号线、北京十号线等工程。日本纳博克株式会社于 1956 年研制出了日本第一台自动门，揭开了日本自动门生产的第一幕。四十多年来，一直以其领先的技术、优良的品质、一流的服务屹立于日本乃至世界自动门领域的最前列。纳博克自动门现年产量6.5万台，日本自动门市场占有率在50%以上，世界自动门占有率在25%以上。瑞士卡巴集团有超过145年的辉煌历史，被公认为全球安防行业和自动门领域中之领先企业，以提供高端优质产品而著称，业务活动遍及80多个国家和地区。 集团实行“全面通道控制”战略，是一家高度专业化的公司。拥有300多项技
13、术专利，提供各种一体化解决方案。与此同时，屏蔽门行业也逐步发展起来。地铁屏蔽门行业作为我国一个新兴的行业，虽然行业的技术发展较快，但是在行业标准、技术发展等方面仍然存在一定的问题。过去地铁屏蔽门系统技术主要垄断在英、日、法等国家的少数企业手中，随着我国企业在与国外企业竞争和合作中的接触，对不同结构形式的地铁安全屏蔽门系统进行了全面系统的探索和研究，屏蔽门控制方面的技术逐渐成熟。 例如09年由西门子标准传动部重点合作伙伴-上海嘉成轨道交通安全保障系统有限公司承建的上海地铁11号线屏蔽门系统。广州地铁二号线屏蔽门工程中标方就是广州澳的斯电梯有限公司与英国西屋公司，深圳方大集团于2000 年与法维莱
14、公司开始合作之后， 双方共同成功承建了北京、天津、深圳、东北等屏蔽门重大工程项目；瑞士卡巴公司也与江苏金创集团合作在国内承接屏蔽门工程项目；日本那博克公司与重庆川仪集团也就屏蔽门项目进行着合作等。1.3课题研究的目的和意义现代屏蔽门系统包含了大量的电子控制系统，包括门体单元控制系统、电源、监控系统及手动控制系统等。随着电子系统以及电子电气设备的增加，传统的线束布线方式必然会导致线束长度增加且复杂，系统的可靠性降低、重量大幅增加、电气系统的制造、安装和维修的难度也随之加大。现场总线控制系统（FCS），是解决这类问题的最佳途径，因此本课题选用目前最流行CAN总线技术来实现对屏蔽门的控制。它是一种有
15、效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，有着极高的安全性和可靠性。同时，在屏蔽门控制系统中引入CAN总线技术可以使得大量的数据信息在不同的电子单元内得到共享，大量的控制信号也可以得到实时交换，这样不仅提高了信号的利用率，而且增强了系统的稳定性与及时性。我国目前在屏蔽门控制系统上应用CAN总线技术研究尚处于起步阶段，大量技术仍然需要国外支持。现场总线系统代表了当今工业控制系统的发展方向， CAN是应用最为广泛的现场总线之一。将CAN总线应用到地铁屏蔽门控制系统中，解决了现有系统中的连线复杂、灵活性差、可靠性较低等问题，增强了系统的扩展性，降低了成本。通过研究CAN应用层协议CAN open并将
16、其应用到系统中，有利于提高设备的标准化程度和互操作性。在屏蔽门系统中，工控机是整个控制系统的核心，发挥着控制全局的作用。它的主要功能是接收传感器采集的数据，经过A/D转换，编码成报文，发送到CAN总线上其他需要这些数据的节点。工控机还负责接收、处理驾驶员的驾驶操作指令，并向各个节点控制器发送控制指令。同时采集各个控制单元的状态信息，并根据状态信息对整体目前的状况做出判断。而门控单元是CAN总线的节点，微控制器是门控的核心部件，它的性能直接影响了整个控制系统的控制效果。因此，开发设计门控节点的通讯模块是整个控制系统过程中主要任务，这也是本文研究的意义所在1。1.4课题研究的主要内容本文围绕门控节
17、点的设计与CAN总线协议的实现，展开以下工作：第一章: 对本研究课题，从实际运用方面查阅资料进行研究第二章：综合实际，对CAN传输部分进行研究与分析，并实现初步设计。第三章：对CAN传输硬件部分进行学习，并对硬件模拟部分进行分析设计第四章：综合软件运用，对课题模拟进行调试，实现CAN的简单通讯。第五章，总结不足，提出改进设想，对课题进行展望第2章 基于CAN总线的屏蔽门系统总体设计2.1 CAN总线技术CAN（Control Area Network，控制器局域网）是德国Bosch公司于20世纪80年代提出的高速串行数据通信网络，最早应用于汽车内部通信，用于解决由汽车内部大量传感器、执行器等电
18、子器件的应用所导致的线束问题，及各个电子器件之间数据交换问题。目前，CAN总线已被ISO国际标准组织制定为国际标准， 得到了 Motorola、Intel、Philips 等公司的支持。CAN总线具有通信速率高、可靠性好、抗干扰能力强、性价比较高等优点， 目前不仅应用于汽车电子，还广泛应用于航空、轮船、工业控制、建筑、自动化设备等诸多领域。CAN是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。CAN与其它总线技术相比，在分布式控制系统中有明显的优越性：1.网络各节点之间的数据通信实时性强首先，
19、CAN控制器工作于多主方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权（取决于报文标识符）采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据， 且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。2.缩短了开发周期CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期。3.已形成国际标准的现场总线与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标
20、准的现场总线。这些也是目前 CAN总线应用于众多领域,具有强劲的市场竞争力的重要原因。2.1.1 CAN总线特点CAN总线能够得到广泛的应用， 与CAN总线通信具有高度的可靠性、及时性和灵活性等特点是分不开的，它的主要特点如下：1.CAN总线的通信方式极其灵活，它废除了传统的站地址编码形式， 采用多主的工作方式，网络上的每一个节点都可以在总线空闲时主动向总线上其他一个或多个节点发送报文。2.CAN总线节点传送到总线上的信息按照重要程度被分为不同的优先级， 每个报文都拥有自身的优先权，报文的优先权由标识符确定，标识符ID越小，优先权越高。 每个报文都具有CAN网络中唯一的标识符，这样可以满足不同
21、的实时要求，提高了CAN通信的实时性。3.CAN总线采用冲突检测载波监听多路访问方法， 通过非破坏性的总线仲裁技术解决总线访问冲突。在同一时间，如果有多个节点同时向CAN总线发送报文，总线出现访问冲突，这时总线会根据优先权进行仲裁，优先权低的节点主动退出发送，而优先权高的可以继续发送。只要总线处于空闲状态，就会将未发送的报文重新发送。从而减少了总线访问冲突的仲裁时间，避免了在网络负载很重的情况下造成的网络瘫痪现象。4.CAN总线每一个节点在接到其他节点发送的报文后，首先对报文的标识符进行分析，判断该报文是否与自己相关，如果相关则处理；如果不相关，则忽略，大大提高了总线的反应速度。5.CAN总线
22、通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点以及全局广播等多种形式发送/接收数据，无需专门的“调度”。6.CAN总线的传输速率与通信距离相关，最高传输速率可达1Mbps（此时通信距离最长为40m），最长通信距离可达10km（此时传输速率低于5kbps）。7.CAN总线上连接的节点数目取决于总线驱动电路， 在不改变应用层及其他节点的软硬件条件下，可以任意增加或者减少节点，目前总线上可以连接的节点最多可达110个。8.CAN总线的标准帧（CAN2.0A）的报文标识符由11位二进制编码组成，可达2032个；扩展标准帧（CAN2.0B）的报文标识符由29位二进制编码组成，数量几乎不受限制。9.CAN总线通信
23、采用短帧格式，每帧的数据为0 8个字节，可以满足控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。采用短帧通信不仅传输时间较短，而且可以提高抗干扰能力，减少误码率，提高了通信的可靠性。10.CAN总线采用循环冗余码校验（CRC），每帧都具有CRC信息，节点在接收信息后，通过CRC校验来确定接收信息是否正确。 CAN总线通过循环冗余校验以及通过监视、位填充和报文格式检查等其他错误检测方式，保证通信数据的可靠性。11.CAN总线可以采用多种通信介质，双绞线、同轴电缆或者光纤，目前普遍使用的是屏蔽双绞线，并有向光纤普及的趋势。12.CAN总线接口集中了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可以完成对通信数据的帧
24、处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、判断优先级等多项功能。13.CAN总线通过故障判断机制，在判断总线节点严重错误的情况下具有自动关闭输出功能，切断与总线的联系，避免影响总线上的其他节点。2.1.2 CAN总线分层结构CAN总线协议规范CAN2.0B，依据OSI七层参考模型定义了CAN总线的三层， 分别为物理层，数据链路层以及应用层。CAN总线网络分层结构如图2.1所示。图21 CAN总线网络分层结构物理层是将节点连接至总线的电路实现。它主要分为三个部分：物理信令层（PLS）、物理介质附加属性（PMA）与介质相关接口（MDI）。 物理信令层（PLS）的主要作用是实现与位编码/解码、位定
25、时、位同步相关的功能。物理介质附加属性（PMA）的主要作用是定义了驱动器与接收器特性，实现总线发送/接收功能，并为总线提供故障检测的方法。 介质相关接口（MDI）定义了物理介质与媒体访问单元（MAU）之间的机械和电气接口。数据链路层主要功能是实现数据的封装与拆装。即对需要发送的数据添加附加信息发送到总线上，在收到信息后，去除附加信息得到数据信息等。在通信过程中对传输数据进行流量控制以及差错控制，保证传输数据的准确性。数据链路层可分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）。 逻辑链路控制子层（LLC）的主要功能是通过接收滤波实现报文有选择性的接收以及提供过载信息。媒体访问控制子层
26、（MAC）是CAN协议规范的核心，执行的主要功能可以分为两部分。一是发送功能，包括：（1）数据的封装：向发送的数据帧添加附加信息。（2）帧编码：进行CRC计算、添加SOF、RTR、CRC、ACK位等。（3）媒体的访问管理：当总线出现连续7个以上的“隐性”位便可以确定总线为空闲，开始发送报文。（4）执行仲裁：总线访问冲突时，执行仲裁。（5）错误检测：执行监视，报文格式检查。（6）出错标定以及故障界定。另一是接收功能，包括：（1）数据的拆装：将收到的数据帧去除附加信息，获取数据信息。（2）错误检测：执行CRC校验、格式校验、位填充等。（3）发送应答：在接收到信息后，如果正确接收，发送应答标志。（4
27、）出错标定以及故障界定。2.1.3 CAN总线帧类型CAN总线传输数据时，把传输的报文按照一定要求分成不同的代码块，在传输这些代码块时，在代码块的头尾加上固定的信息格式，把代码块夹在中间，这样就构成了“帧”。CAN总线的报文传输共有四种类型的帧，分别为数据帧（Date Frame）、远程帧（Remote Frame）、错误帧（Error Frame）以及过载帧（Overload Frame）。（1）数据帧（Date Frame）数据帧将数据从发送器传输到接收器。它由七个场（场是帧的基本组成部分，它是一段定义好的逻辑数据，可以为数据、指针或者链接）组成：帧起始（Start of Frame）、仲
28、裁场（Arbitration Field）、控制场（Control Field）、数据场（Date Field）、CRC场（CRC Field）、应答场（ACK Field）以及帧结束（End of Frame）。（2）远程帧（Remote Frame）总线上的某一节点可以通过发送远程帧来请求另一节点发送具有相同标识符的数据帧。远程帧由帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束组成。远程帧与数据帧相比，没有数据场，而且远程帧的RTR位为隐性位（逻辑1），与数据帧相反。由于远程帧没有数据场，则数据长度代码（DLC）没有任何意义，可以是0 8之间的任意数字。远程帧也分为标准格式与扩展格式，远
29、程帧标准格式的仲裁场有11位标识符， 而扩展格式的仲裁场有29位标识符。（3）错误帧（Error Frame）当总线上的节点检测到错误时，节点向总线发送错误帧。错误帧由不同节点的错误标志叠加以及错误界定符组成。 （4）过载帧（Overload Frame）过载帧为相邻的数据帧或者远程帧之间提供附加延时。CAN报文传输采用短帧结构，每次只可传输O至8个字节的数据。由于采用了短帧传输，减小了出错率，并提高了抗干扰性能。CAN报文中不含有目的地址，它的路由信息由标识符来体现。CAN2.OB中规定CAN支持两种标识符格式，一种是标准的n位标识符， 另一种是扩展的29位标识符。网络中的每一个节点都必须明
30、确知道该标识符的具体含义，并由各自的报文验收滤波器来判断是否接收该标识符所对应的数据。（1）数据帧（2）远程帧（3）错误帧（4）过载帧图22 CAN总线的四种类型帧2.1.4 CAN总线通信原理与通信流程CAN总线的通信流程大致可以分为以下几个过程：发送请求、总线仲裁、报文发送、错误检测、接收应答。图23 CAN总线通信流程2.2屏蔽门系统及CAN总线应用本课题设计的地铁屏蔽门控制系统主要包括门控单元（DCU）、中央接口盘（PSC）、就地接口盘（PSL）以及与其他系统的接口。 系统内部采用现场总线和硬线连接两种连接方式，PSL与PSC、PSL与DCU之间采取硬线连接，DCU与PSC之间通过CAN现场总线进行通信，图2-4所示。DCU是屏蔽门的控制装置， 每扇门有一个门控制单元（DCU），它根据接收到的指令控制马达。这些单元确保门的力量和速度在安全范围内保持最佳。它们也监视门上传感器和执行器的状态，并连续地将数据传输到就地接口盘（PSC）上。站台上每一列门都是由PSC控制和监视的。DCU通过CAN总线联网，传输速
