計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)CAN安全通信技術(shù)

陳強(qiáng)

摘 要：基于二乘二取二的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)由上位機(jī)、聯(lián)鎖機(jī)、安全智能I/O模塊、聯(lián)鎖總線、維修機(jī)等幾個(gè)部分組成。系統(tǒng)中聯(lián)鎖層與執(zhí)表層之間傳輸安全信息的通信網(wǎng)絡(luò)必須具有故障-安全特性，才能保證系統(tǒng)的安全性，本文主要介紹了使用CAN總線實(shí)現(xiàn)這一特性的思想方法。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng);CAN總線;安全—故障通信

中圖分類號(hào)：U282 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主要技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)車站信號(hào)聯(lián)鎖的控制系統(tǒng)，它的安全性能直接影響到行車安全。因此系統(tǒng)要求具有故障導(dǎo)向安全的特性?；谶@一特性，CAN總線具有通信速率高、可靠性強(qiáng)、連接方便、性能價(jià)格比高等諸多特點(diǎn)，此系統(tǒng)采用了CAN總線作為現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行聯(lián)鎖系統(tǒng)數(shù)據(jù)間的通信。以下主要介紹了二乘二取二制式計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的CAN安全通信技術(shù)。

1 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)

1.1 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是新型的鐵路車站自動(dòng)控制設(shè)備，其各個(gè)環(huán)節(jié)必須具有故障導(dǎo)向安全的特性。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理進(jìn)路內(nèi)的道岔、信號(hào)機(jī)、軌道電路之間安全聯(lián)鎖關(guān)系，對(duì)提高鐵路運(yùn)營(yíng)效率、自動(dòng)化程度、管理水平以及減少行車指揮調(diào)度人員的工作強(qiáng)度具有最直接的影響。

1.2 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

二乘二取二制式計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)由上位機(jī)、聯(lián)鎖機(jī)、安全智能I/O模塊、聯(lián)鎖總線、維修機(jī)等幾個(gè)部分組成。

1.2.1 上位機(jī)（監(jiān)控機(jī)）

監(jiān)控機(jī)由冗余熱備的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)A機(jī)和B機(jī)組成，通過(guò)雙路工業(yè)以太網(wǎng)與聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)通信。2套監(jiān)控機(jī)同時(shí)工作，物理上相互獨(dú)立，都具有人工操作（如辦理進(jìn)路）功能。監(jiān)控機(jī)將操作員的操作命令傳送給聯(lián)鎖機(jī)，并以圖形化方式顯示站場(chǎng)信息。

1.2.2 聯(lián)鎖機(jī)

（1）每套聯(lián)鎖主機(jī)有2套完全獨(dú)立的CPU運(yùn)算系統(tǒng)。

（2）兩套CPU單元聯(lián)鎖運(yùn)算結(jié)果通過(guò)信息通道傳送給對(duì)方進(jìn)行比較，當(dāng)比較結(jié)果一致時(shí)，才產(chǎn)生有效的驅(qū)動(dòng)。兩個(gè)CPU單元分別從下層的安全智能I/O模塊獲得獨(dú)立的采集信息后，也通過(guò)信息通道傳送給對(duì)方，兩份采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)比較，如果一致，才被兩個(gè)CPU單元認(rèn)可為有效的采集數(shù)據(jù)。這種結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的安全性。

（3）接收監(jiān)控機(jī)的操作命令，進(jìn)行運(yùn)算處理，同時(shí)向監(jiān)控機(jī)傳送整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)信息和聯(lián)鎖運(yùn)算數(shù)據(jù)。

（4）為了確保輸入信息的可靠和系統(tǒng)運(yùn)算的同步，2套聯(lián)鎖主機(jī)通過(guò)冗余同步高速光通道交換信息，通過(guò)2套聯(lián)鎖主機(jī)間的同步機(jī)制，同時(shí)執(zhí)行控制命令、進(jìn)行運(yùn)算處理，并且通過(guò)冗余星形（或環(huán)形）光通信網(wǎng)絡(luò)將比較結(jié)果發(fā)送給冗余熱備的RCU，主RCU通過(guò)雙路CAN現(xiàn)場(chǎng)總線將控制命令發(fā)送給執(zhí)行單元模塊，備RCU處于熱備，當(dāng)主RCU故障后，自動(dòng)切換到備RCU控制輸出，以確保系統(tǒng)傳輸通道的冗余工作。

1.2.3 聯(lián)鎖總線

聯(lián)鎖機(jī)與安全智能I/O模塊之間的通信聯(lián)系采用CAN冗余網(wǎng)。

1.2.4 維修機(jī)

實(shí)現(xiàn)車站站場(chǎng)顯示和設(shè)備維修記錄及查詢，通過(guò)雙路工業(yè)以太網(wǎng)與監(jiān)控機(jī)通信。

2 CAN總線簡(jiǎn)介

CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，CAN總線是一種全數(shù)字化、多主和雙向的現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN總線數(shù)據(jù)通信具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、實(shí)時(shí)性好和靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。其短幀結(jié)構(gòu)的傳輸報(bào)文特點(diǎn)可概括如下：每包數(shù)據(jù)由2～10個(gè)字節(jié)組成，第1字節(jié)是節(jié)點(diǎn)號(hào)，第2字節(jié)由功能碼+RTR+DLC構(gòu)成。功能碼有3位，它與節(jié)點(diǎn)號(hào)一起構(gòu)成11位標(biāo)識(shí)碼;RTR有1位，是遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位;DLC有4位，是CAN數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度表示位，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度允許0～8位。CAN通信采用廣播方式，即由接收方?jīng)Q定數(shù)據(jù)的取舍，取舍的判決依據(jù)就是11位標(biāo)識(shí)碼?；贑AN總線的自身特點(diǎn)和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的基本需求，以及CAN總線在其他行業(yè)的廣泛運(yùn)用，CAN總線可以作為聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全通信網(wǎng)絡(luò)通道。

3 CAN總線故障-安全通信實(shí)現(xiàn)

通信網(wǎng)絡(luò)的安全性取決于可靠性與故障安全性，其之間的關(guān)系可表示為：

A=P+Q（1-P） （1）

式中：A為網(wǎng)絡(luò)安全性概率;P為網(wǎng)絡(luò)可靠性概率;Q為故障安全概率。

由此可見，網(wǎng)絡(luò)的安全性是由網(wǎng)絡(luò)可靠性和故障安全性共同作用來(lái)決定的。CAN總線作為通用串行總線，盡管具有高可靠性，但不具有故障-安全的特性，總線內(nèi)傳遞的數(shù)據(jù)信息也不具備安全性。鑒于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障-安全的特殊需求，需要在提高CAN總線可靠性的基礎(chǔ)上，使CAN通信網(wǎng)絡(luò)具有故障安全性，這樣才能完全符合計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障-安全的要求。本文采用以下幾種措施以保證數(shù)據(jù)的安全傳輸。

3.1 報(bào)文按順序編號(hào)

對(duì)于采集節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，每個(gè)運(yùn)算周期發(fā)送的報(bào)文都會(huì)附加一個(gè)報(bào)文順序號(hào)，順序號(hào)設(shè)置為1～255，0為無(wú)效數(shù)據(jù)，報(bào)文的順序號(hào)每周期加1，循環(huán)使用。對(duì)于驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，每周期收到的報(bào)文順序號(hào)和上周期的報(bào)文順序號(hào)不同，則表明接收到新的報(bào)文，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)處于正常狀態(tài)如果連續(xù)收到報(bào)文順序號(hào)相同的數(shù)據(jù)包或在一定時(shí)間內(nèi)收不到數(shù)據(jù)包則說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)故障，接收節(jié)點(diǎn)對(duì)接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)做故障—安全處理。

3.2 報(bào)文周期性錯(cuò)誤檢測(cè)

聯(lián)鎖機(jī)在一個(gè)查詢周期內(nèi)順序地一次訪問一個(gè)驅(qū)動(dòng)/采集模塊。請(qǐng)求發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)信息;只有聯(lián)鎖機(jī)收到該模塊的有效應(yīng)答后，才可以發(fā)送下一個(gè)模塊的查詢序列。如果聯(lián)鎖機(jī)沒有收到模塊的有效應(yīng)答時(shí)，聯(lián)鎖機(jī)向該模塊重發(fā)查詢序列，并進(jìn)行故障報(bào)告。因此周期性全體發(fā)送具有較好的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，在報(bào)文發(fā)生錯(cuò)誤傳輸時(shí)接收節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)接收到最新的數(shù)據(jù)報(bào)文，而不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)延期接收。

3.3 報(bào)文附加循環(huán)冗余校驗(yàn)

循環(huán)冗余檢查（CRC）是一種數(shù)據(jù)傳輸檢錯(cuò)功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式計(jì)算，并將得到的結(jié)果附在幀的后面，接收設(shè)備也執(zhí)行類似的算法，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。聯(lián)鎖系統(tǒng)報(bào)文傳輸中采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的CRC-16生成多項(xiàng)式：G（X）=X+X+X+1，作為主要校驗(yàn)方式而應(yīng)用。在采集節(jié)點(diǎn)對(duì)有效的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，產(chǎn)生16位CRC校驗(yàn)碼附加在發(fā)送的報(bào)文中，接收節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果產(chǎn)生的CRC校驗(yàn)碼和附加在報(bào)文中CRC校驗(yàn)碼相同則說(shuō)明接收的報(bào)文正確，如果不同則做故障—安全處理。

3.4 報(bào)文數(shù)據(jù)冗余編碼

在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中，對(duì)于一個(gè)采集點(diǎn)或一個(gè)控制點(diǎn)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)存在都是以位為單位來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。如繼電器吸起用“1”來(lái)表示，落下用“0”來(lái)表示。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，采用把位信息擴(kuò)大到字節(jié)信息發(fā)送的方法可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性。選擇兩個(gè)碼距最大的字節(jié)來(lái)表示“0”和“1”的位信息，在聯(lián)鎖系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中“0”用0x55表示，“1”用0xaa表示，在接收節(jié)點(diǎn)接收到0x55后則認(rèn)為該點(diǎn)的信息為“0”，接收到0xaa后則認(rèn)為該點(diǎn)的信息為“1”，其它的編碼則認(rèn)為無(wú)效數(shù)據(jù)，做故障—安全處理。

4 結(jié)論

二取二制式系統(tǒng)是一種新型的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖體系。本文所述的基于CAN總線的故障安全通信網(wǎng)絡(luò)是在CAN總線高可靠性和安全性的基礎(chǔ)上增加一些特殊措施實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過(guò)在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)上的應(yīng)用實(shí)踐表明，聯(lián)鎖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃缘玫搅撕艽蟮奶岣摺?/p>

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