【摘要】本文主要阐述了在全电子计算机联锁系统中利用CAN总线进行安全通信系统的设计，介绍了基于CAN总线的联锁通信系统的结构、数据通信方式、主要功能特点以及软件设计思想，并利用CAN总线实现了联锁系统的实时数据通信。
【关键词】计算机联锁系统；CAN总线；实时数据通信
1.引言
铁路信号计算机联锁系统是一种以计算机为主要技术手段实现车站联锁的系统，是保障行车安全的基础设备之一。
全电子化连锁系统把现代最新技术，如计算机硬软件技术、网络通信技术、电力电子控制技术、现场总线等融为一体。通过监测并记录信号设备的主要运状态，为电务部门掌握设备的当前状态和进行事故分析提供科学依据。鉴于此系统对安全性、可靠性、实时性的高要求。CAN总线具有通信速率高、可靠性强、连接方便、性能价格比高等诸多特点，此系统采用了CAN总线作为现场总线进行联锁系统数据间的通信。
2.CAN总线
CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，属于总线式串行通信网络，与一般通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的性能，可靠性、实时性和灵活性好。其特点可以概括如下：
(1)通信方式灵活。CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息，而不分主从，且无需占地址等节点信息。利用这一点可以方便的构成多机备份系统。
(2)CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。
(3)CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地推出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。
(4)CAN总线通信格式采用短帧格式，传输时间短，受干扰概率低，每帧信息都有都有CRC校验及其他校验措施，保证了数据通信的可靠性。
(5)CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等多项工作。
3.CAN总线协议的实时性
CAN通信协议是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上，只包含其中的物理层和数据链路层。物理层主要是网络上节点间的物理数据传输，数据链路层又分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）。MAC子层主要完成传送的功能，可进行消息成帧、总线仲裁、帧应答、错误检错与标定。LLC子层的主要功能是消息的逻辑管理，如帧滤波、超载通知和恢复管理等。
当总线上同时出现多条报文竞争发送的情况时，CAN总线协议将逐位进行比较，根据显性位和隐性位的仲裁原则，显性位得到发送。这样，高优先级的报文可以在仲裁的过程中一边比较一边进行传输，而不需要等到仲裁完成后才决定哪条报文能够发送。与其他总线相比，这种机制大大提高了CAN总线通讯系统的实时性。
4.CAN总线在全电子计算机联锁通信系统中的应用
4.1 计算机联锁通信系统结构
CAN总线通过安全型协议实现与联锁计算机和电子执行单元之间的通信，主要实现将联锁计算机下达的联锁命令向电子执行单元下发和将电子执行单元采集到的铁路信号设备的状态上传至联锁计算机，如果通信传输发生错误引起数据畸变，使执行机错误输出造成道岔错误动作或信号机错误开放，就会危及到行车的安全，故采用双机热备方式进行工作，联锁计算机与电子执行单元之间采用两路CAN总线通信。联锁计算机主系与电子执行单元之间通信故障但联锁计算机备系与电子执行单元之间通信正常时应实现主备切换。
全电子计算机联锁通信网络结构图如图1：
4.2 联锁通信系统传输的数据
在计算机联锁系统中，计算机联锁通信系统数据传输内容如图2：
信号设备状态信息包括信号机、道岔、区段、进路的状态信息，其中信号机的状态信息包括信号显示，灯丝状态，道岔的状态信息有定位、反位、四开、挤岔、封锁、单锁，区段的状态信息为占用状态，进路为锁闭状态。
联锁控制命令包括道岔转换命令、道岔单锁命令、道岔单解命令、道岔封锁命令、道岔封解命令、信号显示改变命令。
4.3 系统硬件设计
联锁机采用研华CPCI高可靠工业计算机，CAN通信协议主要由CAN控制器完成，本系统的CAN控制器采用SJA1000，是由Philips公司生产的高集成度的总线通信控制器。SJA1000具有BasicCAN和PeliCAN两种工作方式。其中PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN2.0b协议。它可以和多种CPU接口构成CAN节点，并利用CAN通信协议控制局域网的通信。
4.4 系统软件设计思想及实现
操作系统采用Wind River公司的嵌入式实时操作系统VxWorks5.5.1，该操作系统可靠性好，实时性高。
系统通信要求：联锁计算机能够及时的接收电子执行单元的状态信息，定时向电子执行单元发送联锁控制命令。电子执行单元能够及时的接收联锁机的控制命令，定时向联锁机发送信号设备状态信息。系统通信周期为250ms。
系统软件主要完成各种通信参数、任务、定时器等初始化后实现三方面的功能：与联锁机的CAN通信接口实现联锁命令的接收和执行单元状态的发送，与电子执行单元的CAN通信接口实现执行单元联锁命令的发送和执行单元状态的接收功能，双机热备的同步和切换功能。因此系统的主要功能模块有：
(1)联锁计算机通信接口模块：接收联锁计算机命令和发送执行单元状态；
(2)电子执行单元通信接口模块：向执行单元发送联锁命令和接收并校核来自执行单元的状态；
(3)双机热备同步与切换模块：实现双机热备的同步与切换。
系统工作采用多任务实现：
联锁命令发送任务(tCmdSend)：实现对接收到的联锁计算机的安全数据进行解析；然后根据系统主备工作状态判断是否向执行单元发送联锁命令，若发送则将解析后的命令，生成安全CAN命令帧，利用两路CAN通道逐个下发到电子执行单元。
执行单元状态接收任务(tStatRcv)：对两路CAN通道分别建立一个任务实现对执行单元状态的接收，并将接收到的数据进行安全校核，校核通过的状态数据写入执行单元状态数据区。
系统数据的使用和转换如图3所示。
5.结束语
综上所述，在全电子计算机联锁系统中利用CAN总线进行通信系统的设计满足其高可靠性和实时性的要求。为铁路信号产品的升级提供了技术基础。
参考文献
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作者简介：马龙珠，兰州交通大学在读研究生，研究方向：通信与信息系统。
