磁懸浮列車運行信號監測系統

摘要：結合ＣＡＮ總線的特點和列車這個特定的環境，對磁懸浮列車運行信號監測系統的設計、實現以及多臺監測儀之間的通訊進行了論述。

關鍵詞：磁懸浮列車 運行監測儀 ＣＡＮ總線

一種面向未來的新型高速地表運輸系統—磁浮列車正以其獨特而神奇的魅力吸引著越來越多的關注目光。磁浮列車利用磁力抵消地球引力，使車體脫離軌道而懸浮在空中，并利用直線電機進行推進，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。磁懸浮列車外觀圖如圖１所示。

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

1 系統主要功能和要求

列車運行監測系統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）進行自動監測，并根據運行的位置提示列車的最高限速，同時記錄運行過程中的報警信息，從而實現磁浮列車的安全運行。

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

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

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

2 系統總體設計

列車運行信號監測系統主要由三臺運行監測儀和兩臺操作顯示計算機組成，組成框圖如圖２所示。首、尾車的運行監測儀主要完成上述（１）、（２）、（３）功能，中間車主要完成上述（１）、（２）功能，為便于工程化，三個運行監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都接收這三個運行監測儀數據，通過三選二的方法進行數據的顯示和記錄。對于這三個連續不斷的檢測通道，任何一個通道故障都是可容忍的，只有在系統兩個通道同時出現故障的情況下，才會在下一個停車點停車檢修。

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

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

上述五臺單片機之間通過ＣＡＮ總線互相連接。

3 ＣＡＮ總線

控制器局域網（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＣＡＮ）是一種有效支持分布式監控或實時控制的串行通信現場總線網絡 且無主、從機之分；ＣＡＮ可以用點對點、一點對多點及全局廣播幾種方式傳送和接收數據；ＣＡＮ直接通訊距離最遠可達１０ｋｍ傳輸率為５ｋｂｐｓ，通訊速率最高可達１Ｍｂｐｓ傳輸距離為４０ｍ；ＣＡＮ總線上節點數可達１１０個。ＣＡＮ的媒體訪問采用多主隨機發送協議，實現了無沖突的媒體訪問協議（載波偵聽多路訪問／沖突避免）。ＣＡＮ具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優點，使其在道路運輸工具以外的領域，如機器人、工業自動化、醫療儀器、自動測試系統等領域得到了廣泛應用。用戶在開發帶ＣＡＮ總線的微機系統時，可不必過多了解ＣＡＮ的兩個協議，只要完成ＣＡＮ通信控制器初始化即可進行數據通訊。

結合ＣＡＮ總線的特點和列車這個特定的環境，在本列車運行信號監測系統中，ＣＡＮ總線是用作通信子網。主要是充分利用ＣＡＮ總線在數據采集系統方面，尤其是在數據通信的可靠性、數據通信實時性以及數據通信的靈活性方面的優勢，從而大量減少司機臺的控制信號線，使司機臺設計更簡單、合理。本文主要結合通訊可靠性介紹ＣＡＮ通訊“死機”時的處理方法。

ＣＡＮ總線協議通過兩層機制來保證總線數據的安全可靠傳輸。第一層是從總線角度考慮的。ＣＡＮ協議根據每個節點的出錯情況，將節點分為三種類型并為每種類型定義了相應的總線行為。這些總線行為對總線的影響是不同的。出錯特別嚴重的節點會自動退出總線，不再參與總線活動。第二層是從單個節點角度考慮的。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。發送錯誤寄存器和接收錯誤寄存器保存了發送或接收過程中發生的錯誤次數。錯誤報警極限寄存器設定發出報警信號時的錯誤次數。

ＣＡＮ總線的“死機”問題，即部分ＣＡＮ節點由于出錯嚴重自動退出總線而引起的采集數據丟失情況。解決這個問題，需要保證ＣＡＮ節點不長久脫離總線。首先，ＣＡＮ節點在收到錯誤報警信號時，一方面要進行錯誤診斷，另一方面要將出錯情況通過總線通知監測總線的上位計算機；ＣＡＮ節點在收到總線錯誤信號時，進行完錯誤處理后要清除復位狀態位。其次，監測總線的上位計算機要實時記錄各個節點的狀況，能夠引入外部干預。對于單個節點來說，由于硬件損壞引起的脫離總線是無法自我修復的，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”方面作過多次實驗。比如，用導線短接ＣＡＮ總線。研究發現，通過在程序中加入ＣＡＮ控制器的狀態檢測處理指令，可顯著提高ＣＡＮ系統的抗干擾性。指令如下：

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

注：ＳＲ＿ＣＡＮ 狀態寄存器；

ＭＯＤ＿ＣＡＮ 工作模式寄存器。

4 磁浮車測速、定位與鑒向

常規列車是靠運動的車輪來測速的。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辦法進行。考慮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通過的枕木數，檢測用的傳感器只要能檢測有無枕木，即采用接近開關就可測出。接近開關有光電的、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速度快、工作溫度范圍寬、環境適應性好等特點，所以在綜合性能上電磁式接近開關較好。

接近開關輸出的信號是開關信號，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。首先對開關輸出信號進行預處理，包括高頻濾波、整形、隔離，經過處理后的信號再進入單片機進行軟件濾波，可消除干擾的影響。

檢測單位時間內通過的枕木數的測速方法在列車行駛速度較慢時會響應很慢，用測頻方法測速，就可以提高速度檢測的實時性和準確性。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，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據保護

為了保存列車運行的歷史記錄（如列車運行的總里程數、發生故障的總數等），采用一片非易失性存儲器２４Ｃ０２。２４Ｃ０２數據接口采用二總線制結構，容量為５１２字節，寫入的次數為１０萬次。由于寫入的次數有限，就必須減少寫的次數，為此采取了只在關機或掉電的時候才保存數據的思路。在關機的時候，由于電容效應，電源電壓不會立即降為零，保證單片機工作一段時間，所以，只要能檢測到電源電壓在下落，單片機立刻把數據寫入２４Ｃ０２中。電源電壓檢測電路由一個二極管和一只大電容組成，當掉電時大電容上充的電可以保證單片機和２４Ｃ０２工作幾十毫秒，完成數據保存功能。

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