基于CANopen协议的分布式机车制动控制装置及方法与流程

本发明涉及一种用于列车制动控制的分布式制动控制装置，特别涉及一种基于CANopen协议的分布式机车制动控制装置及方法。

背景技术：

世界轨道交通在朝着“重载列车，高速客运”的目标发展。但是货物重量和列车速运的提升使得机车在制动控制有效可靠性能上提出了更高的要求。

目前应用较为广泛的重载列车制动控制单元多为DK-2型制动控制单元，该系统采用集中式设计，整体系统采用单个CPU的工作模式，并辅助以外围输入输出、通信电路实现数据的采集和输出，该系统已成熟应用于我国大多数的电力机车制动系统中，但是考虑到集中式控制所带来的容错以及系统高负荷等问题，提高制动系统的可靠性和安全性，急需研究多个控制模块组成的分布式制动控制单元。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于CANopen协议的分布式机车制动控制装置，能够有效提高系统的可靠性和安全性。

本发明所提供的技术方案是：

一种基于CANopen协议的分布式机车制动控制装置，包括分布式制动处理模块(DBPU)和四个制动控制子模块；

所述分布式制动处理模块采用CAN双绞线与四个制动控制子模块相连，构成总线式通信拓扑结构的内部CAN网络，内部CAN网络采用CANopen协议进行通信；

四个制动控制子模块分别为均衡控制模块ERCP、电子分配阀控制模块EDCP、列车控制模块BPCP、补机控制模块SLCP，用于完成各自负责的传感器状态信息采集和电磁阀及执行机构控制；

所述分布式制动处理模块与制动控制子模块及机车其它设备通信，用于完成自身信号采集与输出、监控并记录内部CAN网络通信数据和各制动控制子模块状态信息；

当分布式制动处理模块和四个制动控制子模块中，某个模块负责的传感器和执行机构出现故障时，由其它模块协同制动。

所述的分布式制动处理模块包括第一控制模块和通信模块；

所述通信模块包括MVB网络通信模块和第一CAN通信模块；所述第一控制模块通过MVB网络通信模块与机车其它设备通信连接，并通过第一CAN通信模块与制动控制子模块通信连接；第一控制模块用于接收机车内部网络信号并产生相应控制输出。

所述制动控制子模块包括第二控制模块、第二CAN通信模块、PWM输出模块和状态记录模块；

第二控制模块用于处理数字及模拟输入信号，接收制动装置内部CAN网络信号，同时产生相应的控制信号；

第二CAN通信模块用于与制动装置内部的CAN通信设备进行数据通信；

PWM输出模块用于输出PWM数字量信号；

状态记录模块用于记录第二控制模块的输入输出控制指令数据、第二CAN通信模块的信号输入、输出数据、PWM输出模块的输出数据。

所述第二控制模块通过第二CAN通信模块与其它三个制动控制子模块以及分布式制动处理模块通信连接。

所述电磁阀及执行机构设置有RFID标签；

所述制动控制子模块还包括RFID读写模块；

RFID读写模块用于对相应制动控制子模块负责的电磁阀及执行机构的RFID标签进行读写，从而辨识制动控制子模块所接的电磁阀及执行机构的属性信息；RFID读写模块与第二控制模块相连，以进行数据通信；

所述状态记录模块还用于记录RFID读写模块所读写的RFID标签数据。

所述的第一CAN通信模块和第二CAN通信模块结构相同，均包括双口RAM、通信控制器、两个CAN通讯芯片和两个CAN网络数据收发器；

双口RAM用于实现CAN通信模块与相应的控制模块实现数据交换；

通信控制器用于实现CAN数据收发；

CAN通讯芯片用于实现CAN网络通讯；

CAN网络数据收发器用于发送及接收CAN数据；

控制模块的CPU通过对应的双口RAM与对应的通信控制器通信连接；两个CAN通讯芯片分别通过两个CAN网络数据收发器通信连接至内部CAN网络。

所述基于CANopen协议的分布式机车制动控制装置，还包括监控调试终端，用于监控制动控制装置CAN通信数据并进行记录以及系统调试；

所述监控调试终端包括微控制器、第三CAN通信模块、RS232接口模块、DC5V稳压源；

所述微控制器用于系统调试；

所述第三CAN通信模块用于提供CAN通信接口；

所述RS232接口模块用于微控制器与上位机相连；

所述微控制器与第三CAN通信模块以及RS232接口模块通过总线扩展接口连接；

DC5V稳压源用于为监控调试终端提供5V稳定电源；

所述的第三CAN通信模块与第一CAN通信模块和第二CAN通信模块相同；

所述微控制器通过第三CAN通信模块连接至CAN总线，监控CAN总线数据，并通过RS232接口外接USB-232接口线与上位机相连，将监控到的CAN总线数据通过232接口发送至上位机进行显示和存储；通过上位机将需要调试的程序通过调试终端下载至CAN总线，利用CANopen协议对特定的模块，包括分布式制动处理模块或者制动控制子模块进行调试。

所述分布式制动处理模块和四个制动控制子模块还均设置有数字量信号采集模块、模拟量信号采集模块、数字量信号输出模块；

分布式制动处理模块中，数字量信号采集模块、模拟量信号采集模块、数字量信号输出模块均【分别通过输入总线扩展模块和输出总线扩展模块】与第一控制模块相连；

四个制动控制子模块中，数字量信号采集模块、模拟量信号采集模块、数字量信号输出模块均【分别通过输入总线扩展模块和输出总线扩展模块】与对应的第一控制模块相连；

所述数字量信号采集模块用于采集外接设备数字量输入信号；

模拟量信号采集模块用于采集外接传感器模拟量数据；

数字量信号输出模块用于输出数字量信号；

所述数字量信号采集模块采用带过流输入保护以及光电隔离的输入电路；所述数字量信号输出模块采用带有短路保护的输出电路。

所述基于CANopen协议的分布式机车制动控制装置，还包括供电单元(PSU)；所述供电单元采用电源硬线与分布式制动处理模块以及四个制动控制子模块连接，为它们提供电源以及线路中继功能。

所述供电单元为分布式制动处理模块提供DC110V电源，为四个制动控制子模块提供DC24V电源，并提供CAN总线和I/O线输入输出中继接口功能。

所述供电单元包括第三电源转换模块、滤波模块、短路保护模块和中继接口模块；

所述第三电源转换模块用于将外部输入的DC110V电源转为DC24V电源；

所述滤波模块的输入端连接第三电源转换模块的输入端，滤波模块的输出端用于为其它模块供电，从而实现输入电源滤波；

所述短路保护模块用于实现电路短路保护；

所述中继接口模块用于提供CAN通信线以及输入输出信号线的中继接口。

所述分布式制动处理模块还包括第一电源转换模块，用于将外部输入的DC110V电源转换为DC24V以及DC5V电源，为内部各个其他模块供电；

所述四个制动控制子模块中各设有一个第二电源转换模块，用于为第二CAN通信模块中的其它模块提供5V的稳压电源。

一种基于CANopen协议的分布式机车制动控制方法，采用上述的装置进行制动控制，四个制动控制子模块用于完成各自负责的传感器状态信息采集和执行机构控制，并通过CAN总线进行数据交换；在部分传感器以及执行机构故障的情况下，由非故障制动控制子模块协同控制，完成故障节点的功能。

本发明公开的一种基于CANopen协议的分布式机车制动控制装置，该装置包括、监控调试终端等单元组成。单元模块之间采用双CAN总线网络进行通信。该分布式制动装置能够实现的功能包括：各个控制模块状态采集以及记录；CAN网络通信数据存储记录；多个子模块协同制动；单模块传感器或执行机构故障的情况下，其他制动控制子模块协同制动；各个控制模块自身状态信息记录以及恢复。

相比于单个集中控制器的制动系统，采用多CPU的分布式制动模式能够很好的解决单一CPU负荷大等问题。分布式制动处理模块的CPU(主CPU)负责整机状态记录、监控以及与外部设备通信。各个子控制系统完成各自负责的状态信息采集和处理，提高了系统的可靠性。整个装置间各个控制单元采用CAN网络进行通数据信，主CPU可以时刻记录并监控各个制动控制子模块的状态信息，当发生故障时，可以通过CAN网络数据快速精准地进行故障定位。总而言之，该分布式控制装置能够提供更高的可靠性和安全性，具有良好的应用前景。

有益效果：

本发明的设计和实施能够很好的解决上一代集中制动控制器在制动控制中的种种问题，并带来了以下几项有益创新和进步：

1.分布式制动控制能够在部分传感器以及执行机构故障的情况下，由非故障制动控制子模块协同完成代替故障节点的功能，实现了故障时制动控制权的无缝切换和安全可靠的制动控制。

2.分布式的多个子控制单元通过CAN总线进行数据的交换和存储，实现了多个CPU协同工作，避免了了集中式模式下单处理器的高负荷工作，多个控制器各自负责自己的模块功能，并通过内部CAN总线实现了数据定时交换通信，整个系统可靠有序，另外通过接入CAN网络调试终端能够很方便地对系统进行监控和排错，快速定位故障位置，方便调试运行。

3.DBPU以及制动控制子模块均带有可存储设备，可以记录自身状态信息，DBPU能够对整个系统的CAN通信数据以及制动控制子模块和DBPU自身的I/O数据进行存储和分析，记录运行错误和日志信息。当发生系统故障的停机的时候，能够记录运行信息，再次开机，可以可靠恢复现场。增加了系统的可靠性。

4.该控制装置设计方法安全可靠，从实际应用出发，从多个角度和层次确保了机车制动的安全运行，同时针对系统故障能够快速的定位，准确记录，整体性能达到了设计的目的和要求，完全达到了科技立项的各项指标，属国内领先。本项目产品的成功研制，是缓解目前我国铁路运力紧张、适应我国铁路发展提速要求的重要标志之一，也是铁路机车牵引和制动发展的必然趋势。这对我国铁路运输的提高运量和安全、社会的发展均有重要意义，其社会效益显著。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为本发明的供电单元示意图

图3为本发明的信号采集以及信号输出示意图

图4为本发明的DBPU中第一控制模块示意图

图5为本发明的通信模块结构示意图

图6为本发明的供电单元结构示意图

图7为本发明的制动控制子模块结构示意图示意图

表1为本发明的制动装置内部的CAN通信协议

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，在附图中，相同的标识表示相同或相似的组件或元素。

图1表示的是本发明基于CANopen协议的分布式机车制动控制装置的系统结构图

图1展示的是本发明的系统结构图，主要包括供电单元、分布式制动处理模块(DBPU)、制动控制子模块(分别为均衡控制模块ERCP、电子分配阀模块EDCP、列车控制模块BPCP、补机控制模块SLCP)以及监控调试终端等模块。其中供电单元与DBPU模块以及制动控制子模块直接连接，供电单元输入DC110V电源，内部转换为DC110V、DC24V电源为DBPU以及制动控制子模块供电，另外供电单元提供了CAN通信中继接口以及信号输入输出中继接口，为DBPU以及通信子模块之间提供线路中继。装置中的监控调试终端通过连接CAN总线接至CAN网络，从而监控各个单元模块的CAN通信数据并完成特定控制单元的调试功能。分布式制动处理模块模块主要与系统外部设备中央控制单元(CCU)通过MVB协议进行通信，并通过装置内部CAN网络与制动控制子模块进行通信，分布式制动处理模块与制动控制子模块之间通过硬线连接。各个制动控制子模块和分布式制动处理模块组成装置内部的CAN网络，该网络采用的通信协议为CANopen通信协议，所采用的通信介质为屏蔽双绞线，帧格式采用CANopen扩展帧，各个控制器之间进行CAN数据的交换。

各个模块的功能如下：

DBPU模块是分布式机车制动控制装置的核心部件，由内部电源转换模块、控制模块构成，其中控制模块由高性能的PC104作为控制核心外接数字量、模拟量输入输出电路以及通信模块，主要完成输入信号采集，接收CAN网络和MVB网络的信号，同时产生相应的数字量及模拟量输出信号，并通过CAN网络以及MVB网络与制动控制子模块以及中央控制单元进行通信，同时核心PC104控制器可以完成对系统故障的诊断和运行日志记录等功能。

图2展示的是DBPU的内部电源模块示意图，内部电源模块将外部输入DC110V电源转换为DC24V以及DC5V电压。整体采用稳定可靠的模块电源以及外部电路构成，硬件主要有滤波模块、110V转24V模块，110V转5V模块、短路保护模块等组成。提供DBPU短路保护功能、输入电源滤波等功能。

图3展示的是分布式制动处理模块所包含的数字量信号采集模块、模拟量信号采集模块及数字量信号输出模块的详细示意图，该部分的数字量信号采集模块、模拟量信号采集模块主要由光电隔离和电阻网络所组成，数字量和模拟量输入信号经由电阻网络进行分压限流处理，接着由光电隔离单元进行电气隔离，再通过PC104输入总线扩展部分与PC104进行连接。

由图3所示，数字量信号输出模块主要由驱动电路以及MOSFET输出部分组成，PC104通过输出总线扩展连接输出驱动电路，然后连接至MOSFET进行数据输出。提供机车上一些数字量输入(10路)/输出(8路)信号电平变换处理接口电路。其中I/O模块的控制输出通道电路以大功率MOSFET作为开关控制110V电压的通断，该部分电路采用过流保护的反馈作用，具有自诊断、故障率低、响应速度快等特点。

图4显示的是第一控制模块，第一控制模块的核心处理器为基于X86机构的PC104处理器，通过扩展CHIPDISK实现日志记录功能，通过总线扩展模块实现IO数据采集与输出功能，提供IO接口。通过双口RAM实现与第一CAN通信模块的数据交换。另外包含一个单片机处理器XC164CS，该处理器与PC104通过双口RAM实现两个CPU之间数据的交换。

图5显示的是通信模块结构示意图，通信模块主要包括MVB通信模块和第一CAN通信模块，另外通信模块留有TRDP以及USB通信接口以供后续更新。

由图可知第一CAN通信模块主要由用于实现与外部CAN网络实现数据交换的双口RAM、用于实现与CAN网络设备之间进行数据交换的控制器XC164CS以及用于发送及接受CAN数据的CAN网络数据收发器组成，其中DPRAM主要用来PC104与XC164之间进行CAN数据的交换。XC164外接CAN收发器电路实现双路CAN接口。CAN通讯芯片分别通过二CAN网络数据收发器通信连接系统内部CAN网络，第一控制模块通过双口RAM与通信控制器通信连接；CAN通模块分为CANA以及CANB两路单独CAN总线，主要与制动控制子模块进行通信。

其中MVB通信模块部分主要包括一个实现与MVB网络之间的数据交换的双口RAM以及一个用于实现MVB网络通讯的MVB通讯芯片以及用于发送及接受LON数据的MVB网络数据收发器组成，PC104通过数据与地址总线连接MVB网卡实现MVB协议的收发功能。MVB通讯芯片分别通过二MVB网络数据收发器通信连接机车内部MVB网络，控制模块通过双口RAM分别与二MVB通讯芯片通信连接。

图6显示的是分布式制动处理模块的供电单元结构示意图。供电单元为DBPU以及制动控制子模块提供直流电源，并提供分布式制动处理模块与制动控制子模块之间CAN通信总线以及IO信号线中继接口功能。

图7显示的是装置中的制动控制子模块结构示意图，主要包含以下四个模块：均衡控制模块ERCP、电子分配阀模块EDCP、列车控制模块BPCP、补机控制模块SLCP，四个子模块的硬件电路设计相同，采用不同的程序以实现不同的功能。子模块主要功能包括：子模块状态数据记录、数字量输入输出及处理、模拟量输入信号采集电路、PWM信号输出、通信子模块之间CAN通信、电磁阀和执行机构RFID标签读写控制。制动控制子模块之间以及子模块与DBPU之间主要通过CAN总线进行数据通信，采用的CAN协议为CANopen协议，DBPU为通信主节点，四个通信子模块分别为四个子节点，五个节点每个节点发送的CAN数据各含有两帧的CAN数据，并严格编码ID。

表1是整个发明装置中CAN网络设备的CAN通信协议设计，因为该通讯协议采用的是基于CANopen的协议，因此指定以下协议规定，以保证通信的可靠和安全。

表1

当系统正常工作时，DBPU作为CANopen的主节点，定时25ms发送一帧同步报文，当下面的制动节点收到同步报文后，根据自身的配置，轮流发送2帧的CAN数据，包括生命信号和状态信息。发送顺序根据帧ID进行排序。节点接受到第一个同步报文，一号节点发送2帧CAN数据，接受到第二个同步报文，二号节点发送2帧CAN数据，依次类推。