摘 要： CAN总线是一种广泛应用于工业控制中的现场总线，AVR系列单片机作为一种微控制器，其应用也变的越来越广泛。通过介绍CAN总线技术的特点，研究了CAN总线通信节点的设计方案，给出了具体的硬件设计方案和软件流程，比较了CAN总线与RS 485总线在通信距离、实时性、可靠性及灵活性等方面的优缺点，并介绍了CAN总线通信在车站通信系统中的具体应用。通过实践证明，CAN总线在车站通信系统中具有良好的实用价值，为铁路信号系统的技术升级奠定了坚实的基础。
关键词： CAN总线； AT90CAN128； TJA1050； 车站通信系统； 通信节点
中图分类号： TN911⁃34； TP336 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）18⁃0086⁃05
Design of railway station communication system based on CAN⁃bus
GUO Shao⁃xiong， DU Shan⁃shan
（MOE Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Intelligent Control， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China）
Abstract： CAN⁃bus （controller area network bus） is a field bus which is widely used in industrial control. As a microcontroller， AVR SCM and its applications are becoming more and more widespread. The design scheme of CAN⁃bus communication node is studied by means of the characteristic introduction of CAN⁃bus technology. The specific hardware design scheme and software processes are offered in this paper. compares The advantages and disadvantages in the aspects of communication distance， real⁃time performance， reliability and flexibility between CAN⁃bus and RS⁃485 bus. The specific application of CAN⁃bus technology in the railway station communication system is introduced. The practical application proves that the CAN⁃bus has a good practical value in the railway station communication system， which lays a solid foundation for the technological upgrade of the railway signaling system.
Keywords： CAN⁃bus； AT90CAN128； TJA1050； railway station communication system； communication node
车站通信系统应用于铁路车站，用以交互室内与室外的信息，实现行车指挥，保证站内列车或调车车列运行时不发生追尾、迎面相撞、侧面冲突等事故。由于车站通信系统数据采集量大、实时性要求高和比较强纠错要求，所以为了满足以上条件，采用现场总线组成分布式控制系统，即用CAN总线作为通信总线对车站信号控制系统中的参数进行采集与控制，并通过车站通信系统进行传输和接收，满足铁路信号中的可靠性和安全性。
1 CAN总线概述
CAN是当今世界存在的40多种现场总线中的一种，它是德国博世公司（BOSCH公司）1986年提出的，用于解决汽车执行部件与内部测量之间的通信协议，后由ISO国际化组织认证成为标准串行通信协议。由于CAN总线技术先进、可靠性高、实时性强、功能完善、成本合理，已被广泛应用到自动控制、电子、电力系统及安全监控等各领域的自动化控制系统中。其特点可以概括如下[1⁃4]：
（1） CAN是一种多主网络，也就是说，CAN总线上的任何一个节点都可以向其他节点发送信息，不分主从，通信方式灵活。
（2） CAN节点设置了不同的优先级，保证高优先级的节点信息得到优先发送。
（3） CAN传输或者接收数据可采用一点与一点，一点与多点等方式。
（4） CAN节点数目前已经达到110个；有2 000多个标准格式的报文标识符，特别是CAN节点可对扩展格式报文标识符数目不给予界定。
（5） CAN的信息传输采用短帧格式，传输时间短，受干扰概率低，且每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，降低了数据传输的出错率。
（6） CAN具有非破坏性，即同时有2个或2个以上节点向总线传输数据，先保证最高一级的节点数据的优先发送，待最先输出的一级节点传送完数据后，其余节点再重新继续向总线传输数据。也就是说，最高优先级节点不受影响可以继续信息传输，避免了总线冲突。
（7） CAN节点具有自身关闭与总线联系的功能，以保证总线不因该节点错误而影响到其他节点的正常通信。因此，CAN具有较强的抗干扰能力。
（8） 5 Kb/s以下通信速率条件下，直接通信距离方面，CAN最远可达10 km；通信距离最长40 m的条件下，通信速率方面，CAN最大可实现1 Mb/s。
（9） CAN总线的通信介质可采用双绞线、同轴电缆和光导纤维，选择灵活。
（10） CAN结构选取OSI模型中的物理层、数据链路层和应用层，方便完成对通信数据的成帧处理。
2 CAN总线通信节点硬件设计
CAN总线通信节点的框图如图1所示。
图1 CAN总线通信节点系统框图
由图1可知，微控制器（带CAN控制器）、光电隔离和CAN收发器组成CAN总线通信节点的硬件原理[5]。在设计中微控制器采用AT90CAN128，光电隔离芯片采用6N137，CAN收发器选用芯片TJA1050，而且单片机内部已集成CAN控制器，因此省略了CAN控制器。AT90CAN128是低功耗的8位单片机，采用先进的RISC 结构。特别要强调的是，CAN 控制器已经完全集成在本款单片机芯片里，并且芯片兼容扩展帧2.0B和CAN标准帧2.0A，在晶振频率8 MHz条件下数据传输速率高达1 Mb/s。光电隔离芯片6N137通过把工业现场与控制器分开，提升系统的抗干扰能力。CAN收发器TJA1050的引脚和PCA82C250的引脚完全兼容[6]。CAN总线通信节点的硬件电路如图2所示。
3 CAN总线通信节点软件设计
要保证有效、实时地完成通信任务，在软件上对CAN总线通信节点进行设计是很重要的环节，关键运行过程如图3所示。本设计采用模块化，下面对各模块的内容分别进行了详细阐述[6]。
图2 CAN总线节点硬件原理图
图3 关键运行过程图
3.1 CAN控制器初始化
指的是设置接收代码寄存器、设置中断允许寄存器和设置输出控制寄存器等。初始化完成以后，CAN总线就可以进行数据的接收和发送。其初始化流程如图4所示。
图4 CAN控制器初始化流程图
3.2 数据发送程序
数据的发送是通过CAN 控制器操作的，是从CAN控制器到CAN总线。首先，将要发送的数据存储到CAN控制器发送缓冲区，然后将命令寄存器（CMR）中的“发送请求（TR）”标志置位，完成发送过程，最后释放发送缓冲区。具体工作流程如图5所示[7]。
图5 数据发送程序流程图
3.3 数据接收程序
首先，从CAN控制器接收缓冲区中取得数据后，将数据储存在对应数据区，完成后让出缓冲区。具体过程如图6所示[8]。
图6 数据接收程序流程图
4 CAN总线在车站通信系统中的应用和设计
本设计以兰州大成铁路信号有限公司自主研发的、采用硬件表决的全电子计算机联锁系统为开发背景，用以实现联锁机与全电子执行机之间信号的双向传输。CAN总线应用于铁路车站通信系统的原理框图如图7所示[9⁃12]。
从图7中可以看出，要实现对车站与室内之间的信息通信，车站通信系统需有以下几部分：上位监控机，联锁机，维修机和全电子执行单元。
（1） 上位监控机是高性能、高可靠的工业控制计算机，主要完成操作命令的下发以及实时显示接收的信息。
（2） 联锁机也是高性能、高可靠的工业控制计算机，它和CAN通信接口组成联锁主机单元，主要完成联锁逻辑运算以及对各种信息的处理，然后产生相关的输出信息让执行单元予以执行，其与上位监控机之间的通信是由以太网实现的。CAN通信接口是为了实现联锁机与CAN总线之间的物理连接，把联锁机挂接在CAN总线上，方便实现信息的交互。
（3） 维修机主要是监视上位监控机和联锁机之间的通信，获取运行状态数据并进行记录，实时刷新界面显示，而且将上位监控机的操作命令、联锁机处理的信息以及CAN通信情况实时的记录，便于出现故障后的处理以及其他情况处理。
（4） 全电子执行单元包括道岔执行单元、信号机执行单元、轨道执行单元以及其他执行单元，主要完成对转辙机、信号机、轨道电路及其他现场设备的控制和状态采集。执行单元和联锁主机的通信是通过两条独立的CAN总线相连，代替了原来的RS 485总线。联锁主机将联锁命令根据规定的协议通过CAN总线下发给各个执行单元，各执行单元将两条CAN总线接收的命令进行对比，当结果一致后则通过联锁命令来控制现场设备；同时采集现场设备的执行情况和状态信息，并通过CAN总线传送给联锁主机，通过这种方式来完成联锁主机与执行单元的双向通信[13]。
（5） 执行单元和联锁主机之间用两条独立的CAN总线代替了RS 485总线，形成了分布式控制，提高了实时控制的效果，丰富了传输的控制信息，加强了通信的可靠性和实时传输效率，保证了车站通信系统的安全性和可靠性，为铁路信号设备安全性的深入研究奠定了坚实的基础。
图7 应用于车站通信系统的原理框图
5 结 语
首先CAN总线在低速以5 Kb/s传输时距离可达10 km，RS 485只能到1 219 m 左右；其二RS 485一旦坏一个节点，整个总线网络就会瘫痪，CAN总线有CAN控制器，可以对总线任何错误进行检测，当节点发生严重错误的情况下具有自动关闭输出的功能；此外RS 485通信方式只能以主站轮询的方式进行，实时性、可靠性较差，而CAN总线的数据通信具有抗干扰性强、安全性高、实时性强、功能完善和成本合理等特点，因此在车站通信系统中用CAN总线代替RS 485总线进行通信。实践证明，CAN总线通信能实现很多优势，如安全性高、实时性强、功能完善、成本合理、通信距离远等，已成功的应用于大成公司的铁路车站全电子通信系统中。
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