0 引言
    城市軌道交通網絡的快速發展，給智能化、網絡化的地鐵通信提出了新的要求。事實上，城市軌道交通系統也必須具有一套專門負責城市地鐵中列車各模塊的數據采集、分析系統，以對列車各設備實施監測，提高列車車輛的運行安全。
    通過地鐵通信網絡可對列車的運行、狀態和故障進行監測和診斷，同時也可以對旅客服務信息進行綜合處理。它可以應用多種總線技術把分布于各車廂內部的、可以獨立完成特定功能的計算機互連起來，從而形成一種局域網，進而實現資源共享、協同工作、分散監測和集中操作。
    CAN是一種可有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡，該總線具有很高的時效性、可靠性、抗干擾能力和檢錯能力，而且開發費用比較低。可以應用于城市軌道交通車輛的現場總線中。但是，CAN總線只是對網絡的物理層和數據鏈路層進行了規范，而沒有對應用層做相應的說明。為此，本文給出了通過配置CANopen網絡接口來對地鐵現場控制系統中各個部分的主要參數進行采集，并通過CANopen總線發送到服務器的實現方法。

1 CANopen簡介
    CANopen是基于CAN-bus的分布式工業控制技術標準。它是由生產商和用戶聯合CiA共同開發的一種CENELEC EN 50325-4標準。CANopen已經在廣泛的工業通信上建立了標準(例如：機械工程，驅動系統和組件，醫療設備，樓宇自動化，交通工具等等)。CANopen的基本通信機制被
稱為通信描述，不同的生產廠商可以協調使用一個CANopen網絡。通信描述的結構增補是為專門的應用而設計的，這就是結構怎樣定義安全數據傳輸(“CANopen Safety”)或可編程設備(例如PLC)。對象詞典是每個CANopen設備的中心元素，具有描述設備的功能。
1．1 對象詞典(Objeet Directory)
    對象詞典是每個CANopen設備的中心元素，可用于描述網絡上設備的所有功能。對象詞典可描述網絡和應用程序之間的接口，所有對象詞典的人口都引用16位的索引和8位子索引。對象詞典包含著所有通過網絡訪問的參數，例如設備標識符、生產商名、PDOs和SDOs的通信參數、設備監控(“error control”)等都保存在對象詞典的通用區。設備描述區包含有IO功能(開關量和模擬量的輸入和輸出)、以及設備參數和PLC映射。如果發生錯誤，對象詞典還可以配置其行為。因此，對象詞典可以使設備行為符合各自的應用。
    對象詞典位于通信層和用戶層之間，其主要作用是為用戶提供服務接口。圖1所示是一個對象詞典在CANopen設備模型中的結構圖。

1．2 設備描述
    設備描述表用于描述自動控制系統中主要設備的類型屬性和特點。它定義了標準設備類型的功能和參數，所有的參數都保存在對象詞典中，從而可保證CAN-bus用同一方式訪問CANopen設備。通過不同生產商設備的互用性和可交換性，可為多客戶需求提供先決條件。用戶也可為開關量和模擬量的I／O設備、PLC設備和控制器定義設備描述表，以便在標準的EDS文件中用ASCII形式描述CANopen設備的參數和屬性，并作為一個包含所有設備屬性的表格訪問網絡。專門設備配置的實時參數通常保存在DCF(deviee configurationfile)中，DCF是繼承于EDS的配置文件。
1．3 使用PDO／SDO進行數據傳輸
    CANopen的數據傳輸具有兩個不同的數據傳輸機制，CANopen一般用過程數據對象(PDOs，Process Data Object)來處理短過程數據的快速交換，并通過SDO(Service Data Object)訪問對象詞典的人口。PDO可根據事件約束來循環或查詢傳輸，其傳輸采用無協議廣播形式。一個PDO傳輸可以達到八個字節，一個同步信息可同步網絡上數據的發送和遷移。每個PDO的屬性都可以在對象詞典中進行配置，其中包含通信參數(CAN標識符、傳輸類型等)和為每個PDO映射分配過程的數據。SDO則通過2個CAN-telegrams證實數據傳輸，并在兩個設備間建立點對點的通信。這樣，一個大的數據包(大于8字節)就能被傳輸給每個SDO。
1．4 CANopen通信接口
    CANopen協議中將通信對象分為四種：網絡管理對象(Network Management object，NMT)，服務數據對象(SDO)，過程數據對象(PDO)和預
定義報文／特殊功能對象。其中網絡管理對象(NMT)負責層管理、網絡管理和ID分配；服務數據對象用于對對象詞典中的項進行訪問，此類報
文可以工作在預操作狀態和正常狀態；過程數據對象工作在正常操作狀態，可以傳送8個數據字節，也就是64個狀態位。通常用于實時數據的傳送：預定義報文／特殊功能對象可為CANopen設備提供特定的功能，以方便CANopen主站對從站的管理。
1．5 CANopen總線的啟動和仲裁機制
    在網絡初始化過程中，CANopen可支持最小boot-up機制和擴展boot-up機制，其中擴展boot-up是可選的，而所有CANopen設備和節點都必須能夠支持最小的boot-up機制。
    當兩個或更多的結點在同時發送時，往往可能產生數據沖突，這樣，CANopen總線就必須有一個仲裁機制，以便在發生沖突時可以可靠地分配總線給一個預備發送的結點。這個策略叫做總線仲裁。CAN總線使用一位一位的總線仲裁方式。當兩個CAN站同時發送時，其發送權力可由顯性總線狀態決定。通過監視總線，當一個結點失去了總線仲裁時，它會被立即偵察到并停止發送，而當所有的結點都發送一個隱性位時，總線只在隱性狀態。事實上，只要有一個結點發送一個顯性位，整個總線電平就都是顯性的。

2 城市軌道列車通信網絡的設計
2．1 列車現場控制級通信網絡
    本文以4輛地鐵列車車廂編組為對象來進行列車通信網絡的設計，4輛地鐵列車車廂由兩個車輛單元組成，每一個單元包含帶司機室的拖車(Trail car with cab，Tc)和帶受電弓的動車(MotorCar with pantograph，Mp)。圖2所示是基于CAN總線網絡的列車通信網絡的結構設計圖。

    該列車通信網絡系統參照TCN(Topology Change Notification)配置，采用的是CAN總線，列車編組單元內的車輛總線采用CANopen協議。
所設計的地鐵列車通信網絡系統是基于輕型、模塊化和分布式設計，列車網絡采用兩級總線的層次結構。本系統采用兩路CAN總線來將各子系統的控制單元合理地分配到這兩路CAN總線上。每路CAN總線在Mp(帶受電弓的動車)車上有一個中繼器，各個子系統提供的CANopen接口都連接
到列車總線，以便于傳遞控制數據和狀態數據。列車控制監控系統可監視各子系統設備，同時接收各子系統的故障和狀態數據，并通過總線控制子系統以完成相應的功能。
    一般情況下，在選擇網絡拓撲結構時，應考慮到網絡的適應性、可靠性、可擴充性等性能，以選擇合理的網絡拓撲結構，從而實現機車設備級CAN總線網絡物理層的高可靠性。本文選擇的CAN總線型網絡拓撲結構能夠更好地運行列車自動系統，其中包括列車自動保護系統(ATP)和列車自動運行系統(ATO)。
2．2 VCU控制單元
    城市地鐵列車網絡的硬件系統通常由列車車輛控制單元(VCU)，遠程輸入輸出模塊(RemoteI／O Module，RIOM)，司機顯示單元(DDU)，列車通信中繼器(Repeater)等組成。其中列車車輛控制單元(VCU)用于通過車輛總線連接各子設備，負責列車網絡中各種數據的傳輸和管理，列車車輛控制單元與列車各子系統通信，可以采集列車運行時各子系統的數據，并將相應的控制指令發送到各子系統，以便對列車各設備實施列車級控制。VCU可選用高性能的列車專用PLC來實現。列車上的兩臺VCU分為強主VCU和弱主VCU，兩個VCU互為冗余。在強主VCU工作時，弱主VCU一直處于偵聽狀態，同時也可接收網絡上傳送的任何數據，但不行使網絡管理和控制功能。只有當強主VCU發生故障時，弱主VCU將馬上自動接替強主VCU工作，從而保證列車的正常運行。
2．3 配置過程
    本設計在CANopen通信網絡的基礎上，以牽引系統為例來設計牽引系統與控制單元之間的通信網絡接口，然后由列車主控制器VCU完成監測過程中數據的處理和虛擬儀器的工作。圖3所示是由VCU完成監測控制的程序流程圖。

    當系統進行完網絡管理狀態轉換之后，即可對控制系統節點啟動配置過程，具體步驟是在DCU不在線時，由VCU通過SDO周期性詢問DCU
是否在線；如果DCU已經連接到CAN總線上，則由DCU響應VCU的SDO請求；之后，再由VCU配置DCU的Rx PDO和Tx PDO，對象為14xxh和18xxh；之后由VCU配置DCU的消費者心跳，對象為1016h；同時由VCU配置DCU的生產者心跳，對象為1017h；最后，由VCU啟動DCU系統。此時，DCU系統將處于預操作模式，之后，DCU系統將進入操作階段，這時，PDO就能夠進行交換了。
    在CANopen網絡對牽引的控制過程中，其傳輸的數據類型有過程數據(PDO)、服務數據(SDO)、網絡管理數據(NMT)、時間戳(TimeStamp)和心跳數據(Heart-Beat)。其中過程數據用于傳輸DCU狀態數據、故障數據、控制指令等；服務數據指的是DCU系統所提供的一個SDO信道，這個信道用于網絡配置；網絡管理表示VCU使用NMT對象來管理和控制DCU通信；時間戳的作用主要是為了同步，通常VCU會周期性地廣播一個標準的時間戳到DCU，以便使DCU實時時鐘與VCU同步；此外，系統中的DCU也將周期性地產生一個心跳信息，這樣，VCU就可以通過檢測DCU心跳信息來了解其狀態；反之亦然。

3 結束語
    利用CANopen總線網絡拓撲結構能很好地連接城市軌道列車的各個數據模塊。另外，CANopen總線強大的數據傳輸能力，也可以讓列車通信模塊變得容易擴充。應當說明的是，CANopen總線協議的接口配置對不同的應用系統各有不同，而不同的配置也會影響通信速率，因此，只有合理配置，才能保證整個列車通信系統的正常工作。