基于CANopen总线的列车控制网络系统研究及应用

论文摘要

随着地铁列车运输负载量的增大,运行速度不断提高,这对列车安全性和可靠性提出了更高的要求。列车控制网络系统能够实现列车全线自动驾驶、超速防护以及故障分析和远程监控的功能,减少了人工控制的环节,提高了响应速度和可靠性。本论文以“广州地铁1号线国产化改造”为背景,提出了基于CANopen总线的地铁列车控制网络系统的设计方案。通过分析总线静态服务性能的各个参数,验证了CANopen和HDLC总线协议适配的可行性,并对其协议转换模型进行了深入的探讨。CANopen列车控制网络系统在硬件结构上主要分为四个部分:网络主控制器、车辆控制器、CANopen/HDLC网关和中继器。在协议转换模型研究的基础上,提出CANopen/HDLC网关的设计方案。网关的硬件设计包括LPC2294处理器模块、CANopen总线通信模块和HDLC通信总线模块三部分。网络主控制器、车辆控制器和中继器选用了现有的成熟产品。根据CANopen应用层协议,设计对象字典、PDO和SDO的接口函数,然后设计了网络主控制器和其他从节点的主函数,完成了控制网络系统的软件设计。最后对CANopen列车控制网络系统进行了测试,包括CANopen/HDLC网关的功能测试,列车控制网络系统的通信测试和实时性测试。重点测试分析了在不同的总线负载和通信速率下影响系统实时性的关键因素—报文时延,充分验证了本设计方案的可行性与正确性。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 引言
• 1.1 列车控制网络系统的发展
• 1.2 基于现场总线的列车控制网络系统研究和应用现状
• 1.2.1 WTB和 MVB总线
• 1.2.2 通用的现场总线
• 1.3 本论文的研究内容和意义
• 2 基于 CANopen总线的列车控制网络系统总体架构
• 2.1 列车控制网络系统的设计要求
• 2.2 总体架构的设计方案比较
• 2.3 通信设备的功能分析及硬件选型
• 3 通信总线的协议适配研究
• 3.1 CANopen总线协议特性
• 3.2 HDLC总线协议特性
• 3.3 通信总线静态服务性能对比
• 3.4 CANopen/HDLC协议转换模型研究
• 4 CANopen/HDLC网关的设计
• 4.1 协议转换网关的总体设计
• 4.2 ARM处理器 LPC2294模块设计
• 4.2.1 LPC2294接口设计
• 4.2.2 LPC2294电源设计
• 4.2.3 LPC2294复位和调试电路设计
• 4.2.4 电平匹配接口设计
• 4.3 CANopen总线通信模块设计
• 4.4 HDLC总线通信模块设计
• 4.4.1 SAB82525接口设计
• 4.4.2 AM7960接口设计
• 4.4.3 CPLD接口设计
• 4.5 协议转换的接口函数设计
• 5 CANopen应用层协议和通信节点的软件设计
• 5.1 通信节点对象字典的建立及接口函数设计
• 5.1.1 对象字典的结构
• 5.1.2 通信节点对象字典的建立
• 5.1.3 对象字典的接口函数设计
• 5.2 应用层通讯对象的接口函数设计
• 5.2.1 过程数据对象传送类型及参数分析
• 5.2.2 过程数据对象接口函数设计
• 5.2.3 服务数据对象传送协议命令字解析
• 5.2.4 服务数据对象接口函数设计
• 5.3 通信节点的主函数设计
• 5.3.1 网络管理对象协议分析
• 5.3.2 网络从节点的主函数设计
• 5.3.3 网络主控制器的主函数设计
• 6 CANopen列车控制网络系统的组网测试
• 6.1 CANopen/HDLC网关的功能测试
• 6.2 列车控制网络系统的通信测试
• 6.3 列车控制网络系统的实时性分析及测试
• 6.3.1 CANopen控制网络系统的实时性
• 6.3.2 CANopen总线的报文时延分析
• 6.3.3 列车控制网络系统的总线负载率分析
• 6.3.4 列车控制网络系统的报文时延测试
• 7 总结与展望
• 参考文献
• 附录A
• 学位论文数据集