一種面向未來的新型高速地表運(yùn)輸系統(tǒng)—磁浮列車正以其獨(dú)特而神奇的魅力吸引著越來越多的關(guān)注目光。磁浮列車?yán)么帕Φ窒厍蛞Γ管圀w脫離軌道而懸浮在空中，并利用直線電機(jī)進(jìn)行推進(jìn)，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(diǎn)。磁懸浮列車外觀圖如圖1所示。

　　對于交通運(yùn)輸系統(tǒng)，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(yùn)營，在磁浮列車上采用了列車運(yùn)行信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對車輛的運(yùn)行位置、速度、運(yùn)行方向、加減速度的實(shí)時(shí)檢測，對司機(jī)的操作進(jìn)行監(jiān)測，對運(yùn)行的故障和操作的錯(cuò)誤進(jìn)行記錄，對運(yùn)行的故障信息進(jìn)行分級(jí)報(bào)警。本文正是以磁浮列車運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)為對象進(jìn)行研究。
1 系統(tǒng)主要功能和要求
　　列車運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)主要功能和要求如下：
　　(1)通過對磁浮列車的實(shí)時(shí)速度、到站距離、運(yùn)行方向、車門位置、駕駛臺(tái)操作的命令(如加減速、剎車、緊急制動(dòng)等)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測，并根據(jù)運(yùn)行的位置提示列車的最高限速，同時(shí)記錄運(yùn)行過程中的報(bào)警信息，從而實(shí)現(xiàn)磁浮列車的安全運(yùn)行。
　　(2)通過安裝在首、尾車的兩套同樣系統(tǒng)對車輛運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測，使系統(tǒng)在關(guān)鍵信息的采集上，具有一定的冗余性。
　　(3)對車輛運(yùn)行過程中駕駛員發(fā)出的關(guān)鍵操作命令以及車輛故障信息進(jìn)行記錄，即使掉電也不能夠丟失，便于提高駕駛員的崗位責(zé)任心。
　　考慮到測速傳感器—電感式接近開關(guān)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(yīng)室外的－25℃～+50℃的環(huán)境溫度。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　　列車運(yùn)行信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)主要由三臺(tái)運(yùn)行監(jiān)測儀和兩臺(tái)操作顯示計(jì)算機(jī)組成，組成框圖如圖2所示。首、尾車的運(yùn)行監(jiān)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(gè)運(yùn)行監(jiān)測儀在硬件上是相同的，并且互為備份，兩臺(tái)操作顯示計(jì)算機(jī)都接收這三個(gè)運(yùn)行監(jiān)測儀數(shù)據(jù)，通過三選二的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和記錄。對于這三個(gè)連續(xù)不斷的檢測通道，任何一個(gè)通道故障都是可容忍的，只有在系統(tǒng)兩個(gè)通道同時(shí)出現(xiàn)故障的情況下，才會(huì)在下一個(gè)停車點(diǎn)停車檢修。

　　該系統(tǒng)主要由列車運(yùn)行監(jiān)測單片機(jī)和外接的速度傳感器組成。列車運(yùn)行監(jiān)測儀以單片計(jì)算機(jī)為主CPU，以高亮數(shù)碼管為顯示單元，采用觸摸鍵進(jìn)行輸入，速度傳感器及駕駛員操作經(jīng)過光隔后進(jìn)入該監(jiān)測儀，監(jiān)測儀在首、尾及中間車各有一套速度傳感器，且相互獨(dú)立，監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。從圖3可知，監(jiān)測儀有八路開關(guān)量輸入口、兩路模擬量輸入口和一個(gè)CAN通訊接口，此外監(jiān)測儀留有四路開關(guān)量輸出口，通過組合編碼向外輸出報(bào)警信號(hào)。

　　操作顯示計(jì)算機(jī)面板布置如圖4所示。在面板上各用3位數(shù)碼管顯示“車速”和“限速”，用4位數(shù)碼管顯示“到站距離”(單位為米)，用3位數(shù)碼管顯示“本次運(yùn)行時(shí)間”。通過發(fā)光二極管(8)以閃爍方式顯示報(bào)警內(nèi)容(如急剎、超速、速度過低、快到站了)，或通過發(fā)光二極管(8)以亮和不亮方式顯示目前車輛運(yùn)行狀況(如加速、減速、制動(dòng)、正向或反向運(yùn)行)。通過按鍵在第二行數(shù)碼管顯示本車運(yùn)行的總里程，對標(biāo)按鍵主要是給“到站距離”這個(gè)變量賦初值。
　　上述五臺(tái)單片機(jī)之間通過CAN總線互相連接。

3 CAN總線
　　控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)是一種有效支持分布式監(jiān)控或?qū)崟r(shí)控制的串行通信現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò), 且無主、從機(jī)之分；CAN可以用點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播幾種方式傳送和接收數(shù)據(jù)；CAN直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(傳輸率為5kbps)，通訊速率最高可達(dá)1Mbps(傳輸距離為40m)；CAN總線上節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。CAN的媒體訪問采用多主隨機(jī)發(fā)送協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了無沖突的媒體訪問協(xié)議(載波偵聽多路訪問/沖突避免)。CAN具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在道路運(yùn)輸工具以外的領(lǐng)域，如機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療儀器、自動(dòng)測試系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。用戶在開發(fā)帶CAN總線的微機(jī)系統(tǒng)時(shí)，可不必過多了解CAN的兩個(gè)協(xié)議，只要完成CAN通信控制器初始化即可進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
　　結(jié)合CAN總線的特點(diǎn)和列車這個(gè)特定的環(huán)境，在本列車運(yùn)行信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)中，CAN總線是用作通信子網(wǎng)。主要是充分利用CAN總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面，尤其是在數(shù)據(jù)通信的可靠性、數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性以及數(shù)據(jù)通信的靈活性方面的優(yōu)勢，從而大量減少司機(jī)臺(tái)的控制信號(hào)線，使司機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì)更簡單、合理。本文主要結(jié)合通訊可靠性介紹CAN通訊“死機(jī)”時(shí)的處理方法。
　　CAN總線協(xié)議通過兩層機(jī)制來保證總線數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。第一層是從總線角度考慮的。CAN協(xié)議根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的出錯(cuò)情況，將節(jié)點(diǎn)分為三種類型并為每種類型定義了相應(yīng)的總線行為。這些總線行為對總線的影響是不同的。出錯(cuò)特別嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)退出總線，不再參與總線活動(dòng)。第二層是從單個(gè)節(jié)點(diǎn)角度考慮的。CAN控制器從硬件上提供了對自身出錯(cuò)情況的監(jiān)視。錯(cuò)誤捕捉寄存器提供了最近一次錯(cuò)誤的種類和位置信息。發(fā)送錯(cuò)誤寄存器和接收錯(cuò)誤寄存器保存了發(fā)送或接收過程中發(fā)生的錯(cuò)誤次數(shù)。錯(cuò)誤報(bào)警極限寄存器設(shè)定發(fā)出報(bào)警信號(hào)時(shí)的錯(cuò)誤次數(shù)。
　　CAN總線的“死機(jī)”問題，即部分CAN節(jié)點(diǎn)由于出錯(cuò)嚴(yán)重自動(dòng)退出總線而引起的采集數(shù)據(jù)丟失情況。解決這個(gè)問題，需要保證CAN節(jié)點(diǎn)不長久脫離總線。首先，CAN節(jié)點(diǎn)在收到錯(cuò)誤報(bào)警信號(hào)時(shí)，一方面要進(jìn)行錯(cuò)誤診斷，另一方面要將出錯(cuò)情況通過總線通知監(jiān)測總線的上位計(jì)算機(jī)；CAN節(jié)點(diǎn)在收到總線錯(cuò)誤信號(hào)時(shí)，進(jìn)行完錯(cuò)誤處理后要清除復(fù)位狀態(tài)位。其次，監(jiān)測總線的上位計(jì)算機(jī)要實(shí)時(shí)記錄各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀況，能夠引入外部干預(yù)。對于單個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，由于硬件損壞引起的脫離總線是無法自我修復(fù)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(jī)”方面作過多次實(shí)驗(yàn)。比如，用導(dǎo)線短接CAN總線。研究發(fā)現(xiàn)，通過在程序中加入CAN控制器的狀態(tài)檢測處理指令，可顯著提高CAN系統(tǒng)的抗干擾性。指令如下：
　　while(SR_CAN&&0x80)MOD_CAN＝MOD_CAN&&0Xfe；
　　注：SR_CAN 狀態(tài)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(guī)列車是靠運(yùn)動(dòng)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(guī)辦法進(jìn)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(shí)間內(nèi)通過的枕木數(shù)，檢測用的傳感器只要能檢測有無枕木，即采用接近開關(guān)就可測出。接近開關(guān)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(yīng)速度快、工作溫度范圍寬、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，所以在綜合性能上電磁式接近開關(guān)較好。
　　接近開關(guān)輸出的信號(hào)是開關(guān)信號(hào)，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(huì)受到一些干擾。干擾主要表現(xiàn)為尖峰，這些尖峰會(huì)影響測速的精度，還會(huì)引起速度的跳變，所以在測速時(shí)要盡量排除這些干擾。首先對開關(guān)輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，包括高頻濾波、整形、隔離，經(jīng)過處理后的信號(hào)再進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行軟件濾波，可消除干擾的影響。
　　檢測單位時(shí)間內(nèi)通過的枕木數(shù)的測速方法在列車行駛速度較慢時(shí)會(huì)響應(yīng)很慢，用測頻方法測速，就可以提高速度檢測的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。測量通過兩枕木之間的時(shí)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(gè)接近開關(guān)，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(shí)，B滯后A 90度，即t/T＝1/4，兩個(gè)傳感器的波形如圖6所示；列車反向行駛時(shí)，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。

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