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[摘 要]近年来CANopen总线协议在列车上的应用的越来越广泛，而在实际应用中由于各厂家的设计人员对协议的理解和认识差异，仍存在着无法与其他厂家设备建立通信等各种问题。本文从标准研究到试验台设计及现车验证等方面研究了CANopen总线协议的实际应用，为该总线后续实际应用提供技术参考。
[关键词]CANopen；列车网络控制系统
中图分类号：TH417 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）36-0281-01
1 前言
列车网络控制系统是现代列车核心技术之一，传统车辆总线控制方式依托的是MVB网络架构，面对市场需求的多样性，CANopen总线网络渐渐走进了轨道交通行业，IEC与2012年在IEC61375国际铁路标准根据ISO11898、EN50325及CIA CANopen规范，编制并发布了IEC61375 3-3 CANopen通信网络。
2 CANopen协议
CAN总线是一种有效支持分布式和实时控制的串行通信网络总线技术，具有硬件实现简單，数据通信稳定性高、灵活性高和可靠性高等特点，尤其适合用在分布式控制系统中。CANopen协议是基于CAN总线规定的应用层协议，该协议符合OSI标准，包含物理层、链路层、应用层。
2.1 CANopen通信结构
CANopen应用层定义了交换实时数据和参数数据的原理及网络管理。服务数据对象（SDO）被用来对设备参数进行读和写。过程数据对象（PDO）被用来交换实时数据。PDO具有一个广播特性，而SDO具有一个通道特性并被用在点对点的数据交换上。
CANopen为网络管理提供了另外4种服务：心跳、节点保护、紧急事件和同步。
通信：此功能设备提供通信对象，并具备适当功能性，可通过底层网络结构运输数据项。
对象字典：对象字典是对此设备所采用之应用对象、通信对象与状态机产生影响的所有数据项集合。
应用：应用包括设备与流程环境交互时的功能性。
2.2 对象字典
CANopen对象字典是CANopen节点的核心，规定了其数据结构。对象字典最多可包含 65536 个对象，通过 16 位索引进行寻址；每个对象最多包含 256 个子索引，通过 8 位子索引进行寻址。
1）一个具有16位主索引和8位子索引的查找表格。
2）每个入口（entry）存储了某种数据类型和长度的一个参数。
3）所有与过程和通信相关的信息和数据都保存在对象字典的预定义位置的一个入口处。
3 试验研究
依据IEC61375 3-3 CANopen标准，对列车网络控制系统进了设计，并先后进行了试验台试验和实车试验。
3.1 试验台设计
试验台依托CAN总线网络架构，车辆控制单元为主控节点，牵引控制单元TCU、制动控制單元BCU等子系统为从节点，此结构可有效地模拟列车网络控制。
该试验台组成包括车辆控制单元VCU、远程输入输出模块RIOM、人机接口界面HMI以及仿真环境。列车网络控制软件开发，主要针对的是车辆控制单元，搭建试验台的主要目的是为车辆控制单元VCU软件提供较完整的列车网络控制系统仿真测试环境，以达到检验设计的目的。
试验台仿真环境主要由车载网络控制、子系统仿真、控制电路仿真、司机驾驶仿真、电源及辅助设施组成，设计采用了嵌入式网络控制开发技术、列车人机界面开发技术、基于LabVIEW的仿真开发技术、CAN总线通信及以太网通信技术，仿真了列车网络控制系统工作环境。
3.2 试验台及实车测试
经过通信测试和模块化测试后，将各个模块进行系统集成测试，图1显示了列车从蓄电池上电开始、司机室占用钥匙激活、受电弓升弓、主断路器闭合、方向手柄向前、推牵引手柄至列车运行的过程，通过所采集的数据与设计要求进行相关比对，即可判断所测程序是否满足设计要求，从而验证了CANopen协议在试验台上的应用。
3.3 实车试验
在完成试验台测试之后，在公司的某研制列车上进行了实车试验，列车运行正常，下面是采集到的一些数据，如图2所示，可以观察出车的状态，图中表示列车车占用、司控器手柄操作及列车速度监视等。通过实车进一步验证了CANopen协议的设计及应用。
4 结论
介绍了CANopen协议的基本内容，网络控制系统软件设计，并在试验台和现车上进行了测试。随着CANopen协议在轨道车辆上的不断应用，其通用化会进一步提高，对进一步丰富轨道交通技术多样性，起到了推动作用。
本文通过对CANopen协议的研究，检验了CANopen协议在列车上的应用，验证了列车网络控制系统开发过程中总线通信配置及程序逻辑等方面的设计，可有效减少实际生产调试时出现的问题，CANopen协议在轨道车辆上的不断应用，其通用化会进一步提高，对进一步丰富轨道交通技术多样性，起到了推动作用。
参考文献
[1] IEC 61375-3-3.铁路电子设备—列车通信网络 （TCN）—第 3-3 部分：CANopen 编组网络 （CCN）[S].
[2] 刘胜、张兰勇等. LabVIEW 2009程序设计[M]. 电子工业出版社，2010.11.
[3] （德）Holger Zeltwanger. 现场总线CANopen设计与应用[M]. 北京航空航天大学出版社，2013.5.
作者简介
杜飞，男，（1986.10-），石家庄铁道大学，硕士研究生毕业，目前就职于中车唐山机车车辆有限公司，主要的研究方向是列车控制系统。
[关键词]CANopen；列车网络控制系统
中图分类号：TH417 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）36-0281-01
1 前言
列车网络控制系统是现代列车核心技术之一，传统车辆总线控制方式依托的是MVB网络架构，面对市场需求的多样性，CANopen总线网络渐渐走进了轨道交通行业，IEC与2012年在IEC61375国际铁路标准根据ISO11898、EN50325及CIA CANopen规范，编制并发布了IEC61375 3-3 CANopen通信网络。
2 CANopen协议
CAN总线是一种有效支持分布式和实时控制的串行通信网络总线技术，具有硬件实现简單，数据通信稳定性高、灵活性高和可靠性高等特点，尤其适合用在分布式控制系统中。CANopen协议是基于CAN总线规定的应用层协议，该协议符合OSI标准，包含物理层、链路层、应用层。
2.1 CANopen通信结构
CANopen应用层定义了交换实时数据和参数数据的原理及网络管理。服务数据对象（SDO）被用来对设备参数进行读和写。过程数据对象（PDO）被用来交换实时数据。PDO具有一个广播特性，而SDO具有一个通道特性并被用在点对点的数据交换上。
CANopen为网络管理提供了另外4种服务：心跳、节点保护、紧急事件和同步。
通信：此功能设备提供通信对象，并具备适当功能性，可通过底层网络结构运输数据项。
对象字典：对象字典是对此设备所采用之应用对象、通信对象与状态机产生影响的所有数据项集合。
应用：应用包括设备与流程环境交互时的功能性。
2.2 对象字典
CANopen对象字典是CANopen节点的核心，规定了其数据结构。对象字典最多可包含 65536 个对象，通过 16 位索引进行寻址；每个对象最多包含 256 个子索引，通过 8 位子索引进行寻址。
1）一个具有16位主索引和8位子索引的查找表格。
2）每个入口（entry）存储了某种数据类型和长度的一个参数。
3）所有与过程和通信相关的信息和数据都保存在对象字典的预定义位置的一个入口处。
3 试验研究
依据IEC61375 3-3 CANopen标准，对列车网络控制系统进了设计，并先后进行了试验台试验和实车试验。
3.1 试验台设计
试验台依托CAN总线网络架构，车辆控制单元为主控节点，牵引控制单元TCU、制动控制單元BCU等子系统为从节点，此结构可有效地模拟列车网络控制。
该试验台组成包括车辆控制单元VCU、远程输入输出模块RIOM、人机接口界面HMI以及仿真环境。列车网络控制软件开发，主要针对的是车辆控制单元，搭建试验台的主要目的是为车辆控制单元VCU软件提供较完整的列车网络控制系统仿真测试环境，以达到检验设计的目的。
试验台仿真环境主要由车载网络控制、子系统仿真、控制电路仿真、司机驾驶仿真、电源及辅助设施组成，设计采用了嵌入式网络控制开发技术、列车人机界面开发技术、基于LabVIEW的仿真开发技术、CAN总线通信及以太网通信技术，仿真了列车网络控制系统工作环境。
3.2 试验台及实车测试
经过通信测试和模块化测试后，将各个模块进行系统集成测试，图1显示了列车从蓄电池上电开始、司机室占用钥匙激活、受电弓升弓、主断路器闭合、方向手柄向前、推牵引手柄至列车运行的过程，通过所采集的数据与设计要求进行相关比对，即可判断所测程序是否满足设计要求，从而验证了CANopen协议在试验台上的应用。
3.3 实车试验
在完成试验台测试之后，在公司的某研制列车上进行了实车试验，列车运行正常，下面是采集到的一些数据，如图2所示，可以观察出车的状态，图中表示列车车占用、司控器手柄操作及列车速度监视等。通过实车进一步验证了CANopen协议的设计及应用。
4 结论
介绍了CANopen协议的基本内容，网络控制系统软件设计，并在试验台和现车上进行了测试。随着CANopen协议在轨道车辆上的不断应用，其通用化会进一步提高，对进一步丰富轨道交通技术多样性，起到了推动作用。
本文通过对CANopen协议的研究，检验了CANopen协议在列车上的应用，验证了列车网络控制系统开发过程中总线通信配置及程序逻辑等方面的设计，可有效减少实际生产调试时出现的问题，CANopen协议在轨道车辆上的不断应用，其通用化会进一步提高，对进一步丰富轨道交通技术多样性，起到了推动作用。
参考文献
[1] IEC 61375-3-3.铁路电子设备—列车通信网络 （TCN）—第 3-3 部分：CANopen 编组网络 （CCN）[S].
[2] 刘胜、张兰勇等. LabVIEW 2009程序设计[M]. 电子工业出版社，2010.11.
[3] （德）Holger Zeltwanger. 现场总线CANopen设计与应用[M]. 北京航空航天大学出版社，2013.5.
作者简介
杜飞，男，（1986.10-），石家庄铁道大学，硕士研究生毕业，目前就职于中车唐山机车车辆有限公司，主要的研究方向是列车控制系统。