CANopen协议在列车通信网络中的应用与研究

摘要

随着现场总线技术、计算机技术以及控制理论的发展，现代列车的运行控制系统越来越朝着数字化、网络化、自动化与智能化的方向发展，形成了基于网络的分布式控制系统，控制系统通信网络和通信总线协议的重要性日益凸显。作为CAN总线的高层协议CANopen协议具有高度的灵活性和可配置性，在欧美等国获得了广泛的发展和应用，已经从工业控制领域的应用发展到列车控制等领域。
　　本文以6节列车车厢编组的地铁列车为研究对象，在分析CANopen协议和地铁列车通信网络设计要求的基础上，提出了一种基于CANopen协议的地铁列车通信网络设计方案，完成了以TMS320F28335为核心的CANopen主从站硬件平台的设计开发以及CANopen主从协议栈的实现，搭建了CANopen地铁网络通信平台。
　　为了提高CANopen网络的通信性能，本文对CANopen网络配置中的PDO打包问题进行了研究。通过对PDO打包过程和打包机制的分析，本文提出了一种启发式的PDO打包算法——OLBF算法，详述了算法实现过程，给出了两个PDO打包性能评价函数，对经典BF算法与OLBF算法的PDO打包性能进行了对比评价，分析了OLBF算法的优越性。
　　本文利用OLBF算法对所设计的地铁列车通信网络的网络配置进行优化，并基于所搭建的平台进行了相关实验研究。实验结果表明，本文设计的地铁CANopen通信网络达到了设计要求，OLBF算法有效提高了列车CANopen通信网络的通信性能和网络信息的实时性，降低了总线负载，证明了本设计方案的可行性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 列车通信网络的发展

1．1．2 CANopen协议的发展和研究现状

1．2 课题研究任务及意义

1．3 论文结构

2 基于CANopen协议的地铁列车通信网络框架

2．1 CAN总线协议简介

2．2 CANopen协议分析

2．2．1 CANopen协议的对象字典

2．2．2 CANopen协议通讯对象及预定义标识符

2．3 地铁列车通信网络系统构成与设计要求

2．4 地铁CANopen通信网络总体架构

2．5 本章小结

3 CANopen主从站的设计与实现

3．1 CANopen主从站硬件实现

3．1．1 硬件芯片选型

3．1．2 eCAN模块介绍和CAN电路设计

3．1．3 CANopen主从站硬件设备

3．2 CANopen主从站软件框图

3．3 CANopen通讯底层驱动

3．3．1 CAN通信引脚、波特率配置

3．3．2 CAN模式设置、中断配置

3．3．3 CAN发送、接收程序

3．3．4 CAN底层驱动结构框图

3．4 CANopen协议栈的实现

3．4．1 对象字典的实现

3．4．2 CANopen通讯对象的实现

3．5 CANopen主从站软件流程

3．6 本章小结

4 CANopen网络中PDO打包算法的研究

4．1 PDO打包的提出

4．2 PDO打包过程

4．3 PDO打包机制

4．3．1 PDO打包组合

4．3．2 NP完全问题

4．4 启发式PDO打包算法

4．4．1 经典装箱算法

4．4．2 改进型PDO打包算法

4．5 OLBF打包算法性能分析

4．5．1 PDO打包性能评价函数

4．5．2 PDO打包算法性能分析

4．6 本章小结

5 地铁CANopen网络通信性能测试

5．1 地铁CANopen通信网络硬件平台

5．2 网络配置

5．2．1 网络通信数据

5．2．2 PDO打包算法在CANopen网络中的应用

5．3 CANopen网络通信功能测试

5．3．1 CANopen基本通信功能测试

5．3．2 PDO打包算法性能验证

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间主要的研究成果

致谢