城轨列车LCU应用现场CAN总线通讯质量评估技术研究.pdf

2023 年第 8 期 第 50 卷 机械 47 收稿日期：2022-01-11 作者简介：吴彩秀（1986），女，江苏南京人，工程师，主要研究方向为轨道交通电气工程，E-mail：；孔令倩（1992），女，广东深圳人，硕士，主要研究方向为轨道交通电气工程；杨楠（1990），男，四川成都人，主要研究方向为轨道交 通电气工程。城轨列车 LCU 应用现场 CAN 总线 通讯质量评估技术研究 吴彩秀1，孔令倩1，杨楠2（1.深圳地铁集团有限公司，广东 深圳 518000；2.成都运达科技股份有限公司，四川 成都 611731）摘要：针对列车可编程逻辑控制单元产品应用现场采用 CAN 总线，从 CAN 通讯原理与产品通讯总线架构角度分析了 CAN 总线通讯质量问题的产生原因，总结了可能出现的通讯质量问题。通过通讯成功率评估、采样点测试、负载率测试、通讯质量评分等系列方法，形成一套针对现场 CAN 总线通讯质量的评估方法。通过设计 CAN 通讯协议符合性智能评估软件，对 CAN 通讯数据是否符合 CAN 通讯协议要求进行智能分析。最后结合产品运用现场数据，对 LCU CAN 总线通讯质量进行了评估。关键词：城轨列车；CAN 通讯；评估技术；可编程逻辑控制单元；智能数据分析 中图分类号：U285.4 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.007 文章编号：1006-0316(2023)08-0047-08 Research on Communication Quality Evaluation Technology of Urban Rail Train Logic Control Unit Application Field CAN Bus WU Caixiu1，KONG Lingqian1，YANG Nan2(1.Shenzhen Metro Group Co.,Ltd,Shenzhen 518000;2.Chengdu Yunda Technology Co.,Ltd.,Chengdu 611731)Abstract：Aiming at the situation that the CAN bus is used in the application field of train programmable logic control unit products,this paper analyzes the causes of CAN bus communication quality problems from the perspective of CAN communication principle and product communication bus architecture,and summarizes the possible communication quality problems.Through a series of methods such as communication success rate evaluation,sampling point test,load rate test and communication quality score,a set of evaluation methods for the communication quality of on-site CAN bus are formed.By designing the intelligent evaluation software of CAN communication protocol compliance,an intelligent analysis on whether the CAN communication data meets the requirements of CAN communication protocol is conducted.Finally,on the basis of the field data of the product,the communication quality of LCU CAN bus is evaluated.Key words：urban rail train；CAN communication；evaluation technology；programmable logic control unit；intelligent data analysis 48 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 城轨列车可编程逻辑控制单元（LCU，Logic Control Unit）各车机箱间通过控制器局域网络（CAN，Contrller Area Network）进行数据共享，CAN 总线通信质量直接关系到列车控制数据的准确性与可靠性。因列车级 CAN 总线长度可能超过 150 m，且应用时不设计有源中继装置，在实验室环境测试与实车复杂电磁环境下存在实验室无法模拟的环境差异。可能在实车运用环境下产生与协议不符的报文、错包、重包、乱序、篡改等错误，最终引起 LCU 列车级 CAN 总线出现丢帧、校验错误甚至安全导向导致列车退出运营。为在装车、调试阶段量化评估 LCU 列车级CAN总线通讯质量，需研究建立一套LCU CAN总线通讯质量评估技术。及早发现 LCU 级联CAN 总线隐患，同时通过对海量 CAN 报文进行分析，智能地评估通讯质量。解决人工排查CAN 质量问题效率低、无法量化、无法可视化等问题，降低装车调试难度，排除 CAN 总线隐患，提升 CAN 总线通讯质量。1 LCU 级联 CAN 通讯架构 LCU 级联 CAN 总线用于多个 LCU 间数据通信。这些 LCU 一般分布在列车各个车厢电气柜，用于共享 LCU 控制指令、列车控制指令、校时指令、列车车号，及其他需显示信息1。LCU 级联 CAN 通信网络拓扑如图 1 所示。LCU3LCU4 图 1 LCU 级联 CAN 通信拓扑示意图 为避免在 CAN 通信过程中发生重复、删除、插入、重排序、损坏、延时错误2，影响LCU 功能和性能，LCU 级联 CAN 通信协议使用增加报文校验、超时识别、序列号等防护措施，并使用双冗余 CAN 增加可用性3。CAN 通讯是小范围实时通信网络，通信距离与速率成反比。如图 2 所示，LCU 级联 CAN通讯速率设计与通讯距离负相关。图 2 CAN 通讯速率与通讯距离特性曲线 2 LCU 级联 CAN 总线通讯质量评估 根据 LCU 装车调试经验，LCU 级联 CAN总线通讯质量评估分为通讯成功率评估、采样点测试、CAN 幅值评分、CAN 扰动评分、CAN斜率评分。最终通过 CAN 通讯质量智能评估确认级联 CAN 通讯数据内容与周期正确性。图 3 LCU 级联 CAN 通讯质量评估流程 2.1 通讯成功率评估 LCU 级联 CAN 在较高通讯负载率下，对错误容忍度较低。当出现 CAN 总线硬件终端电阻设计错误、斜率电阻参数设计错误、软件驱动设计错误等情况时，将导致 CAN 总线通信错误。此时能够在 CAN 总线上监测到错误帧，同时 CAN 通信成功率将低于 100%。故通讯成功率是LCU级联CAN通讯质量重要的评估因素。2023 年第 8 期 第 50 卷 机械 49 如图 4 所示，现场质量评估中，监测到通讯成功率为 100%。由于通讯成功率一般与硬件特性、CAN 总线布线、EMC（Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性）特性等有关，故质量评估中若发现 CAN 通讯成功率低于 100%，则视为 CAN布线质量不合格。即通讯成功率为 CAN 通讯质量 KO（Key Objective，关键任务）项。CAN 通信成功率评估分为错误帧抓取和发现异常后的排查措施。CAN 错误帧抓取通过连接到 CAN 总线的 CAN 通信终端接收 CAN报文，并通过上位机软件实时分析错误帧出现情况。CAN 通信成功率评估流程如图 5 所示9。图 4 现场 LCU 级联 CAN 通讯成功率监测 图 5 LCU 级联 CAN 通信质量评估通信成功率评估及异常处置流程 当发现错误帧时，应检查终端电阻情况，并检查级联 CAN 线路连接是否稳固。2.2 CAN 通讯采样点测试 CAN 通讯总线采用差分线通讯，无需时钟信号线并由接收端内部定时触发采集，虽避免了同步串行通信需要时钟信号线的缺点，但也引入了波特率误差会产生通信错误的问题8。对此，CAN 通讯总线规定信号的跳变沿时刻进行同步，将累计误差限制在两个跳变沿之间。并在发送多个相同位时，为避免误差累计，在连续 5 个相同位后插入一个相反位，产生跳变沿，用于同步。通过位填充提供同步信号，从而消除累计误差8。CAN 采样点位置是否标准且一致是评估 CAN 通讯硬件、布线等是否正常的依据之一，图 6 是调试现场测试的采样点。由于 CAN 通讯采样点测试与 CAN 总线上各通讯节点硬件设计、制造、时钟准确性及总线上干扰、通讯波特率等因素相关。故发现采样点异常时，则视为现场 CAN 总线通讯质量不合格，即 CAN 采样点为 CAN 通讯质量 KO 项。CAN 总线采样点测试及异常处置排查流程如图 7 所示。图 6 CAN 通讯采样点测试 发现采样点异常时，应重新检查该总线上通讯的所有节点，包括其软件版本、通讯波特率、工作频率等。在对经检测发现异常的节点进行修正后，再次测试，直至测试通过。50 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 图 7 CAN 总线采样点测试及异常处置排查流程 2.3 CAN 通讯负载率测试 对 LCU 产品而言，CAN 通讯负载率一般是确定且稳定的，正常情况下不会出现较大波动。以 CAN 总线扩展帧为例：假设数据长度为8 byte，其组成包括帧起始（1 bit）、仲裁域（32 bit）、控制域（6 bit）、数据域（88 bit）、循环冗余码域（15 bit）、分隔符（1 bit）、应答域（2 bit）和帧结尾（7 bit）。故对 CAN 扩展帧而言，帧最大长度共计 128 bit。当通信波特率为 1 Mb/s 时，有：KN0.0128%（1）式中：K 为 CAN 总线负载率；N 为总线上每秒扩展帧数量。在已知每秒帧数量的情况下，能够通过式（1）计算出每秒的总线负载率。根据对现场级联 CAN 总线测试得到的每秒帧数量计算得到的 CAN 总线负载率波动情况如图 8 所示。负载率/%图 8 CAN 总线负载率 一般而言，CAN 通信负载率应在一个稳定区间内小幅波动，通过不同车间 CAN 负载率对比，能较为直观地观察出是否整列车设备都正常启动并向总线上发送报文。2.4 CAN 通讯质量评分 CAN 通讯差分信号电平幅值，对信号的产生与接收非常重要，是 CAN 总线上收发器在逻辑信号与物理信号间转换的依据。当差分电平为隐性时，表示逻辑“1”，当差分电平为显性是，表示逻辑“0”。ISO 11898 标准下高速 CAN差分电平如图 9 所示4。电平/V 图 9 ISO 11898 高速 CAN 电平 当幅值稳定时，CAN 收发器很容易解析出逻辑值，但如果幅值较低，导致差分信号压差低于收发器解析阈值，收发器可能误判，从而导致 CAN 通讯异常11。CAN 总线一般采用双绞线传输差分信号，如图 10 所示，如果出现共模干扰，则会使信号线上产生相同幅度和相位的干扰脉冲。线路受到共模信号干扰后，信号差值不变，信号依然正确传输。但当线缆双绞圈数不足、布线环境电磁干扰过大或其他情况下，容易产生过多、过大幅2023 年第 8 期 第 50 卷 机械 51 度干扰或干扰只在某一条差分线上的情况，导致差分信号在受干扰位置被 CAN 收发器解析出错误逻辑值，从而通讯失败5。所以需进行通讯干扰幅度监测与横向对比，发现通讯质量薄弱环节并加以改进，以改善 CAN 通