一種面向未來的新型高速地表運輸系統(tǒng)—磁浮列車正以其獨特而神奇的魅力吸引著越來越多的關注目光。磁浮列車利用磁力抵消地球引力，使車體脫離軌道而懸浮在空中，并利用直線電機進行推進，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。磁懸浮列車外觀圖如圖1所示。

　　對于交通運輸系統(tǒng)，安全可靠是第一要素，磁浮列車也不例外。為了使車輛安全運營，在磁浮列車上采用了列車運行信號監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)對車輛的運行位置、速度、運行方向、加減速度的實時檢測，對司機的操作進行監(jiān)測，對運行的故障和操作的錯誤進行記錄，對運行的故障信息進行分級報警。本文正是以磁浮列車運行監(jiān)測系統(tǒng)為對象進行研究。
1 系統(tǒng)主要功能和要求
　　列車運行監(jiān)測系統(tǒng)主要功能和要求如下：
　　(1)通過對磁浮列車的實時速度、到站距離、運行方向、車門位置、駕駛臺操作的命令(如加減速、剎車、緊急制動等)進行自動監(jiān)測，并根據(jù)運行的位置提示列車的最高限速，同時記錄運行過程中的報警信息，從而實現(xiàn)磁浮列車的安全運行。
　　(2)通過安裝在首、尾車的兩套同樣系統(tǒng)對車輛運行狀況進行檢測，使系統(tǒng)在關鍵信息的采集上，具有一定的冗余性。
　　(3)對車輛運行過程中駕駛員發(fā)出的關鍵操作命令以及車輛故障信息進行記錄，即使掉電也不能夠丟失，便于提高駕駛員的崗位責任心。
　　考慮到測速傳感器—電感式接近開關安裝在車廂底板下，且離軌枕只有5cm，傳感器要加防撞措施，并且要適應室外的－25℃～+50℃的環(huán)境溫度。
2 系統(tǒng)總體設計
　　列車運行信號監(jiān)測系統(tǒng)主要由三臺運行監(jiān)測儀和兩臺操作顯示計算機組成，組成框圖如圖2所示。首、尾車的運行監(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，三個運行監(jiān)測儀在硬件上是相同的，并且互為備份，兩臺操作顯示計算機都接收這三個運行監(jiān)測儀數(shù)據(jù)，通過三選二的方法進行數(shù)據(jù)的顯示和記錄。對于這三個連續(xù)不斷的檢測通道，任何一個通道故障都是可容忍的，只有在系統(tǒng)兩個通道同時出現(xiàn)故障的情況下，才會在下一個停車點停車檢修。

　　該系統(tǒng)主要由列車運行監(jiān)測單片機和外接的速度傳感器組成。列車運行監(jiān)測儀以單片計算機為主CPU，以高亮數(shù)碼管為顯示單元，采用觸摸鍵進行輸入，速度傳感器及駕駛員操作經(jīng)過光隔后進入該監(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)測儀有八路開關量輸入口、兩路模擬量輸入口和一個CAN通訊接口，此外監(jiān)測儀留有四路開關量輸出口，通過組合編碼向外輸出報警信號。

　　操作顯示計算機面板布置如圖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“本次運行時間”。通過發(fā)光二極管(8)以閃爍方式顯示報警內(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行狀況(如加速、減速、制動、正向或反向運行)。通過按鍵在第二行數(shù)碼管顯示本車運行的總里程，對標按鍵主要是給“到站距離”這個變量賦初值。
　　上述五臺單片機之間通過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控制的串行通信現(xiàn)場總線網(wǎng)絡, 且無主、從機之分；CAN可以用點對點、一點對多點及全局廣播幾種方式傳送和接收數(shù)據(jù)；CAN直接通訊距離最遠可達10km(傳輸率為5kbps)，通訊速率最高可達1Mbps(傳輸距離為40m)；CAN總線上節(jié)點數(shù)可達110個。CAN的媒體訪問采用多主隨機發(fā)送協(xié)議，實現(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具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點，使其在道路運輸工具以外的領域，如機器人、工業(yè)自動化、醫(yī)療儀器、自動測試系統(tǒng)等領域得到了廣泛應用。用戶在開發(fā)帶CAN總線的微機系統(tǒng)時，可不必過多了解CAN的兩個協(xié)議，只要完成CAN通信控制器初始化即可進行數(shù)據(jù)通訊。
　　結(jié)合CAN總線的特點和列車這個特定的環(huán)境，在本列車運行信號監(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)通信實時性以及數(shù)據(jù)通信的靈活性方面的優(yōu)勢，從而大量減少司機臺的控制信號線，使司機臺設計更簡單、合理。本文主要結(jié)合通訊可靠性介紹CAN通訊“死機”時的處理方法。
　　CAN總線協(xié)議通過兩層機制來保證總線數(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)每個節(jié)點的出錯情況，將節(jié)點分為三種類型并為每種類型定義了相應的總線行為。這些總線行為對總線的影響是不同的。出錯特別嚴重的節(jié)點會自動退出總線，不再參與總線活動。第二層是從單個節(jié)點角度考慮的。CAN控制器從硬件上提供了對自身出錯情況的監(jiān)視。錯誤捕捉寄存器提供了最近一次錯誤的種類和位置信息。發(fā)送錯誤寄存器和接收錯誤寄存器保存了發(fā)送或接收過程中發(fā)生的錯誤次數(shù)。錯誤報警極限寄存器設定發(fā)出報警信號時的錯誤次數(shù)。
　　CAN總線的“死機”問題，即部分CAN節(jié)點由于出錯嚴重自動退出總線而引起的采集數(shù)據(jù)丟失情況。解決這個問題，需要保證CAN節(jié)點不長久脫離總線。首先，CAN節(jié)點在收到錯誤報警信號時，一方面要進行錯誤診斷，另一方面要將出錯情況通過總線通知監(jiān)測總線的上位計算機；CAN節(jié)點在收到總線錯誤信號時，進行完錯誤處理后要清除復位狀態(tài)位。其次，監(jiān)測總線的上位計算機要實時記錄各個節(jié)點的狀況，能夠引入外部干預。對于單個節(jié)點來說，由于硬件損壞引起的脫離總線是無法自我修復的，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”方面作過多次實驗。比如，用導線短接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)列車是靠運動的車輪來測速的。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)辦法進行?？紤]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，即采用接近開關就可測出。接近開關有光電的、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速度快、工作溫度范圍寬、環(huán)境適應性好等特點，所以在綜合性能上電磁式接近開關較好。
　　接近開關輸出的信號是開關信號，比如高電平表示檢測到對象，低電平表示沒有檢測到對象，這樣難免會受到一些干擾。干擾主要表現(xiàn)為尖峰，這些尖峰會影響測速的精度，還會引起速度的跳變，所以在測速時要盡量排除這些干擾。首先對開關輸出信號進行預處理，包括高頻濾波、整形、隔離，經(jīng)過處理后的信號再進入單片機進行軟件濾波，可消除干擾的影響。
　　檢測單位時間內(nèi)通過的枕木數(shù)的測速方法在列車行駛速度較慢時會響應很慢，用測頻方法測速，就可以提高速度檢測的實時性和準確性。測量通過兩枕木之間的時間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接近開關，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，B滯后A 90度，即t/T＝1/4，兩個傳感器的波形如圖6所示；列車反向行駛時，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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