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基于数字化传输研究在编组站测速雷达的应用
吴文杰
(上海电气泰雷兹交通自动化系统有限公司武汉分公司,湖北武汉,430000)
摘要:编组站场的电气化改造,其接地电流以及瞬时电流会较大,对于传统的雷达设备会有较大的干扰,电信号直接通
过电缆传输会受到电磁干扰。本文基于此背景,将传统的模拟信号传输,改为利用多普勒雷达数字化传输方式,采用双
CAN网络结构将多台测速主机组建成一个系统,铁路行业作为对安全可靠性及安全性要求极为严格,本文作者结合系统
实际情况,设计出实用的应用层协议,保证数字传输网络数据的可靠、安全传输,且抗干扰能力强。
关键词:雷达测速;数字化传输;CAN总线;安全协议;可靠性
Applicationofdigitaltransmissionresearchinvelocityradarof
MarshallingStation
WuWenjie
(WuhanBranchofShanghaiElectrieThalesTransportationAutomationSystemCo.,Ltd,Wuhan
Hubei,430000)
Abstract:Fortheelectrificationtransformationofmarshallingyard,thegroundingcurrentand
instantaneouscurrentwillbelarge,whichwillcausegreatinterferencetothetraditionalradar
equipment,andtheelectricalsignalwillbesubjecttoelectromagneticinterferenceifitis
,thispaperchangesthetraditional
analogsignaltransmissiontothedigitaltransmissionmodeofDopplerradar,andusesthedualcan
strictrequirementsonsafety,reliab订ityandsafety,theauthordesignsapracticalapplication
layerprotocolcombinedwiththeactualsituationofthesystemtoensurethenumberofdigital
transmissionnetworkDatatransmissionisreliableandsafe,andhasstronganti-interferenceability.
Keywords:Radarspeedmeasurement;Digitaltransmission;DualCANbusnetwork;Securitycommunication;
Reliability
1多普勒雷达测速2网络节点拓扑结构
多普勒雷达的测速原理,如下图1所示。双CAN总线型的拓扑结构有着较高的容错性与可靠性,
相比于普通的总线型结构,双CAN总线型的优点是更加容易
的扩充与后期升级,且它拥有四路CAN通路,比普通的CAN总
线能多分担一倍的数据量。为了保证编组站雷达测速系统有
着较高的可靠性与容错性,可选用双总线型的拓扑结构。测
速主机的核心选用STM32F105微控制器内部集成2路独立的
CAN控制器,避免了总线节点扩张而带来的电磁干扰。如下图
2所示的网络拓扑结构。多个测速主机可以分别挂载在双CAN
总线拓扑结构上。
网络系统采用了双CAN总线的控制器及总线的收发器,
从底层的物理层、数据链路层再到上层的应用层,都能够实
Z,是耿氏振荡器产生的简谐振荡信号,信号通过传输现冗余功能,作为整个测速主机的核心,双CAN网络结构,分
介质透镜天线辐射到前方的列车,当发送信号遇到移动的列为主从结构,其中一路为主CAN,另外一路为从CAN,在系统正
常工作时,系统只有一路CAN控制器工作,另外一路处于备用
车,经雷达反射的频率为f=f0±fd,其中乙称为多普勒测
状态。当主故障失效时,备用的从将接管主的工
速频率,它与车辆速度有如下关系:CANCANCAN
作。整个系统的冗余性能得到较大的提升,当主CAN的负载较
力=¥■/;>COS
大且传输数据量较大时,两路CAN可以一起工作,这样也提高
|82申耳测说
的数据报文通信,因此按
STM32F105
照此前的协议,首先要删
CAN控制器CAN控制器
节除该主机的主CAN连接,
CAN收发器NCAN收发器然后进行设备复位,如图4
CAN1CAN2所示。
CANHCANLCANHCANL
在图4中,可以看到
CANH1当建立主CAN节点通信的
CANL1>c
CANH2时候,状态信息为Failed,
CANL2>c说明该测速主机的主CAN
节点出现故障,不能正常
图2双CAN总线网络
的工作。因此在目标节点、
了整个系统的负载能力,可靠性大大提高。源节点发送不变的情况下,更改相应的优先级,改变要发送
3通信模式相应的功能码,将优先级改为0,优先级最高(此时出现设备
该协议的网络为主/从式网络,通信并不能随即发起,建故障)来操作主机从故障向安全转换。首先要删除该主CAN故
障节点,因此发送功能码0x02,从图7中可以看到状态标志
立连接后,主控设备必须按周期与从设备进行通信,以维持
位是Success,说明主CAN删除成功。然后需要重新复位该主
建立的通信连接。在该网络结构中由主CAN节点发起,并向从
机,发送功能码0x03,状态标识位是Success,故该测速主机
站CAN设备发送命令帧,从站设备收到该数据帧后,要在规定
复位成功。然后再软件中将节点切换到中,
的时间内返回应答帧,当主站收到返回的应答帧后,将会判CANProCANCAN2
发送相应的优先级、源节点、目标节点和功能码。相应的功能
断返回的报文是否有错误出现,则从CAN设备的应答帧会有
码为0x04(建立从CAN的连接)。从CAN节点能够完成主机测
一个异常功能码用于提醒主站CAN控制器,并且将该CAN节
速信息的报文传输,将主CAN故障转向安全侧,利用从CAN节
点从网络删除,且远程自动复位,并启动从CAN节点的连接。
点进行正常的工作。
因为该协议的网络为主/从式网络,主控设备需和从控
设备先建立一个连接,连接反应正常后,主控设备再给从控
设备发送相关的优先级编码、源节点编码、目标节点地址编
码和功能码,来控制相关的从控设备的相关工作。在CANPro
图4主CAN故障转向安全
分析平台中,制定相关的CAN应用层协议,测试网络连接无误
后,给priority发送0x02的编码(进行数字量的采集传输)、
SrcMACID发送0x08的编码,DestMACID发送0x08的地址
编码(对应相关的从控设备),功能码为0x01(用于节点主CAN
建立通信)。在CANPro协议软件的接收数据如3所示。
图5从CAN节点建立连接并正常工作
4结论
结合编组站的模拟信号传输容易受到干扰的研究背景,
本文作者提出了数字化信息传输的研究,利用双CAN网络机
图3协议基本功能测试
构,测速主机选用STM32F105为控制器的核心,本文主要针对
CAN总线应用层做出了相应的设计,该协议的特点如下:针对
双CAN网络的功能验证是符合故障导向安全EN50159应用层设计了相应的功能码、标识码,使得信息的传输更加
规范的,导向原则就是在硬件或软件故障时,能让系统从不
灵活。双CAN的网络结构能够让系统更加稳定,故障导向安全
稳定不安全的状态转换到相对稳定的情况。当系统传输的信
的功能也让系统的冗余性、可靠性、安全性更高利用CAN总线
息出现丢包、协议不稳、报文重复或丢失,系统网络能够识别作为数字信息传输的载体,相比于模拟量,受电磁干扰的能
出此类危险,并采取强制的措施让其他故障节点尽快恢复到力会更好
正常的工作状态。
参考文献
在本网络测试中,以CAN1节点故障为例,当给测速主机
的发送相关报文时,CAN1节点因为出现故障,不能完成相应[1][D].铁道部
(下转第47页)
申耳测说
ELECTRONICTEST
始阶段凶。通信终端设备接收到标签发送的信号,并获取到两种方法延迟时间,《区域通信信息实时定位技术规范》中规
标签信息所到达时间,从而取得区域通信信息传输距离方程定,区域通信信息实时定位延迟时间不得超过25ms,否则则
公式:视为定位无效,因此实验以定位延迟时间为实验结果,对两
=屁勺丫+何-叮(2)种方法进行对比分析,实验结果如表1所示。
表1两种方法对区域通信信息实时定位延迟对比(ms)
公式(2)中,7表示标签的传输速度;勺表示标签传输到通信数据量最大延迟限值/ms设计方法文献⑶方法
通信设备终端的时间;『2表示标签发送信息时的初始时间;
q和%
标;
利用公式(1)和(2)
间,将其统一整理到一个数据帧,从而形成区域通信信息标签。
观察表1数据可以得出以下结论:设计定位方法在实验
利用多普勒频移信息跟踪技术对区域通信信息进行实
中随着通信信息量的增加,定位延迟时间变化较小,且定位
时定位跟踪。在区域通信信道各个端口处建立多普勒频移信
延迟时间比较短,基本可以控制在6ms以内,即设计方法基本
息跟踪模块,该模块拦截通信信息标签,并读取标签中的信
满足区域通信信息实时定位要求;而文献[3]方法在实验中
息,为降低噪音干扰将区域通信信道的调制釆用常规的PAM
随着通信信息量的增加,定位延迟时间也会增加,并且延迟
调制模式,从而能够准确拦截并跟踪到区域通信信息,该过
时间比较长,远远高于设计方法,因此实验证明了,基于物联
程通过公式(3)表示:
网的区域通信信息实时定位方法具有较好的同步性。
=^apd(t-(p)+n(t)(3)
4
n=\结束语
公式(3)中,r(<)表示多普勒频移信息跟踪模块定位到本文在目前现有的区域通信信息实时定位方法基础上,
引用了物联网技术,此次研究对解决区域通信信息实时定位
的通信信息;a表示第n个多径分量的加成程度;n表示定
延迟问题具有良好的作用,同时为区域通信信息实时定位提
位到的多径分量数量;P表示双边功率谱密度;。表示多径
供了有利依据。由于个人能力有限,以及查阅的参考资料不
分量的传输路径;"«)表示PAM调制高斯白噪声。利用上述
足,虽然取得了一定的研究成果,但是在研究内容方面还存
公式实现对区域通信信息实时跟踪定位,以此完成基于物联
在一些不足之处,在通信信息实时定位方面研究不够深入,
网的区域通信信息实时定位。
因此今后仍需要在该方面进行进一步探究。
3实验分析
参考文献
实验以某区域通信环境为实验环境,为了能够更好地
测试出本文设计方法的同步性和有效性,在区域通信网络环[1]徐济成,刘超,
境中添加了高斯噪声干扰,利用高斯噪声干扰削弱通信信息信实现方法研究[J].沈阳工程学院学报(自然科学
的传输强度,该区域通信网络存在9条通道,实验中传输的版),2021,17(01):65-69.
⑵
通信信息量为900bit,实验利用基于物联网的区域通信信
分析[J],通信与信息技术,2020(02):93-95.
息实时定位方法与文献[3]定位方法对信息进行实时定位,
⑶王结太,官友廉,杨小牛,骆振兴,
设计对比实验。此次实验将通信网络环境中的空气传输介质
终端差异影响的无线定位方法[J].电信科学,2020,36
取值设定为2645658436m/s,信息传输路径定位程度设定为
(01):8&100.
,,将双边功
⑷[J],青岛
率谱密度值设定为2,实验分7次完成,每次对区域通信信息大学学报(工程技术版),2020,35(03):21-26.
实时定位的数据量分别为300bit、400bit、500bit、600[5][J].计
bit、700bit、800bit、900bit,读取信道采集卡测得的算机仿真,2019,36(12):451-454+463.
(上接第83页)
科学研究院,,2016,(04):70-74.
[2][J],铁道通信信⑸[J],工程建设与
(2):41-,2016,(02):82-84.
⑶孙悦,陈镜,[J],[6]韩成浩,[J].制造业自动
无线电工程,2014,02:63-,2010,(02):146-149.
[4][J].北京交
ELECTRONICTEST