李洋濤，柳初萌，徐 磊

(同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

1 引言

通信技術的迅速發(fā)展給傳統(tǒng)軌道交通行業(yè)帶來前所未有的變革。當今的動車組及城市軌道車輛的車載設備控制與通信，無不采用列車通信網(wǎng)絡技術?；贗EC61375 列車通信網(wǎng)絡國際標準的TCN 技術自推出十余年來得到了廣泛的應用。其中用于車輛級的通信網(wǎng)絡稱之為多功能車輛總線，即MVB(Multifunction Vehicle Bus)。

TCN 標準推出后得到了廣泛支持，MVB 也成為目前應用尤為廣泛的網(wǎng)絡形式。眾多國際大公司都提供MVB的相關產(chǎn)品，如西門子，龐巴迪，F(xiàn)ARSYSTEM、EKE、DUAGON 等［1］。因為MVB 產(chǎn)品技術門檻高，造價不菲，并非所有車載設備供應商都能夠提供具有MVB 通信能力的產(chǎn)品。如果將分散的車載設備接入MVB 網(wǎng)絡，則需要具有MVB 通信功能的輸入輸出單元作為中間環(huán)節(jié)?；诖?，對列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中的輸入輸出單元進行了設計和實現(xiàn)，設計完成的MVB 節(jié)點負責采集輸入數(shù)據(jù)信息，以及輸出控制數(shù)據(jù)信息，除了用于一般現(xiàn)場設備的數(shù)字量、模擬量I/O 接口單元外，還具有獨立的電源和車輛總線MVB 接口，可以實現(xiàn)分布式安裝，易于連接到MVB 列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，對MVB的研究應用具有重要的現(xiàn)實意義和實際應用價值。

2 MVB 網(wǎng)絡結(jié)構

列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)是保證列車可靠運行的核心部件。TCN 列車通信網(wǎng)絡是專門為列車通信而量身定制的，能滿足在復雜的列車環(huán)境下實時、可靠的通信。MVB 作為TCN 網(wǎng)絡中的車輛級網(wǎng)絡，其數(shù)據(jù)傳輸速度達1.5M/s，由RTP 協(xié)議保證實時性，采用總線冗余提高通信網(wǎng)絡的可靠性，物理層可采用三種傳輸介質(zhì)［2］。

MVB 實現(xiàn)一節(jié)車廂或者幾節(jié)車廂內(nèi)的可編程設備互連，將分布于車廂各處的以各種功能控制為目標的控制單元以及傳感器或者執(zhí)行器連成網(wǎng)絡，構成各控制單元以及設備之間信息交換的通道，成為分布式控制網(wǎng)絡的重要紐帶。MVB 網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構可以表示如圖1 所示。

圖1 MVB 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構示意圖

MVB 列車網(wǎng)絡一般采用總線結(jié)構，總線上各節(jié)點具有固定的地址，介質(zhì)訪問控制采取一對多點的主從方式，擁有網(wǎng)絡管理權的主設備按照預定的順序輪詢總線上的從設備。在輪詢周期內(nèi)，總線管理器擁有對MVB 網(wǎng)絡節(jié)點設備訪問總線的控制權?？偩€上一般設置多個總線管理器，介質(zhì)訪問控制的主權在多個總線管理器之間轉(zhuǎn)移，但在同一時間內(nèi)，只能有一個總線管理器是主動的，其他管理器作為備份以提高防故障能力。

網(wǎng)絡中的各個功能控制單元(如中央控制單元、牽引控制單元等)作為網(wǎng)絡中的節(jié)點，通過MVB 實現(xiàn)資源共享、信息通信，協(xié)同實現(xiàn)對列車車載設備的控制，保證列車可靠運行。輸入輸出單元是作為MVB網(wǎng)絡的一個重要節(jié)點，是MVB 網(wǎng)絡中控制單元與執(zhí)行機構、傳感器之間的中間環(huán)節(jié)。一方面，它通過輸入輸出接口與傳感器相連接，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)通過MVB 網(wǎng)卡發(fā)送到列車網(wǎng)絡上;另一方面，它接收網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)，將相關的數(shù)據(jù)發(fā)送到執(zhí)行機構。借助MVB，處理器可以通過一根電纜完成信號數(shù)據(jù)的采集和輸出，這樣便使得I/O 模塊能夠分散地布置于車廂各執(zhí)行單元和傳感器附近，大大縮短配線長度，既體現(xiàn)了靈活性，又提高了可靠性。

3 輸入輸出單元設計

設計的MVB 網(wǎng)絡輸入輸出節(jié)點主要負責采集輸入數(shù)據(jù)信息以及輸出控制信息。輸入輸出單元內(nèi)部結(jié)構如圖2 所示。在該節(jié)點中，帶有獨立的CPU，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集與收發(fā)，除了用于一般現(xiàn)場設備的數(shù)字量、模擬量I/O 接口單元外，還具有MVB網(wǎng)卡及接口，可以實現(xiàn)分布式安裝，易于連接到具有MVB 網(wǎng)絡接口的列車控制系統(tǒng)中。設計中還為節(jié)點配置了獨立的電源模塊，可利用列車輔助電路提供110V 直流電壓，轉(zhuǎn)化為單元內(nèi)部電路所需的5V直流電。

圖2 輸入輸出單元結(jié)構示意圖

本單元主要由以下部件組成:

(1)輸入輸出板卡

分為數(shù)字量I/O 板卡與模擬量輸入板卡，該板卡設有PC104 插座與MVB 網(wǎng)絡接口。

車輛的信號主要有數(shù)字信號與模擬信號，因此分別設計了數(shù)字量I/O 接口電路板與模擬量輸入接口電路板，用于采集現(xiàn)場設備信息并輸出控制信息。接口電路采用光電隔離設計方法，用以消除外部復雜的電氣工作環(huán)境對控制系統(tǒng)的影響。

為了完善網(wǎng)絡節(jié)點的功能，以及能夠?qū)崟r采集和處理列車控制系統(tǒng)中有關的輸入輸出數(shù)據(jù)，本設計在I/O 接口單元中采用了標準的PC104 總線，通過其實現(xiàn)接口電路與嵌入式CPU 板卡及MVB 網(wǎng)卡的連接。同時，在接口電路板卡上設計了MVB 網(wǎng)絡接口，以便于連接到列車網(wǎng)絡系統(tǒng)中。

(2)MVB 網(wǎng)卡

是本單元的核心部件，主要實現(xiàn)MVB 網(wǎng)絡物理層和鏈路層的功能，并提供鏈路層訪問接口。

MVB 網(wǎng)卡主要實現(xiàn)對過程數(shù)據(jù)通信的控制邏輯，包括產(chǎn)生和識別1.5Mbit/s的Manchester 碼，進行信號質(zhì)量檢測，自動報文分析處理，幀超時處理，改變設備地址，提供應用層接口等。

數(shù)據(jù)接收時，由串行輸入信號將Manchester 碼引入MVB 協(xié)議控制器的譯碼單元。譯碼單元在24MHz 采樣時鐘作用下，把數(shù)據(jù)幀的起始分界符和CRC 校驗位去除，將有效的數(shù)據(jù)送入接收緩沖區(qū)緩存。同時將接收幀的類型、大小、信號質(zhì)量等控制信號提交給報文分析單元。報文分析單元根據(jù)這些信號決定對幀的處理，并將處理辦法提交主控單元(MCU)。最終由主控單元控制下一步的動作。

數(shù)據(jù)發(fā)送時，由主控單元將控制信號送入報文分析單元，同時將有效數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩沖區(qū)緩存。編碼單元以時鐘單元產(chǎn)生的1.5Mbit/s時鐘信號為基準，根據(jù)報文分析單元給出的幀類型、有效數(shù)據(jù)大小等信號將幀起始分界符、CRC 校驗位，以及發(fā)送緩沖區(qū)中的有效數(shù)據(jù)組裝成幀，由串行輸出引腳發(fā)送出去，同時置發(fā)送使能信號有效。

(3)CPU 板卡

是整個單元的核心之一，主要有兩個功能:第一，控制MVB 網(wǎng)卡的運行;第二，控制和處理輸入輸出相關數(shù)據(jù)信息。

該節(jié)點CPU 板卡采用的是盛博公司的SysCentreModule－6230 型號的CPU 板卡。SysCentreModule－6230是一種高度集成的PC104 CPU 模塊，可方便與其它周邊設備及模塊構成完整系統(tǒng)的核心部件。其尺寸小，+5V 供電，工作溫度范圍寬，在一般PC/AT 機的母板基礎上擴展了嵌入式控制的特有功能，可作為獨立的PC/AT 引擎，與設計中的MVB網(wǎng)卡、輸入輸出板卡共同構成單元設計方案中的主體部分［3］。

(4)電源板卡

主要由電源轉(zhuǎn)換模塊、前向濾波電路、過電流保護等組成，該板卡的核心部件是一塊PH50S110－5電源模塊，輸入電壓DC110V，輸出電壓DC5V，為整個節(jié)點單元供電。

以上即為輸入輸出單元的主要部件，將CPU 板卡與MVB 網(wǎng)卡插接到I/O 電路板PC104 接口上，并與電源板連接，整體裝入機箱。機箱采用了一個符合工業(yè)控制計算機機箱標準的6U 尺寸鋁合金機箱。機箱是內(nèi)部板卡的支架，也可以起到屏蔽電磁干擾的作用。由此該設計構成了獨立的具有MVB通信功能的輸入輸出單元節(jié)點，如圖3 所示。MVB接口與網(wǎng)絡中其他節(jié)點相互之間以屏蔽電纜進行連接，通過I/O 接口與現(xiàn)場設備連接，即可實現(xiàn)現(xiàn)場設備與網(wǎng)絡上各控制節(jié)點的信息交互，并可于列車車廂內(nèi)靠近現(xiàn)場設備的部位安裝以滿足分布式控制要求。

圖3 輸入輸出單元實物圖

4 通信測試

設計完成后，在實驗室的MVB 網(wǎng)絡平臺上進行了通信實驗，如圖4 所示。以原MVB 網(wǎng)絡中的中央控制單元為主設備，數(shù)字量I/O 單元和模擬量輸入單元作為兩個從節(jié)點，并分別為每個節(jié)點分配了網(wǎng)絡地址，三個單元之間通過屏蔽雙絞線電纜連接構成MVB 網(wǎng)絡。將一個列車司機臺作為終端設備，分別將司機臺控制面板上的車門開關、鳴笛、電制動、SIV 啟動、客室燈等數(shù)字量輸入信號以及超速報警、故障指示、車門狀態(tài)、發(fā)車指示、發(fā)車蜂鳴器等數(shù)字量輸出信號與數(shù)字量I/O 單元連接，將司機臺手柄以及用來模擬速度、網(wǎng)壓等傳感器的電位器與模擬量輸入單元相連接。

圖4 實驗室列車網(wǎng)絡系統(tǒng)

MVB 網(wǎng)絡發(fā)送的報文有16種類型［4］，本設計中采用含有256 位過程數(shù)據(jù)的報文形式。對報文每一位進行了定義，如模擬量輸入一共有五路，每一路為12 位，占用2個字節(jié)，即定義256 位中的前80 位為5 路模擬量信息。同理，按位對數(shù)字量信號進行了定義，需要輸入的信息按位算共計33個，分配5個字節(jié)，需要輸出的信息共12個，分配2個字節(jié)，對其他沒有用到的信息位設置為“0”。

實驗在Turbo C 環(huán)境下進行了程序設計，由CPU 控制數(shù)據(jù)采集與收發(fā)，并由外接顯示器觀察、校核數(shù)據(jù)發(fā)送正確與否。經(jīng)過逐一測試司機臺各開關、按鍵、手柄等狀態(tài)，與各節(jié)點上接收發(fā)送的數(shù)據(jù)一致。如將代表速度傳感器的電位器調(diào)到分壓為最大，此時模擬量輸入單元采集到的“速度”信息為最大值(0X0FFF)，對應報文數(shù)據(jù)信息中的第1～2 字節(jié)，司機臺上行駛方向旋鈕打到前進檔(狀態(tài)為“1”)，對應報文數(shù)據(jù)第11 字節(jié)第0 位。此時因速度超過設定的安全值，司機臺超速報警蜂鳴器報警，超速報警燈點亮(控制信息均為“1”)，分別對應報文數(shù)據(jù)第16 字節(jié)的第3 位及第4 位，其余信息位均置為“0”狀態(tài)。模擬量輸入單元、數(shù)字量I/O 單元及中央控制單元收發(fā)的數(shù)據(jù)依次如圖5 各子圖所示。

圖5 MVB 網(wǎng)絡各節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)

經(jīng)過反復測試驗證，MVB 各節(jié)點收發(fā)的數(shù)據(jù)與司機臺信息一致，實現(xiàn)了可靠的網(wǎng)絡通信。

5 結(jié)束語

此設計符合IEC61375 列車通信網(wǎng)絡國際標準，基于當前主流的TCN 標準MVB 總線形式，采用MVB 網(wǎng)卡、MVB 接口及屏蔽雙絞線實現(xiàn)了網(wǎng)絡連接。設計的基于MVB 網(wǎng)絡的輸入輸出單元，作為獨立的模塊，配備獨立的控制單元、MVB 網(wǎng)卡、電源模塊，易于實現(xiàn)分布式安裝，便于將相應執(zhí)行機構或傳感器等接入列車網(wǎng)絡，為一般設備接入列車通信網(wǎng)絡以及網(wǎng)絡的擴展提供了靈活可行的方案。

［1］趙紅衛(wèi)，朱廣超，黃根生.MVB 通信網(wǎng)卡的研制與開發(fā)［J］.鐵道機車車輛，2009(8):30－33.

［2］倪文波，王雪梅.高速列車網(wǎng)絡與控制技術［M］.成都:西南交通大學出版社，2008:97－100.

［3］深圳市盛博科技嵌入式計算機有限公司.SysCentreModuleTM－6230 技術手冊［Z］.版本2.3.

［4］International Electrotechnical Commission.IEC61375－1，1999，Electric Railway Equipment－ Train Bus Part－1:Train Communication Network［S］.Geneva:IEC，1999.