都淑明

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

0 前言

隨著生活水平的不斷提高，旅客對(duì)乘坐列車(chē)的舒適性以及對(duì)旅行中的娛樂(lè)和資訊的需求也越來(lái)越大。因此，在世界高速鐵路列車(chē)運(yùn)行速度達(dá)到300km/h以后，發(fā)展列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和提高旅客乘車(chē)的環(huán)境成為各個(gè)國(guó)家機(jī)車(chē)車(chē)輛發(fā)展的另一個(gè)重要的技術(shù)方向[1]。

1999年 6月，IEC/TC9/WG22在 ABB公司的 MICAS、西門(mén)子(Siemens)公司的DIN43322和意大利的CD450等的基礎(chǔ)上，制定了列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò) (TCN)標(biāo)準(zhǔn)—IEC61375協(xié)議。在2002年，我國(guó)也將IEC61375正式確認(rèn)為我們國(guó)家的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

目前，TCN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在國(guó)際范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，并且還得到了歐盟范圍內(nèi)一些機(jī)車(chē)車(chē)輛零部件公司的技術(shù)支持。Siemens的SIBAS32系統(tǒng)和ADtranz的MICAS-S2系統(tǒng)都是符合TCN標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)產(chǎn)品，另外芬蘭的EKE電子公司、意大利的Far-system公司以及捷克的Unicontrol公司也都研發(fā)出了自己的符合TCN標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，瑞士的Duagon等公司則開(kāi)發(fā)出了基于FPGA的系列MVB網(wǎng)卡和I/O設(shè)備。用戶(hù)可以通過(guò)購(gòu)買(mǎi)這些網(wǎng)絡(luò)部件來(lái)完成對(duì)列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)[3-9]。

1 多功能車(chē)輛總線MVB

MVB(Multifunction Vehicle Bus)是將在同一車(chē)廂或者不同車(chē)廂中的設(shè)備連接到列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)上的車(chē)輛總線。它提供了兩種連接：一是可編程設(shè)備之間的互相連接；二是將可編程設(shè)備與它們的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間互相連接。MVB最多能夠?qū)ぶ?095個(gè)設(shè)備，其中有256個(gè)設(shè)備是能參與消息通信的站。MVB在機(jī)車(chē)車(chē)輛上的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 機(jī)車(chē)車(chē)輛上的多功能車(chē)輛總線Fig.1 MVB of locomotive vehicle

MVB能夠傳輸三種類(lèi)型的數(shù)據(jù)：一是，進(jìn)程數(shù)據(jù)，用于進(jìn)行源尋址數(shù)據(jù)的周期性廣播，其最快的周期為1ms；二是，消息數(shù)據(jù)，它可以根據(jù)需要用于目標(biāo)尋址的單播或廣播；三是，監(jiān)視數(shù)據(jù)，主要用于事件分解、總線主權(quán)傳送和設(shè)備狀態(tài)傳送這三個(gè)目的數(shù)據(jù)交換[10-11]。

2 中央控制模擬單元系統(tǒng)描述

中央控制單元是TCN通信網(wǎng)絡(luò)中的四類(lèi)設(shè)備，在TCN網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用。中央控制單元幾乎監(jiān)督和控制列車(chē)上所有的其他系統(tǒng)，例如門(mén)、HVAC、牽引等。中央控制單元作為MVB總線的主管理器，還可以存儲(chǔ)診斷數(shù)據(jù)，與智能顯示單元進(jìn)行通信。

2.1 中央控制模擬單元系統(tǒng)硬件描述

中央控制模擬單元機(jī)箱的硬件主要分為五部分：MVB板、MVB接口板、電源板、電源接口板、背板。其核心部件為MVB板，MVB板的硬件架構(gòu)如圖2所示，該模塊的主CPU芯片為Freescale公司的MPC5200B微控制器，它是一款緊湊型、低功耗的嵌入式處理器。該芯片采用MPC603e為內(nèi)核，主頻為 400MHz，在-40℃～85℃的溫度范圍內(nèi)處理速度達(dá)760MIPS，適于在惡劣的環(huán)境下高效地運(yùn)行[3，9]。同時(shí)它還集成了16K指令緩沖存儲(chǔ)器，16K數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器，雙倍精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元，可同時(shí)與其他關(guān)鍵任務(wù)高速地進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。它還有指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器管理單元，具有臨界中斷的能力。此外MPC5200B集成了豐富的外設(shè)接口，帶有一個(gè)SDRAM/DDR存儲(chǔ)控制器、一個(gè)靈活的外部總線接口、一個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)控制器、一個(gè)通用串行總線USB、一個(gè)以太網(wǎng)接口Ethernet、六個(gè)可編程的串聯(lián)控制器PSC、一個(gè)定時(shí)器Timers、一個(gè)通用輸入輸出接口GPIO、一個(gè)高速同步串行口SPI等。

通用外圍電路主要包括：電壓及溫度監(jiān)控電路、看門(mén)狗電路、存儲(chǔ)單元和運(yùn)行電路、串口通訊和以太網(wǎng)通信電路。其中電壓及溫度監(jiān)控電路能監(jiān)視5V、3.3V、2.5V的電壓，并監(jiān)視CPU工作的溫度在-25℃～70℃。CPU和FPGA各有外部硬件看門(mén)狗電路，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，定時(shí)刷新看門(mén)狗。若系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有刷新看門(mén)狗，則看門(mén)狗電路發(fā)出復(fù)位信號(hào)，系統(tǒng)復(fù)位并重新運(yùn)行。存儲(chǔ)單元和運(yùn)行電路包括132MHz并支持DDR模式的SDRAM，為上電后運(yùn)行的程序和提取的數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)空間，32M的Flash用作存儲(chǔ)BOOTROM、VxWorks和應(yīng)用程序。RS-232串行通訊接口電路波特率115200bpms，可提供目標(biāo)機(jī)與上位機(jī)的串口通訊服務(wù)功能。以太網(wǎng)通訊接口電路提供標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP通信接口，支持100M的通信模式。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片自帶電池，斷電時(shí)能保存時(shí)鐘信息。帶有MVB ESD+接口，符合IEC61375-1標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 中央控制模擬單元硬件架構(gòu)Fig.2 Hardware architecture of CCU

2.2 中央控制模擬單元系統(tǒng)軟件描述

中央控制模擬單元的軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其軟件架構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)軟件啟動(dòng)采用bootroom+VxWorks+應(yīng)用程序的方式，其中VxWorks和應(yīng)用程序放在文件系統(tǒng)中，方便調(diào)試、更新和升級(jí)。軟件系統(tǒng)分為三步啟動(dòng)：首先啟動(dòng)bootroom，初始化CPU和SDRAM，加載串口和網(wǎng)口的驅(qū)動(dòng)，建立TFFS文件系統(tǒng)；然后VxWorks映像程序由bootrom.bin啟動(dòng)，實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)接管整個(gè)系統(tǒng)軟件資源；最后VxWorks加載應(yīng)用程序，啟動(dòng)各個(gè)任務(wù)。mvb.out是MVB總線通信的驅(qū)動(dòng)程序。procon.out是用Multiprog開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序的執(zhí)行管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)從各個(gè)PLC任務(wù)中獲取需要執(zhí)行的代碼，并翻譯執(zhí)行。tcpServer.o和tcpClient.o分別是TCP/IP通信服務(wù)器端程序和TCP/IP通信客戶(hù)端程序，負(fù)責(zé)PC機(jī)與中央控制單元通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。mvb_conf.dat是MVB端口配置文件，主要包括MVB主設(shè)備端口配置和從設(shè)備端口配置。startup.txt是啟動(dòng)文件，包含一些啟動(dòng)參數(shù)，如啟動(dòng)設(shè)備、啟動(dòng)路徑等。TCN協(xié)議棧軟件通過(guò)MVB應(yīng)用層AVI接口跟procon.out交換數(shù)據(jù)，完成對(duì)各個(gè)PLC任務(wù)的通信。

TCN協(xié)議棧軟件由實(shí)時(shí)協(xié)議棧軟件和MVB鏈路協(xié)議棧軟件兩部分組成[12]。

1）TCN實(shí)時(shí)協(xié)議棧軟件

TCN實(shí)時(shí)協(xié)議棧軟件主要支持消息數(shù)據(jù)通信，按照功能其可分為網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話(huà)層和應(yīng)用層四部分。應(yīng)用層，為用戶(hù)的應(yīng)用程序提供訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的接口。應(yīng)用層直接面向用戶(hù)，提供呼叫/應(yīng)答服務(wù)，同時(shí)還提供消息多播服務(wù)。會(huì)話(huà)層的基本任務(wù)是建立通信方式，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)設(shè)備之間的原始消息的傳輸。例如，有兩個(gè)配對(duì)的消息：一個(gè)是呼叫消息，由呼叫者發(fā)送給應(yīng)答者，一個(gè)是應(yīng)答消息由應(yīng)答者發(fā)送給呼叫者，通過(guò)兩個(gè)配對(duì)消息的配合從而實(shí)現(xiàn)了消息數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。傳輸層向高層協(xié)議和底層協(xié)議提供一個(gè)通信協(xié)議接口，負(fù)責(zé)將消息從高層傳輸?shù)降蛯樱瑫r(shí)把由生產(chǎn)者發(fā)出的長(zhǎng)消息分割成包，通過(guò)滑動(dòng)窗口協(xié)議的流量控制和差錯(cuò)恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)兩層間數(shù)據(jù)的透明傳輸。在多播消息中，允許否定應(yīng)答和再次傳輸。網(wǎng)絡(luò)層主要功能包括層次尋址機(jī)制、索引和路由選擇。

圖3 中央控制模擬單元軟件架構(gòu)Fig.3 Software architecture of CCU

2）MVB鏈路協(xié)議棧軟件

MVB總線上的每個(gè)設(shè)備由其設(shè)備地址唯一地標(biāo)識(shí)，鏈路層對(duì)其發(fā)送的所有的包加入其設(shè)備地址作為源設(shè)備。鏈路層主要實(shí)現(xiàn)MVB總線過(guò)程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)的鏈路通信功能。鏈路過(guò)程數(shù)據(jù)接口由MVB總線提供給上層協(xié)議的過(guò)程數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)據(jù)端口初始化，規(guī)定端口之間的數(shù)據(jù)集訪問(wèn)。MVB消息鏈路層用于選擇包在網(wǎng)絡(luò)中的傳送路徑的網(wǎng)絡(luò)層路由，連接一條總線的站或者終端站。MVB監(jiān)視數(shù)據(jù)在總線活動(dòng)基本周期的偶發(fā)相中發(fā)送，主要提供以下服務(wù)：①設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)查詢(xún)；②事件仲裁；③總線主權(quán)轉(zhuǎn)移。

3 結(jié)論

基于MVB的CCU中央控制模擬單元屬于MVB四類(lèi)設(shè)備，是列車(chē)網(wǎng)絡(luò)通信控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。具有MVB過(guò)程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和監(jiān)視數(shù)據(jù)通信功能、用戶(hù)可編程功能和MVB總線管理功能。用戶(hù)可利用網(wǎng)絡(luò)配置監(jiān)視軟件配置CCU網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)，如總線管理功能配置、源宿端口地址配置等，并遠(yuǎn)程在線監(jiān)視連在MVB網(wǎng)絡(luò)上的各類(lèi)設(shè)備狀態(tài)。

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