中國中車青島四方機車車輛股份有限公司 劉 英 徐 軍 張 坤 姚正斌

常州小糸今創(chuàng)交通設備有限公司 胡豐偉

基于MVB通訊有軌電車多功能控制面板設計

中國中車青島四方機車車輛股份有限公司 劉 英 徐 軍 張 坤 姚正斌

常州小糸今創(chuàng)交通設備有限公司 胡豐偉

本文提出了一套基于嵌入式開發(fā)平臺以及MVB總線接口技術實現(xiàn)的有軌電車多功能控制面板，并從系統(tǒng)功能、軟硬件設計角度對此進行了系統(tǒng)闡述。系統(tǒng)測試結果表明，多功能控制面板具有集成度高、操作性強、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點，在完成司機的各種操作進行實時響應的同時，能夠利用MVB通訊與整車網(wǎng)絡進行信息交換，實現(xiàn)整車網(wǎng)絡、多功能控制面板以及受控部件系統(tǒng)的一體化構成。

有軌電車；MVB通訊；控制面板

1　引言

傳統(tǒng)的有軌電車起源于柏林，興建初期成為了城市交通的有效工具，被廣泛運營于多個西歐國家[1]；但隨著科技的發(fā)展、能源戰(zhàn)略的啟動以及人類對于生活品質需求的提高，傳統(tǒng)有軌電車的高噪聲、大功耗、低性能的缺點逐漸凸顯，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其運行速度、舒適度、客運量和靈動性上均受到了嚴峻的考驗，有軌電車技術的革新勢在必行。20世紀90年代末，新一代有軌電車率先面世于法國，吸引了大量國家城市交通管理部門的關注；直至21世紀初期，我國一些城市也加入其中，上海、天津、蘇州等城市率先引入了相應技術，有效的解決了現(xiàn)代城市交通面臨的多種問題。比如環(huán)境污染問題，由于現(xiàn)代有軌電車采用電力供電，因此能夠減少污染氣體的排放和改善空氣質量，目前現(xiàn)代有軌電車還可采用氫能源驅動技術，此項技術更為節(jié)能環(huán)保，無任何污染物排放；現(xiàn)代有軌電車還具有開發(fā)周期短，建設成本低的優(yōu)勢，由于其采用地面軌道運行方式，只需在地面鋪設相應軌道，相比輕軌、地鐵的施工方式更為簡單，建設周期也能縮短；在同等運量上，輕軌的建設費用只約為地鐵的1/10，輕軌交通的1/3，被評為最經(jīng)濟的一種交通系統(tǒng)[2]；在靈活性上現(xiàn)代有軌電車也存在著較大的彈性空間，它可依據(jù)不同時間的旅客流量來調整列車的編組數(shù)，從而提高現(xiàn)代城市交通的運營效率。

現(xiàn)代有軌電車技術的引入讓我國軌道交通運行系統(tǒng)變得更加多元化。目前，我國也在致力于現(xiàn)代有軌電車技術的創(chuàng)新工作，包括車體結構、驅動方式等，當然也包括車體網(wǎng)絡。為列車網(wǎng)絡定制的MVB總線開始被應用于有軌電車，以滿足用戶對網(wǎng)絡的開放性、性價比、開發(fā)和應用的多樣性和靈活性等方面提出的更高的要求, MVB總線在地鐵列車控制系統(tǒng)[3]等列車網(wǎng)絡系統(tǒng)中已有廣泛的應用。同時，為了匹配網(wǎng)絡以及滿足技術升級需求，車體內各類控制器件也需要完成即時的升級換代，傳統(tǒng)的司控臺機械式操作按鈕就是其中一種，除了壽命、操作舒適度等難以滿足整車技術提升的需求外，與網(wǎng)絡的通訊上實現(xiàn)整車實時狀態(tài)監(jiān)控更是迫切需要提升的重點，因此，實現(xiàn)一種能夠實現(xiàn)基于MVB總線通訊的集成式多功能控制面板是十分有必要的?；诖?，本文采用了嵌入式開發(fā)平臺以及MVB總線接口技術實現(xiàn)了上述多功能控制面板，此多功能控制面板連接至列車受控部件以及列車控制與監(jiān)視系統(tǒng)（TCMS），可以通過按鍵結合外部采集信號實現(xiàn)對列車司機的各種操作進行實時響應，并通過內部集成的控制節(jié)點對列車相應部件進行控制，同時自帶的MVB的通訊接口與列車整車網(wǎng)絡建立連接，能夠與整車網(wǎng)絡進行信息交換，實時接受列車網(wǎng)絡控制信息以及反饋被控部件狀態(tài)，有效的解決了傳統(tǒng)司控臺機械式操作按鈕的各種不足, 這將對我國列車網(wǎng)絡控制設備的自主研發(fā)起到推進作用，此外也為應用在我國軌道交通領域的總線技術提供多元化的發(fā)展方向。

2　總體設計

基于MVB通訊的多功能控制面板屬于MVB“1”類設備，涉及到控制系統(tǒng)中過程數(shù)據(jù)的實時通訊[2]，是列車控制系統(tǒng)中的關鍵設備之一，系統(tǒng)的功能需求主要包括列車受控部件的按鍵操作、面板狀態(tài)顯示以及網(wǎng)絡通訊功能，相應的列車受控部件主要包括：列車的司機室狀態(tài)、蓄電池、受電弓、運行方向、車內外照明燈、車門、緊急制動、遮陽簾、雨刮器等。根據(jù)上述系統(tǒng)功能需求構建系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

3　硬件設計

根據(jù)功能需求以及空間布局對圖1系統(tǒng)原理框圖的整個功能區(qū)域進行劃分， I區(qū)中主要包括按鍵/鎖開關以及指示燈功能模塊，II區(qū)中主要包括主控制器MCU、通訊網(wǎng)卡模塊、電源轉換模塊以及輸入輸出隔離電路，III區(qū)中主要包括電源/信號輸入、輸出模塊以及通訊接口。分別將上述三個區(qū)域進行獨立的硬件設計，可制作出三種硬件模塊，分別命名為按鍵板、主控板、輸出板。主控板為整體功能區(qū)域中的核心，負責數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及MVB通訊等重要任務,本設計即圍繞此硬件板對系統(tǒng)展開具體介紹。

3.1主控板硬件設計

主控板采用MCU作為運算核心部件，結合外圍存儲模塊、通訊模塊、IO擴展模塊以及輸入輸出端口等進行整體設計。

除電源輸入外，主控板硬件結構中共設有4路輸入輸出接口，其中包括3路通訊接口以及1路標準IO接口。SPI通訊接口負責系統(tǒng)狀態(tài)的實時存儲，用于系統(tǒng)故障時狀態(tài)數(shù)據(jù)的提取，保障系統(tǒng)在出現(xiàn)故障后恢復正常運行。標準異步串行通訊接口與MVB通訊網(wǎng)卡完成通訊，并通過MVB網(wǎng)絡接口連接到MVB總線，實現(xiàn)MVB通訊功能；I2C通訊接口連接IO擴展芯片，用于實現(xiàn)IO的擴展以解決IO口數(shù)量要求較大的問題，擴展后的IO口經(jīng)隔離電路后連接到輸出板，用于對列車受控部件的控制以及列車車體信號的采集；1路標準IO接口經(jīng)隔離電路后連接按鍵板，負責按鍵信號的采集以及指示燈的控制。

隔離電路的主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達到抑制噪聲干擾的效果。本設計為數(shù)字電路系統(tǒng)，且運營在有軌電車干擾源復雜的環(huán)境下，因此構建一個優(yōu)良的數(shù)字隔離電路系統(tǒng)是十分必要的?；诖?，本設計分別針對輸出和輸入采用了光耦隔離電路。

3.2通訊接口電路設計

本設計采用MCU+網(wǎng)卡的通訊設計方式，此方式硬件結構簡單、可移植性好，是一種實用性強、可靠性高的網(wǎng)絡節(jié)點設備MVB通訊接口設計技術。網(wǎng)卡支持4096個16位-256位可配置的過程變量端口（源端口或宿端口)，還具備多種通訊模式選擇功能，與MCU的通訊接口還配有并口（Parallel Interface）、標準異步收發(fā)接口（UART）以及SPI口，此外，網(wǎng)卡還具有1200bps—115200 bps UART波特率配置功能以及電的短距離傳輸介質（ESD/ESD+）和電的中距離傳輸介質（EMD）選擇設定功能。

通訊接口電路主要涉及MCU與網(wǎng)卡電路的連接設計以及網(wǎng)卡的接口配置設計，因主控板和網(wǎng)卡分別采用5V和3.3V電源系統(tǒng)，故MCU與網(wǎng)卡電路的連接采用了雙向電平轉換器進行了耦合處理，具體涉及UART的收發(fā)接口RXD和TXD以及網(wǎng)卡的復位RESET口。

本設計選取電的中距離傳輸介質（EMD）連接至整車網(wǎng)絡，同時，多功能控制面與TCMS共需3個公共數(shù)據(jù)口，3個宿端口（SINK），3個源端口（SOURCE），且通訊周期應滿足64ms-256ms的范圍要求，基于此，設計結合硬件結構復雜性選取UART作為通訊接口方式，通訊速率選擇115200 bps，很好的滿足了標準PD（Process Data）口的數(shù)量以及通訊周期需求。

4　系統(tǒng)軟件設計

多功能控制面板要求具備網(wǎng)絡和應急兩種工作模式，即需保證多功能控制面板在有無網(wǎng)絡狀態(tài)下均可運行，另結合上述系統(tǒng)設計需求，系統(tǒng)按功能主要構建有如下三大模塊：系統(tǒng)初始化模塊、網(wǎng)絡模式處理模塊以及應急模式處理模塊。

圖2　系統(tǒng)主循環(huán)軟件流程圖

系統(tǒng)初始化模塊主要涉及MCU和網(wǎng)卡初始化以及面板（PANEL）初始化操作，在通電瞬間，MCU則進入系統(tǒng)初始化程序，對內部寄存器、I2C、SPI、UART等各功能模塊進行初始化處理，同時，網(wǎng)卡內部同時進行自啟動初始化處理，整個初始化過程由網(wǎng)卡自行完成，無需外界的干預。由于網(wǎng)卡每次上電都需對PLD進行裝載工作，因此其啟動初始化的時間遠長于MCU,為了避免MCU的過早配置操作破壞網(wǎng)卡正常啟動，此部分需要增加延時處理程序。上述操作完成后，系統(tǒng)即需進行PANEL初始化操作，用于對PANEL各輸出初始化控制以及PANEL啟動完成燈光提示，提示方式設置為PANEL按鍵板指示燈點亮1S，當指示燈熄滅時即表示系統(tǒng)初始化完成。

網(wǎng)絡模式處理模塊即為框圖中I區(qū)域，用于處理網(wǎng)絡正常狀態(tài)下系統(tǒng)的信息處理，包括網(wǎng)絡心跳檢測、按鍵和車體狀態(tài)信息采集、PANEL狀態(tài)顯示和控制輸出以及與TCMS的通訊。網(wǎng)絡心跳檢測用于判定車體網(wǎng)絡狀態(tài)，依此確定車體運行模式，網(wǎng)絡心跳存在，系統(tǒng)切換至網(wǎng)絡模式下，PANEL開始進行TCMS網(wǎng)絡控制指令的接收操作，采集按鍵和車體狀態(tài)信息，各數(shù)據(jù)信息經(jīng)邏輯運算處理后執(zhí)行PANEL狀態(tài)顯示和控制輸出，然后系統(tǒng)將PANEL狀態(tài)、故障信息等發(fā)送至TCMS網(wǎng)絡，循環(huán)執(zhí)行上述操作即構成I區(qū)域所示的網(wǎng)絡模式處理模塊。

應急模式處理模塊即為框圖中II區(qū)域，主要用于車體網(wǎng)絡出現(xiàn)故障的緊急情況下，與網(wǎng)絡模式的區(qū)別主要在于通訊功能部分，此外，當應急模式初次進入時，將會執(zhí)行PANEL無網(wǎng)絡報警操作。系統(tǒng)可以進行網(wǎng)絡模式與應急模式的無障礙相互切換以保證應用安全。

5　系統(tǒng)測試

多功能控制面板根據(jù)司機操作習慣以及空間分配劃分為控制面板A(左上)，控制面板B(右上)和控制面板C（下）。其中，控制面板A主要負責司機室鎖狀態(tài)、蓄電池控制，控制面板B負責 運行方向、蓄電池、司機室內外照明燈控制，控制面板C主要負責車門、雨刮器、遮陽簾、磁軌制動、遠光燈、轉向燈、警示燈等控制。

多功能控制面板系統(tǒng)測試主要包括功能測試以及通訊測試，功能測試采取現(xiàn)車運行考核方式進行，通訊測試采用與MVB主站SelectronCPU831-TG點對點測試方式，各功能均滿足車體功能需求，各面板均能按照既定通訊協(xié)議進行過程數(shù)據(jù)的傳輸測試，測試結果表明，系統(tǒng)的軟硬件均能滿足車體功能要求，MVB通訊的實時性和準確性及其波形質量滿足IEC61375-3-2中對于波形質量的要求。

6　結束語

綜合軟硬件設計方案和系統(tǒng)測試結果，可以說明：多功能控制面板具備網(wǎng)絡和應急兩種工作模式且安全性高、操作簡便，能夠在完成司機對受控部件正常操作的同時，利用MVB通訊與整車網(wǎng)絡進行信息交換，實現(xiàn)整車網(wǎng)絡、多功能控制面板以及受控部件系統(tǒng)的一體化構成；此外，多功能控制面板還具備較強的二次升級優(yōu)化功能和良好的移植性；基于MVB通訊多功能控制面板技術將會在我國列車系統(tǒng)中迎來廣闊的應用前景，它的成功研制在一定程度上推動了現(xiàn)代有軌電車技術的發(fā)展，加速了我國列車組網(wǎng)設備及控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化進程。

[1]薛美根,楊立峰,程杰.現(xiàn)代有軌電車主要特征與國內外發(fā)展研究[J].城市交通,2008(06).

[2]楊昌休.多功能車輛總線MVB關鍵技術的研究[D].西南交通大學,2012.

[3]石穎.MVB總線在地鐵列車控制系統(tǒng)中的應用[J].電力機車與城軌車輛, 2006(06).