隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場需求的變化,，鐵路機(jī)車車輛工業(yè)對列車微機(jī)控制系統(tǒng)中的車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)提出了新的要求,，期望建立一個在機(jī)車車輛內(nèi)部及列車和地面控制系統(tǒng)之間交換控制命令、狀態(tài)、故障診斷信息以及旅客信息等的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò),。為此,，國際電工委員會制定了IEC61375—1:1999《列車通信網(wǎng)絡(luò)》，它包括2種總線,，即列車總線WTB和多功能車輛總線MVB,，分別用來連接列車的各個車廂和車廂內(nèi)的電氣設(shè)備。本文結(jié)合“北亞”號內(nèi)燃動車組,，研究基于TCN技術(shù)的內(nèi)燃動車組列車通訊網(wǎng)絡(luò),。
“北亞”號內(nèi)燃動車組是一種自帶動力、具有載客功能,、成組運(yùn)行的軌道交通工具,，動車組設(shè)頭尾2輛動車，中間由幾節(jié)拖車組成,。司機(jī)在頭車操縱,，尾車不配司機(jī)。頭尾2輛車控制系統(tǒng)完全相同,，并相互聯(lián)鎖,，尾車控制系統(tǒng)通過列車通訊網(wǎng)絡(luò)接收頭車操縱指令，頭尾2輛車同步工作,，頭車的監(jiān)控信息在頭車直接顯示,，尾車的監(jiān)控信息可以通過通訊網(wǎng)絡(luò)在頭車司機(jī)臺顯示，司機(jī)在頭車上可以操縱2臺動車的各個工況,。該列車通訊網(wǎng)絡(luò)可完成頭尾2輛動車的重聯(lián)控制,、監(jiān)測并實施安全保護(hù)。
1 動車組列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
“北亞”號內(nèi)燃動車組采用列車控制與通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對整列車進(jìn)行控制,，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,。按照TCN標(biāo)準(zhǔn)，列車通訊網(wǎng)絡(luò)分為2級,，第1級為絞線式列車總線WTB,，實現(xiàn)車輛間的數(shù)據(jù)通信；第2級為多功能車輛總線MVB,，主要實現(xiàn)同一車輛內(nèi)各個功能控制單元之間的數(shù)據(jù)通信,。
每臺動車由1個微機(jī)控制裝置和1個智能顯示單元組成。在頭尾2輛動車上各裝有1臺控制機(jī)箱,，每臺機(jī)箱中裝有數(shù)字量輸入/輸出單元（DI/DO）,、模擬量輸入/輸出單元（AX）、車輛控制單元（VCU）,、無線數(shù)據(jù)傳輸單元（GPRS板）,、網(wǎng)關(guān)（GW）和智能顯示單元（IDU）,。2臺控制機(jī)箱間采用WTB通訊；每臺控制箱內(nèi)各單元之間采用MVB通訊,，其介質(zhì)采用電氣中距離介質(zhì)EMD,。
2 列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成
列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用通用的EXP機(jī)箱，機(jī)箱為背板式結(jié)構(gòu),。以C8051F040CPU為核心,，由開關(guān)電源、數(shù)字量輸入/輸出,、模擬量輸入/輸出,、無線數(shù)據(jù)傳輸單元等組成，各單元通過MVB總線與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,。各插件功能介紹如下,。
2.1 開關(guān)電源
采用開關(guān)電源技術(shù)，將輸入24V電源變換為+5V和±15V電源,，給機(jī)箱,、網(wǎng)關(guān)、輸入輸出單元及傳感器供電,。
2.2 數(shù)字量輸入/輸出
采用光電隔離技術(shù),，接收司機(jī)控制指令及動車狀態(tài)信號，完成動車邏輯控制,。
2.3 模擬量輸入/輸出
對動車速度,、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、柴油機(jī)潤滑油壓力,、柴油機(jī)冷卻水溫度信號進(jìn)行采樣。
2.4 無線通訊模塊
無線數(shù)據(jù)傳輸單元是利用通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS將動車組現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控站,，供相關(guān)人員對機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,。
2.5 車輛控制單元VCU
VCU主要實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制功能，其組成如圖2所示,。具有RS—232,、RS—485、CAN以及MVB通信接口,，其中RS—485和CAN為功能擴(kuò)充預(yù)留,。
VCU采用C8051F040單片機(jī)，其速度可達(dá)25MIPS（使用25MHz時鐘）,。具有4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（4K+256）和64KBFLASH,。
隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場需求的變化，鐵路機(jī)車車輛工業(yè)對列車微機(jī)控制系統(tǒng)中的車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)提出了新的要求,，期望建立一個在機(jī)車車輛內(nèi)部及列車和地面控制系統(tǒng)之間交換控制命令,、狀態(tài),、故障診斷信息以及旅客信息等的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。為此,，國際電工委員會制定了IEC61375—1:1999《列車通信網(wǎng)絡(luò)》,，它包括2種總線，即列車總線WTB和多功能車輛總線MVB,，分別用來連接列車的各個車廂和車廂內(nèi)的電氣設(shè)備,。本文結(jié)合“北亞”號內(nèi)燃動車組，研究基于TCN技術(shù)的內(nèi)燃動車組列車通訊網(wǎng)絡(luò),。
“北亞”號內(nèi)燃動車組是一種自帶動力,、具有載客功能、成組運(yùn)行的軌道交通工具,，動車組設(shè)頭尾2輛動車,，中間由幾節(jié)拖車組成。司機(jī)在頭車操縱,，尾車不配司機(jī),。頭尾2輛車控制系統(tǒng)完全相同，并相互聯(lián)鎖,，尾車控制系統(tǒng)通過列車通訊網(wǎng)絡(luò)接收頭車操縱指令,，頭尾2輛車同步工作，頭車的監(jiān)控信息在頭車直接顯示,，尾車的監(jiān)控信息可以通過通訊網(wǎng)絡(luò)在頭車司機(jī)臺顯示,，司機(jī)在頭車上可以操縱2臺動車的各個工況。該列車通訊網(wǎng)絡(luò)可完成頭尾2輛動車的重聯(lián)控制,、監(jiān)測并實施安全保護(hù),。
1 動車組列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
“北亞”號內(nèi)燃動車組采用列車控制與通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對整列車進(jìn)行控制，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,。按照TCN標(biāo)準(zhǔn),，列車通訊網(wǎng)絡(luò)分為2級，第1級為絞線式列車總線WTB,，實現(xiàn)車輛間的數(shù)據(jù)通信,；第2級為多功能車輛總線MVB，主要實現(xiàn)同一車輛內(nèi)各個功能控制單元之間的數(shù)據(jù)通信,。
每臺動車由1個微機(jī)控制裝置和1個智能顯示單元組成,。在頭尾2輛動車上各裝有1臺控制機(jī)箱，每臺機(jī)箱中裝有數(shù)字量輸入/輸出單元（DI/DO）,、模擬量輸入/輸出單元（AX）,、車輛控制單元（VCU）、無線數(shù)據(jù)傳輸單元（GPRS板）,、網(wǎng)關(guān)（GW）和智能顯示單元（IDU）,。2臺控制機(jī)箱間采用WTB通訊,；每臺控制箱內(nèi)各單元之間采用MVB通訊，其介質(zhì)采用電氣中距離介質(zhì)EMD,。
2 列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成
列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用通用的EXP機(jī)箱,，機(jī)箱為背板式結(jié)構(gòu)。以C8051F040CPU為核心,，由開關(guān)電源,、數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出,、無線數(shù)據(jù)傳輸單元等組成,，各單元通過MVB總線與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。各插件功能介紹如下,。
2.1 開關(guān)電源
采用開關(guān)電源技術(shù),，將輸入24V電源變換為+5V和±15V電源，給機(jī)箱,、網(wǎng)關(guān),、輸入輸出單元及傳感器供電。
2.2 數(shù)字量輸入/輸出
采用光電隔離技術(shù),，接收司機(jī)控制指令及動車狀態(tài)信號,，完成動車邏輯控制。
2.3 模擬量輸入/輸出
對動車速度,、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速,、柴油機(jī)潤滑油壓力、柴油機(jī)冷卻水溫度信號進(jìn)行采樣,。
2.4 無線通訊模塊
無線數(shù)據(jù)傳輸單元是利用通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS將動車組現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控站,，供相關(guān)人員對機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。
2.5 車輛控制單元VCU
VCU主要實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制功能,，其組成如圖2所示,。具有RS—232、RS—485,、CAN以及MVB通信接口，其中RS—485和CAN為功能擴(kuò)充預(yù)留,。
VCU采用C8051F040單片機(jī),，其速度可達(dá)25MIPS（使用25MHz時鐘）。具有4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（4K+256）和64KBFLASH,。
VCU的主要功能有：
?。?）實現(xiàn)動車組的柴油機(jī)、輔助發(fā)電機(jī),、空氣壓縮機(jī)等設(shè)備的邏輯控制及故障診斷功能,。
?。?）頭尾2輛動車的VCU依靠司機(jī)鑰匙檔位定義主控微機(jī)信號來確定主控微機(jī)。當(dāng)1臺VCU被定義為主控微機(jī)時,，則另一臺VCU為從控微機(jī),。從控微機(jī)不具有MVB總線管理器功能。
?。?）實現(xiàn)防空轉(zhuǎn)/防滑控制功能,。在牽引或制動工況下，系統(tǒng)檢測輪根據(jù)空轉(zhuǎn)或滑行程度的不同,，采取撒沙,、降功、卸載等保護(hù)措施,，以充分利用動車粘著性能,，發(fā)揮牽引力。
?。?）具有柴油機(jī)與動車電氣系統(tǒng)保護(hù)功能,。動車微機(jī)實時檢測柴油機(jī)溫度、壓力,、轉(zhuǎn)速等信號,。若這些信號超過正常工作范圍，則根據(jù)故障的不同種類分別采取報警,、降功,、卸載、停機(jī)等措施對其進(jìn)行保護(hù)并記錄,，確保柴油機(jī)和換檔機(jī)構(gòu)的正常工作,。
3 列車TCN網(wǎng)絡(luò)通信及重聯(lián)控制
通信采用TCN網(wǎng)絡(luò)，取消了以往動車組頭尾2輛動車之間的所有硬連線,。為了提高可靠性,，采用雙通道熱備冗余控制方案，即采用2路WTB總線同時傳遞數(shù)據(jù),，當(dāng)一路發(fā)生故障時,，由軟件自動完成轉(zhuǎn)換。
3.1 TCN網(wǎng)絡(luò)的組成
3.1.1 組成
該列車通訊網(wǎng)絡(luò)完全符合TCN標(biāo)準(zhǔn),。網(wǎng)絡(luò)上設(shè)有2個WTB節(jié)點,，頭尾2輛動車上各1個。列車總線WTB和多功能車輛總線MVB通過網(wǎng)關(guān)連接,。
車廂總線MVB上附掛有模擬量輸入/輸出單元,、數(shù)字量輸入/輸出單元、車輛控制單元,、智能顯示單元和無線通訊單元,，這些單元通過MVB總線連接起來,，傳遞相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。
3.1.2 車輛控制單元與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信方式
主CPU與網(wǎng)絡(luò)通過UART仿真技術(shù)交換數(shù)據(jù),。
主CPU采用查詢方式定時從輸入緩沖區(qū)中讀取2個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信息,，并進(jìn)行校驗。當(dāng)校驗正確時,，返回正確標(biāo)志,，將數(shù)據(jù)提供給本車使用；反之,，若校驗出錯,，則返回錯誤標(biāo)志，將所收到的數(shù)據(jù)丟棄,。當(dāng)主微機(jī)的數(shù)據(jù)需要更新時,，主CPU向輸出緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)供他車使用。正常情況下,，2個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是同時工作的,，并通過2根WTB總線實現(xiàn)冗余。當(dāng)主CPU檢測到一路通信故障時,，由網(wǎng)關(guān)中的軟件識別并自動轉(zhuǎn)換到另一路,，并在顯示器上提示該路網(wǎng)絡(luò)通信故障。
3.1.3 網(wǎng)關(guān)的配置
在該動車組的列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,，采用捷克Unicontrols公司生產(chǎn)的網(wǎng)關(guān),。該網(wǎng)關(guān)在購買時帶有底層軟件，在應(yīng)用層面上只需根據(jù)需要對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相應(yīng)配置即可（包括動車組的組成,、車廂的類型,、車廂內(nèi)的設(shè)備、通信存儲器及端口的配置等）,。
3.2 TCN列車通信網(wǎng)絡(luò)的功能
3.2.1 列車重聯(lián)控制功能
頭車將司機(jī)控制指令及動車狀態(tài)信號傳送給尾車,，可實現(xiàn)尾車無人駕駛。尾車檢測動車狀態(tài)信號傳送給頭車,，以便司機(jī)了解他車運(yùn)行情況,，確保列車工況一致。
3.2.2 頭尾2輛車監(jiān)控數(shù)據(jù)通信功能
頭尾2輛車實時檢測動車及柴油機(jī)的速度,、檔位,、方向、溫度,、壓力等信號,，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給智能顯示單元顯示,，以便司機(jī)及時了解列車的運(yùn)行信息,，確保列車正常運(yùn)行,。
3.3 動車組重聯(lián)控制邏輯
3.3.1 操縱端控制
為了防止控制邏輯錯誤，首先必須確定操縱端,。
在該網(wǎng)絡(luò)中,，通過司機(jī)鑰匙來確定操縱端。司機(jī)鑰匙在“ON”位置的動車為操縱端,，另一動車為尾車,。若兩動車同時設(shè)置為操縱端，則顯示“操縱端設(shè)置錯誤”,，兩車控制均處于無效狀態(tài),。
3.3.2 工況控制
頭車完成本車的所有控制功能，實時檢測工況,、方向,、司機(jī)控制器手柄等信號，并將相應(yīng)的控制指令通過TCN網(wǎng)絡(luò)傳給尾車,，同時將尾車的狀態(tài)通過指示燈顯示在司機(jī)臺上,。尾車接受頭車指令，控制尾車相應(yīng)的繼電器動作,，檢測動作正確后,，完成動車相應(yīng)檔位加減載控制，否則不加載并提示尾車工況錯誤,。
4 智能顯示單元
4.1 智能顯示單元的組成及軟件
智能顯示單元主要用于顯示連接到列車總線上的各子系統(tǒng)的狀態(tài),、列車基本運(yùn)行數(shù)據(jù)、列車狀態(tài)信息和故障診斷信息,。智能顯示單元由彩色液晶觸摸屏,、PC104嵌入式模塊、網(wǎng)絡(luò)接口卡,、顯示卡等組成,，司機(jī)通過觸摸屏，可了解動車運(yùn)行情況和查詢故障信息,。
智能顯示單元的應(yīng)用軟件采用北京昆侖通態(tài)公司的MCGS全中文工業(yè)自動化控制組態(tài)軟件編寫,。軟件編寫時通過對MVB邏輯端口進(jìn)行配置，并將MVB邏輯端口和MCGS軟件中的數(shù)據(jù)變量連接起來,，通過編寫腳本程序進(jìn)行不同量綱間的轉(zhuǎn)換和實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)顯示功能,。軟件在PC機(jī)上調(diào)試通過后，下載到智能顯示單元的CF卡上,，然后在智能顯示單元的Win2dowsCE操作系統(tǒng)下運(yùn)行,。
4.2 智能顯示單元的主要功能
該智能顯示單元為司機(jī)及維護(hù)人員提供了良好的人機(jī)接口。具體功能如下：
（1）實時顯示動車運(yùn)行參數(shù),，如動車組運(yùn)行速度,、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度,、壓力,、工況等；
?。?）以不同顏色的指示燈顯示動車的故障信息,，如柴油機(jī)超速、動車組超速,、柴油機(jī)滑油壓力低,、柴油機(jī)水溫高等，并進(jìn)行相應(yīng)故障處理,，如報警,、降功、卸載等,；
?。?）日歷、時間顯示及校正,；
?。?）查詢動車故障；
?。?）完成動車輪徑值修改,。
5 結(jié)語
從內(nèi)燃動車組TCN網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)運(yùn)行情況看，該系統(tǒng)工作可靠,，能滿足內(nèi)燃動車組控制要求,。但由于該控制系統(tǒng)的車輛控制單元采用C8051F040微處理器，其運(yùn)算速度有限,，存儲空間較小,，不能存儲歷史故障數(shù)據(jù)。隨著計算機(jī)技術(shù),、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展,，采用帶有嵌入式系統(tǒng)的車輛控制單元并采用圖形化編程軟件，使所開發(fā)的TCN網(wǎng)絡(luò)達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平,，從而開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品,，是將來研究中要解決的主要問題。