隨著技術(shù)的進步和市場需求的變化，鐵路機車車輛工業(yè)對列車微機控制系統(tǒng)中的車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡提出了新的要求,，期望建立一個在機車車輛內(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,。為此,，國際電工委員會制定了IEC61375—1:1999《列車通信網(wǎng)絡》，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,。
“北亞”號內(nèi)燃動車組是一種自帶動力、具有載客功能、成組運行的軌道交通工具,，動車組設頭尾2輛動車,，中間由幾節(jié)拖車組成。司機在頭車操縱,，尾車不配司機,。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)絡在頭車司機臺顯示，司機在頭車上可以操縱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。
1 動車組列車通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)
“北亞”號內(nèi)燃動車組采用列車控制與通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)對整列車進行控制,，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,。按照TCN標準，列車通訊網(wǎng)絡分為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臺控制機箱,，每臺機箱中裝有數(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（GW）和智能顯示單元（IDU）。2臺控制機箱間采用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)絡系統(tǒng)的組成
列車控制與通信網(wǎng)絡系統(tǒng)采用通用的EXP機箱,，機箱為背板式結(jié)構(gòu),。以C8051F040CPU為核心，由開關電源,、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進行數(shù)據(jù)交換,。各插件功能介紹如下,。
2.1 開關電源
采用開關電源技術(shù)，將輸入24V電源變換為+5V和±15V電源,，給機箱,、網(wǎng)關、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,、柴油機轉(zhuǎn)速、柴油機潤滑油壓力,、柴油機冷卻水溫度信號進行采樣,。
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，供相關人員對機車的運行狀態(tài)進行監(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為功能擴充預留,。
VCU采用C8051F040單片機,，其速度可達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)的進步和市場需求的變化,，鐵路機車車輛工業(yè)對列車微機控制系統(tǒng)中的車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡提出了新的要求，期望建立一個在機車車輛內(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。為此,，國際電工委員會制定了IEC61375—1:1999《列車通信網(wǎng)絡》,，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,。
“北亞”號內(nèi)燃動車組是一種自帶動力,、具有載客功能,、成組運行的軌道交通工具，動車組設頭尾2輛動車,，中間由幾節(jié)拖車組成,。司機在頭車操縱，尾車不配司機,。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)絡在頭車司機臺顯示,，司機在頭車上可以操縱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,。
1 動車組列車通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)
“北亞”號內(nèi)燃動車組采用列車控制與通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)對整列車進行控制，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,。按照TCN標準,，列車通訊網(wǎng)絡分為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臺控制機箱，每臺機箱中裝有數(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（GW）和智能顯示單元（IDU）,。2臺控制機箱間采用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)絡系統(tǒng)的組成
列車控制與通信網(wǎng)絡系統(tǒng)采用通用的EXP機箱，機箱為背板式結(jié)構(gòu),。以C8051F040CPU為核心,，由開關電源、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進行數(shù)據(jù)交換。各插件功能介紹如下,。
2.1 開關電源
采用開關電源技術(shù),，將輸入24V電源變換為+5V和±15V電源，給機箱,、網(wǎng)關,、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,、柴油機轉(zhuǎn)速,、柴油機潤滑油壓力、柴油機冷卻水溫度信號進行采樣,。
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,，供相關人員對機車的運行狀態(tài)進行監(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為功能擴充預留。
VCU采用C8051F040單片機,，其速度可達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,、輔助發(fā)電機、空氣壓縮機等設備的邏輯控制及故障診斷功能,。
?。?）頭尾2輛動車的VCU依靠司機鑰匙檔位定義主控微機信號來確定主控微機。當1臺VCU被定義為主控微機時,，則另一臺VCU為從控微機,。從控微機不具有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,、卸載等保護措施，以充分利用動車粘著性能,，發(fā)揮牽引力,。
（4）具有柴油機與動車電氣系統(tǒng)保護功能,。動車微機實時檢測柴油機溫度,、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,、停機等措施對其進行保護并記錄，確保柴油機和換檔機構(gòu)的正常工作,。
3 列車TCN網(wǎng)絡通信及重聯(lián)控制
通信采用TCN網(wǎng)絡,，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),，當一路發(fā)生故障時,，由軟件自動完成轉(zhuǎn)換。
3.1 TCN網(wǎng)絡的組成
3.1.1 組成
該列車通訊網(wǎng)絡完全符合TCN標準,。網(wǎng)絡上設有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，傳遞相應的數(shù)據(jù)信息,。
3.1.2 車輛控制單元與網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信方式
主CPU與網(wǎng)絡通過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)絡節(jié)點的信息，并進行校驗,。當校驗正確時,，返回正確標志，將數(shù)據(jù)提供給本車使用,；反之,，若校驗出錯,，則返回錯誤標志，將所收到的數(shù)據(jù)丟棄,。當主微機的數(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)絡節(jié)點是同時工作的,，并通過2根WTB總線實現(xiàn)冗余。當主CPU檢測到一路通信故障時,，由網(wǎng)關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)絡通信故障。
3.1.3 網(wǎng)關的配置
在該動車組的列車控制與通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中,，采用捷克Unicontrols公司生產(chǎn)的網(wǎng)關,。該網(wǎng)關在購買時帶有底層軟件，在應用層面上只需根據(jù)需要對網(wǎng)關進行相應配置即可（包括動車組的組成,、車廂的類型,、車廂內(nèi)的設備、通信存儲器及端口的配置等）,。
3.2 TCN列車通信網(wǎng)絡的功能
3.2.1 列車重聯(lián)控制功能
頭車將司機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,，以便司機了解他車運行情況,，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的速度,、檔位,、方向、溫度,、壓力等信號,，通過網(wǎng)絡傳遞給智能顯示單元顯示，以便司機及時了解列車的運行信息,，確保列車正常運行,。
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)絡中,，通過司機鑰匙來確定操縱端。司機鑰匙在“ON”位置的動車為操縱端,，另一動車為尾車,。若兩動車同時設置為操縱端，則顯示“操縱端設置錯誤”,，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,、司機控制器手柄等信號,，并將相應的控制指令通過TCN網(wǎng)絡傳給尾車，同時將尾車的狀態(tài)通過指示燈顯示在司機臺上,。尾車接受頭車指令,，控制尾車相應的繼電器動作，檢測動作正確后,，完成動車相應檔位加減載控制,，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)絡接口卡、顯示卡等組成,，司機通過觸摸屏,，可了解動車運行情況和查詢故障信息。
智能顯示單元的應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)下運行,。
4.2 智能顯示單元的主要功能
該智能顯示單元為司機及維護人員提供了良好的人機接口。具體功能如下：
?。?）實時顯示動車運行參數(shù),，如動車組運行速度、柴油機轉(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，如柴油機超速,、動車組超速,、柴油機滑油壓力低,、柴油機水溫高等，并進行相應故障處理,，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)絡控制系統(tǒng)運行情況看，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)絡達到國外同類產(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)絡產(chǎn)品,，是將來研究中要解決的主要問題。