基于MVB的輔助電源通信系統研究

【摘要】列車輔助電源系統（APS）是列車運行時的重要電氣設備，而其通信系統又是APS監控系統的重要組成部分，通信系統的實時性與可靠性對于實現監控系統的實時性、網絡化和智能化具有重要作用。本文基于專用于列車的多功能車輛總線（MVB）對列車輔助電源的通信系統進行了研究和設計，闡述了MVB過程數據和消息數據通信的兩種方式和流程，展示了下位機APS監控與通訊模塊的詳細硬件設計及其PCB實物，介紹了上下位機的通信協議架構及其軟件集成方式，最后對APS通信系統的運行結果進行了演示。

【關鍵詞】輔助電源系統；APS；多功能車輛總線；MVB；通信系統

Abstract：Auxiliary Power System（APS）is an important electrical equipment when the train is running，and its communication system is an important part of APS monitoring system，the real-time and reliability of the communication system plays an important role to realize the real-time，networking and intelligent of the monitoring system.The paper has studied and designed the communication system of APS based on Multifunction Vehicle Bus（MVB）which is dedicated to the train，elaborated the two ways and processes of MVB communication including process data and message data，showed the detailed hardware design and the physical PCB card of monitoring and communication module of lower machine（APS），introduced the communication protocol and architecture and its software integrated way of PC and lower machine，in the final，the paper has demonstrated the results of the running communication system of APS.

Key Words：Auxiliary power system；APS；Communication system；Multifunction Vehicle Bus；MVB

1.引言

輔助電源系統是為地鐵列車除牽引電流系統之外的所有用電設備供電，是地鐵列車控制系統的重要組成部分[1]。輔助電源的監控系統作為列車控制與管理系統（TCMS）的組成部分，其主要作用在于能夠實時監控APS的工作狀態，及時發現和診斷故障，極大方便對電源設備的維護和管理。而良好輔助電源的通信系統又是APS監控系統的重要基礎，通信系統的實時性與可靠性對于實現監控系統的實時性、網絡化和智能化具有重要作用[2]。本文輔助電源的通信系統是基于專用于列車的多功能車輛總線（MVB）開發的，國際電工技術委員會IEC（International Electro technical Commission）于1999年通過了一項列車通信網絡專用標準即TCN（IEC61375-1），MVB總線作為該標準的推薦方案，其在實時性、可靠性、尋址方式、介質訪問控制方法、通信服務制定等方面比其它現場總線更具一定的優勢，并廣泛應用作為地鐵、輕軌等列車車輛內部的通信總線，相比CAN總線等工業總線，MVB總線具有更強的容錯性，更高的通信可靠性[3]。

2.MVB的實時協議

根據MVB的實時協議，MVB通信數據的傳送主要通過過程數據和消息數據實現，兩種數據的傳送方式各有其特點。

（1）過程數據

過程數據的服務和協議分成鏈路層接口和應用層接口。而本文的軟件設計主要調用了過程數據服務和協議的鏈路層接口，因為用這種方式可以更方便的對端口進行讀寫數據。

鏈路過程數據接口（LPI）定義由總線提供給上層協議的過程數據服務。LPI定義端口初始化，包含和移去端口的全部數據集以及與傳送整個數據集相關的同步原語。鏈路層提供多個過程數據通信端口。不同設備的鏈路層可以在一個限定的時間內發送一個源端口的內容給所有預訂同一端口地址的多個宿端口，并保證發送的數據集的堅固性[4]。

圖1 MVB過程數據的收發流程

圖1所示為MVB過程數據鏈路層數據收發的流程圖。相關原語函數執行后MVB網卡（服務器）則會自動執行過程數據的鏈路層的初始化、發送和接收。

（2）消息數據

消息數據的服務和協議除包括鏈路層接口和應用層接口外還包括網絡層、會話層和傳送層。本文的軟件設計主要調用了消息數據服務和協議的應用層接口。應用消息接口（AMI）允許一個應用通過網絡來發送和接收消息。AMI提供呼叫∕應答服務，以及初始化、緩沖區管理和多播服務[5]。圖2所示為MVB消息數據應用層數據收發的流程圖。相關原語函數執行后MVB網卡（服務器）則會自動執行消息數據的應用層的初始化、發送和接收。

圖2 MVB消息數據的收發流程

3.輔助電源通信系統硬件設計

列車控制與管理系統（TCMS）是司機能夠監控和管理列車運行的各種電氣設備的上位機系統，通過接入多功能車輛總線（MVB），列車司機通過該系統能夠查看同樣已接入MVB的電氣設備的實時運行狀態并能加以控制和管理，而輔助電源系統（APS）正是地鐵列車運行時必須的重要電氣設備。輔助電源系統（APS）與列車控制與管理系統（TCMS）同時掛載到多功能車輛總線（MVB）上，其通信網絡結構如圖3所示。

圖3 輔助電源通信系統的硬件結構圖

列車控制與管理系統（TCMS）的上位機主機系統實質上相當于一臺PC機，而MVB網卡通過PCI總線插接在主機系統中，MVB網卡同時接入MVB總線，以此為硬件基礎實現TCMS在MVB上通信，監測和管理接入MVB的電氣設備如輔助電源系統（APS）。MVB網卡采用的是大連海天自動化有限公司生產的PCI接口的MVB網卡，在將MVB網卡插入主機系統的PCI總線前，需在主機系統中安裝MVB網卡的驅動程序，以保證MVB網卡的正常運行[6]。

下位機APS控制系統包含電源模塊（POW CARD）、DSP模塊（DSP CARD）、傳感器測量模塊（SEN CARD）、輸入輸出板（DIO CARD）、充電控制板（BCU CARD）、光纖輸出板（OPT CARD）及監控與通訊模塊（MON CARD）與機箱背板組成。7個PCB插板插接在機箱背板總線（VME）上從而互聯為一個整體。DSP模塊主要擔任VME總線的仲裁與管理，逆變器系統的整個功能、系統控制的所有信息、SPWM調制模塊的管理，自適應交流電壓控制算法的實現；傳感器測量模塊主要用于輔助電源電壓電流及故障的檢測；監控與通訊模塊主要實現系統信息的分析與故障診斷以及通過MVB總線實現與上位機通訊的功能；充電控制模塊與光纖輸出板主要負責對直流110V及電池充電系統進行控制。其中監控與通訊模塊（MON CARD）是將輔助電源系統接入MVB網絡并進行相關列車網絡數據通信的關鍵模塊，它由DSP、列車控制和管理系統（TCMS）通訊接口電路、雙口RAM、大容量非易失FLASH存儲器、RS232接口電路、電源監視與看門狗復位電路組成。其中DSP采用TI公司的TMS320F28335浮點型處理芯片。輔助電源系統（APS）中MON CARD硬件基本結構如圖4所示：

圖4 監控與通訊模塊基本結構

雙口RAM作為DSP與VME總線進行數據交流的接口，VME總線上的其他功能板可直接向雙口RAM中讀寫相應的系統實時信息數據，MON CARD也可向此雙口RAM讀寫數據，從而實現數據交流，他們以檢測旗語標志來表示是否可向雙口RAM中讀寫，以避免讀寫沖突。非易失存儲器用于存儲故障信息與歷史數據保存，是監控與通訊模塊對系統信息進行分析與故障診斷的存儲保證。RS232通信端口是為方便設備維護與監控計算機對系統故障信息、歷史數據等信息的讀取與顯示，也可實現對監控與通訊模塊的程序更新、維護與管理。

列車控制和管理系統（TCMS）通訊接口電路主要包含了MVB網卡及其與DSP的接口電路。MVB網卡采用的是大連海天自動化有限公司生產的PC104接口的MVB網卡，將其嵌入到MON CARD中實現將APS接入到MVB總線上，進而上位機TCMS才能通過MVB總線實時監控和管理APS系統[7]。其中MON CARD上DSP的地址總線和數據總線與PC104接口的地址總線和數據總線相連，實現16位數據讀寫，讀寫PC104接口的MVB網卡的基地址為0x2B0000。圖5所示為根據結構設計成型的監控與通訊模塊（MON CARD）硬件實物圖，從圖中可以看到，MVB網卡通過PC104接口嵌入到了MON CARD上。

圖5 監控與通訊模塊（MON CARD）實物圖

4.輔助電源通信系統軟件設計

4.1 MVB網絡通信系統軟件架構

下位機APS的監控通訊單元軟件與上位機TCMS的監控與管理軟件皆包含了MVB網絡通訊與系統數據管理兩大功能模塊。系統數據管理模塊主要負責存儲、管理和分析一段時間內APS系統所有狀態信號數據，根據通信協議對實時數據和歷史數據進行解析，進行故障診斷與維護，提供處理后的直觀數據[8]。而MVB網絡通訊模塊主要根據MVB通信協議實現上位機TCMS和下位機APS的數據交流和同步，通過MVB總線，APS向TCMS傳送輔助電源的實時和歷史數據以及初步的處理結果，接收來自TCMS的控制命令和參數信息[9]。MVB網絡通信系統的軟件架構如圖6所示：

圖6 MVB網絡通信軟件架構圖

如圖6所示，DSP與MVB網卡間的數據通信和PC主機與MVB網卡的數據通信都是一種服務器和客戶端的通信方式，客戶端（即主機系統）只需和服務器（MVB網卡）收發簡單的命令和參數及相應的信息數據，服務器即可在MVB總線上進行讀寫數據，執行與總線硬件相關的過程數據、消息數據和監視數據的底層通信服務和協議。

4.2 MVB客戶端的服務協議架構

MVB客戶端中的MVB服務和協議架構從底至上依次可分為四層：

（1）處理器接口庫

主要包含了通過根據特定處理器（DSP）的地址總線和數據總線對MVB網卡的寄存器讀寫的原語，進行底層硬件級數據通信。其最常用的原語為向相應寄存器發送數據（cpil_put_UART_reg）和從相應寄存器接收數據（cpil_get_UART_reg），也是MVB客戶端協議中最基本的寄存器通信原語，客戶端協議中所有需要與服務器（MVB網卡）通信的上層原語最終都需要以這兩個原語為基礎。

（2）邏輯信道通信層

邏輯信道通信層的主要作用在于上層接口實現功能時邏輯信道能夠對相應的數據進行打包，以方便按數據包批量的進行數據收發和處理。應用層的各種接口一般都需要通過邏輯信道通信層最終調用處理器接口庫實現功能，也有應用層接口跳過邏輯信道通信層直接調用處理器接口庫的情況，比如通用功能接口中的某些原語。邏輯信道通信包含了配置信道、過程數據信道、消息數據信道和生命征這四種信道，相應的應用層接口則會使用相應的邏輯信道。邏輯信道通信的典型應用可參考發送過程數據原語（lp_put_dataset）與接收過程數據原語（lp_get_dataset），通用功能和消息數據的信道通信與過程數據的信道通信類似。

（3）應用接口層

應用層包含了可供應用使用的各種接口，一般情況下各接口都需調用邏輯信道通信層正常執行。應用層接口主要包含以下六種：

①常規功能接口

常規功能接口提供了設備的常規初始化服務，也提供了在MVB上設備通信參與的控制，此接口的主要目的在于能夠更友好的掌控設備功能。其包含的主要原語有設備通信的打開（gf_open_device）、設備通信的初始化（gf_init_device）、設備狀態的獲取（gf_get_device_status）、常規MVB初始化（gf_mvb_init）、開始MVB通信（gf_mvb_start）和停止MVB通信（gf_mvb_stop）等。

②過程數據端口接口

過程數據端口接口（在IEC-61375中也稱為鏈路層過程數據接口），它提供了通信存儲器及其端口的初始化服務、整個數據集的轉移以及伴隨著數據集傳輸的同步。其包含的主要原語有過程數據通信存儲器的創建及其源端口和宿端口的初始化（lp_init）、發送數據集（lp_put_dataset）和接收數據集（lp_get_dataset）等。

③過程數據變量接口

過程數據變量接口提供了變量的轉換服務，其實際存儲于數據集中。對過程數據變量的操作相當于對過程數據集的部分操作或者對幾個數據集的整體操作。

④消息數據接口

消息數據接口提供了通過網絡發送和接收消息的服務，包括呼叫∕應答服務、初始化服務和緩存管理服務。消息數據接口包含的主要原語有消息數據網絡初始化（am_init）、設備配置（am_announce_device）、發送消息數據（am_call_request）、向會話層聲明一個應答者實例（am_bind_replier）、準備好接收呼叫（am_receive_request）、執行應答即回發一個Reply_Message（am_reply_request）等。

⑤設備狀態字接口

設備狀態字接口提供了通信存儲器及其DSW端口的初始化以及與同一MVB網絡相連的DSW的值的讀取路徑。

（4）MVB通信主程序

MVB通信主程序主要使用應用接口管理MVB設備，按照過程數據和消息數據的通信協議實現在MVB總線上收發應用中的系統數據。

MVB通信主程序執行流程如下：

如圖7所示，MVB通信主程序執行了以下功能：打開MVB設備（網卡）、設備初始化、初始化MVB通信配置、過程數據端口初始化、消息數據初始化、開始MVB通信、執行過程數據和消息數據的通信循環、停止MVB通信、關閉MVB網卡。通信循環中，過程數據和消息數據皆根據其協議執行了收發原語，如過程數據通信循環中運行了lp_put_dataset和lp_get_dataset常用的過程數據收發原語，消息數據數據通信函數中運行了am_call_request和am_receive_request常用的消息數據收發原語。

過程數據具有其實時性的特點，主要傳送的數據是APS的電壓、電流、頻率等實時數據，因而必須循環執行其收發原語。而消息數據主要傳送APS的診斷信息、歷史信息等非實時性的數據，不必循環執行，為提高通信效率可在消息數據通信原語中設置標志，按需執行消息數據程序[10]。

圖7 MVB通信主程序執行流程

4.3 MVB客戶端在DSP中的集成

MON CARD的軟件開發主要使用DSP的軟件開發環境（Code Composer Studio，簡稱CCS）進行軟件開發，CCS是在DSP開發中最常用的開發工具，它具有代碼編輯、編譯、在線調試等諸多功能。本文主要使用CCS將MVB客戶端集成到DSP的整體程序中。由于原有的MVB客戶端協議是針對一般的運行環境編寫的，本文使用Code Composer Studio針對DSP運行環境的異同對MVB客戶端程序進行了一些修改，如原有協議代碼編寫的最小數據類型最低有效位為8位，而DSP運行環境中最小數據類型最低有效位為16位，且DSP對MVB網卡讀寫的數據也是以16位方式讀寫。比如數據類型UNSIGNED8和CHARACTER8等在普通PC環境下為8位，但遷移至DSP環境下（DSP最低只支持16位）默認轉換成16位數據。因此主要對以下幾部分進行了一定修改，如：①邏輯信道程序mcs_clch.c中的信道收發數據函數；②處理器接口庫中讀寫網卡寄存器的函數；③以及MVB通信主程序中部分消息數據發送函數等等。

5.輔助電源通信系統運行結果演示

5.1 MVB協議在下位機APS中的運行演示

DSP的開發環境Code Composer Studio具有Console控制臺功能，當進行DSP的在線調試時，DSP執行一條”printf（）”打印輸出原語，CCS會將輸出的內容顯示在Console對話框中。因此，如果在DSP程序運行的關鍵原語中或者前后加入相對應的”printf（）”原語，可以起到觀測程序運行流程，監控程序是否運行正常的作用。圖8所示為CCS在線調試時下位機（DSP）的實時過程數據和消息數據混合通信演示圖，并且圖中收發的數據隨著時間推移快速的更新。

圖8 實時過程數據和消息數據混合通信

其中過程數據（Process data）通信相關的參數和數據包含了以下4項：

port config——端口配置參數。SOURCE PORT表示過程數據源端口即發送過程數據的端口，0xE0B則是該源端口的地址，32bits表示該源端口的大小即一次能發送32位二進制數據；SINK PORT表示過程數據宿端口即接收過程數據的端口，0xC17則是該宿端口的地址，64bits表示該宿端口的大小即能接收64位二進制數據。過程數據端口大小最大可設為256bits。

port data——端口數據。表示該過程數據端口發送或接收到的數據，如APS運行時的電壓電流等實時數據信息。

status——宿端口狀態。表明宿端口的過程數據接收是否正常。

freshness——宿端口數據刷新值。表明宿端口中的過程數據是否新鮮，即是否剛剛接收數據并覆蓋過。數值越小表示接收到的過程數據越新。

而消息數據（Message data）部分，圖中此個瞬間APS監控通訊模塊從TCMS接收到了一個“i”，同時向TCMS發送一個“d”。因消息數據主要傳送是按需發送的非實時性數據，其更新速度會稍慢與過程數據。

5.2 基于MVB通信的TCMS運行演示

輔助電源系統（APS）和列車控制與管理系統（TCMS）同時掛載在MVB通信網絡上，通過MVB網絡，TCMS可以實時監控APS的各種實時狀態，傳輸APS的診斷信息和歷史信息等數據。根據MVB通信的兩種數據傳送方式和特點的不同，APS各種數據分別采用了不同的方式進行傳輸，APS的電壓、電流、頻率等實時數據主要通過實時性強的過程數據傳送，APS的診斷信息、歷史信息等非實時性的數據主要通過消息數據傳送。基于MVB通信，TCMS實現了APS的系統狀態信息和系統故障信息的監控、有實時狀態變化的APS電氣主回路的直觀顯示、逆變系統（SIV）與充電系統（BCU）控制曲線的顯示、交流信號波形的采集、故障記錄的管理等功能。部分功能演示如下：

圖9所示為APS的實時數據與狀態顯示界面，該畫面中TCMS實時顯示了APS各傳感數據、開關邏輯與故障信息。其中顯示的主要傳感數據有三相交流輸出電壓值（ACPT）、三相交流輸出電流值（ACCT）、電網直流輸入電壓值（DCPT）、電網直流輸入電流值（DCCT）、蓄電池輸出電壓值（BCPT）、蓄電池輸出電流值（BCCT）等，顯示的主要故障信息有電網直流輸入過電壓（DCOV）、電網直流輸入過電流（DCOC）、交流輸出過載（OVLD）、交流輸出低電壓（ACUV）、蓄電池輸出過電壓（BCOV）、蓄電池輸出過電流（BCOC）等，顯示的主要邏輯狀態信息有APS關閉信號（3201）、APS運行/停止信號（3106）、測試信號（TEST）、逆變器高速斷路控制信號（IVHBX）、交流輸出正常（ACOK）、蓄電池充電輸出接觸器輸出信號（BCKX）等。

圖9 TCMS監控系統中APS的實時數據與狀態界面

圖10 TCMS監控系統中APS的逆變系統曲線分析界面

圖10所示為APS逆變系統（SIV）控制曲線監控界面，圖中直觀的顯示了三相交流輸出的電壓曲線和電流曲線，如添加選擇，還可顯示電網直流輸入的電壓電流曲線，界面右下角還同時顯示了逆變系統當前狀態的具體參數值，極大的方便了我們對APS逆變系統實時狀態的了解與監控。

6.結語

本文對基于多功能車輛總線（MVB）的輔助電源通信系統的硬軟件進行了研究設計，將MVB通信協議集成于輔助電源系統的DSP軟件運行環境中，并取得了良好的效果。經實際車間驗證，本系統在硬件和軟件方面基本運行良好，在與CAN、RS232等工業總線基礎上建立起來的通信系統相比，該通信系統具有實時性好、可靠性高、傳輸容量大等優勢，并為下一步建立可靠穩定的輔助電源監控系統奠定了良好的數據通信基礎。

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