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平臺以及MVB總線接口技術實現的有軌電車多功能控制面板，并從系統功能、軟硬件設計角度對此進行了系統闡述。系統測試結果表明，多功能控制面板具有集成度高、操作性強、性能穩定等諸多優點，在完成司機的各種操作進行實時響應的同時，能夠利用MVB通訊與整車網絡進行信息交換，實現整車網絡、多功能控制面板以及受控部件系統的一體化構成。

有軌電車；MVB通訊；控制面板

1　引言

傳統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]；但隨著科技的發展、能源戰略的啟動以及人類對于生活品質需求的提高，傳統有軌電車的高噪聲、大功耗、低性能的缺點逐漸凸顯，隨著汽車產業的發展，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，有效的解決了現代城市交通面臨的多種問題。比如環境污染問題，由于現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，目前現代有軌電車還可采用氫能源驅動技術，此項技術更為節能環保，無任何污染物排放；現代有軌電車還具有開發周期短，建設成本低的優勢，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，被評為最經濟的一種交通系統[2]；在靈活性上現代有軌電車也存在著較大的彈性空間，它可依據不同時間的旅客流量來調整列車的編組數，從而提高現代城市交通的運營效率。

現代有軌電車技術的引入讓我國軌道交通運行系統變得更加多元化。目前，我國也在致力于現代有軌電車技術的創新工作，包括車體結構、驅動方式等，當然也包括車體網絡。為列車網絡定制的MVB總線開始被應用于有軌電車，以滿足用戶對網絡的開放性、性價比、開發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[3]等列車網絡系統中已有廣泛的應用。同時，為了匹配網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，與網絡的通訊上實現整車實時狀態監控更是迫切需要提升的重點，因此，實現一種能夠實現基于MVB總線通訊的集成式多功能控制面板是十分有必要的。基于此，本文采用了嵌入式開發平臺以及MVB總線接口技術實現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視系統（TCMS），可以通過按鍵結合外部采集信號實現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絡建立連接，能夠與整車網絡進行信息交換，實時接受列車網絡控制信息以及反饋被控部件狀態，有效的解決了傳統司控臺機械式操作按鈕的各種不足, 這將對我國列車網絡控制設備的自主研發起到推進作用，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，涉及到控制系統中過程數據的實時通訊[2]，是列車控制系統中的關鍵設備之一，系統的功能需求主要包括列車受控部件的按鍵操作、面板狀態顯示以及網絡通訊功能，相應的列車受控部件主要包括：列車的司機室狀態、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。根據上述系統功能需求構建系統原理框圖如圖1所示。

圖1　系統原理框圖

3　硬件設計

根據功能需求以及空間布局對圖1系統原理框圖的整個功能區域進行劃分， I區中主要包括按鍵/鎖開關以及指示燈功能模塊，II區中主要包括主控制器MCU、通訊網卡模塊、電源轉換模塊以及輸入輸出隔離電路，III區中主要包括電源/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域中的核心，負責數據采集、數據處理以及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通訊接口負責系統狀態的實時存儲，用于系統故障時狀態數據的提取，保障系統在出現故障后恢復正常運行。標準異步串行通訊接口與MVB通訊網卡完成通訊，并通過MVB網絡接口連接到MVB總線，實現MVB通訊功能；I2C通訊接口連接IO擴展芯片，用于實現IO的擴展以解決IO口數量要求較大的問題，擴展后的IO口經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。本設計為數字電路系統，且運營在有軌電車干擾源復雜的環境下，因此構建一個優良的數字隔離電路系統是十分必要的。基于此，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、可靠性高的網絡節點設備MVB通訊接口設計技術。網卡支持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）、標準異步收發接口（UART）以及SPI口，此外，網卡還具有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與網卡電路的連接設計以及網卡的接口配置設計，因主控板和網卡分別采用5V和3.3V電源系統，故MCU與網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的收發接口RXD和TXD以及網卡的復位RESET口。

本設計選取電的中距離傳輸介質（EMD）連接至整車網絡，同時，多功能控制面與TCMS共需3個公共數據口，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）口的數量以及通訊周期需求。

4　系統軟件設計

多功能控制面板要求具備網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絡狀態下均可運行，另結合上述系統設計需求，系統按功能主要構建有如下三大模塊：系統初始化模塊、網絡模式處理模塊以及應急模式處理模塊。

圖2　系統主循環軟件流程圖

系統初始化模塊主要涉及MCU和網卡初始化以及面板（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，網卡內部同時進行自啟動初始化處理，整個初始化過程由網卡自行完成，無需外界的干預。由于網卡每次上電都需對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初始化完成。

網絡模式處理模塊即為框圖中I區域，用于處理網絡正常狀態下系統的信息處理，包括網絡心跳檢測、按鍵和車體狀態信息采集、PANEL狀態顯示和控制輸出以及與TCMS的通訊。網絡心跳檢測用于判定車體網絡狀態，依此確定車體運行模式，網絡心跳存在，系統切換至網絡模式下，PANEL開始進行TCMS網絡控制指令的接收操作，采集按鍵和車體狀態信息，各數據信息經邏輯運算處理后執行PANEL狀態顯示和控制輸出，然后系統將PANEL狀態、故障信息等發送至TCMS網絡，循環執行上述操作即構成I區域所示的網絡模式處理模塊。

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

5　系統測試

多功能控制面板根據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、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測試主要包括功能測試以及通訊測試，功能測試采取現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議進行過程數據的傳輸測試，測試結果表明，系統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測試結果，可以說明：多功能控制面板具備網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通訊與整車網絡進行信息交換，實現整車網絡、多功能控制面板以及受控部件系統的一體化構成；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代有軌電車技術的發展，加速了我國列車組網設備及控制系統的國產化進程。

[1]薛美根,楊立峰,程杰.現代有軌電車主要特征與國內外發展研究[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中的應用[J].電力機車與城軌車輛, 2006(06).