適用于動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的以太網(wǎng)板卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

華 皛， 程宏明， 楊亦錚,2， 曹宏發(fā),2， 章 陽,2

(1 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081.)

既有動(dòng)車組列車通信網(wǎng)絡(luò)主要采用TCN，由絞線式列車總線WTB和多功能車輛總線MVB組成，適用于需要?jiǎng)討B(tài)編組的列車車輛，隨著動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及其他配套技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、控制系統(tǒng)的智能化程度越來越高，列車健康管理和全方位、多維度故障診斷和維修技術(shù)需要提升，以及各種新的服務(wù)需求不斷出現(xiàn)，諸如視頻傳輸、遠(yuǎn)程診斷、旅客信息服務(wù)等，使得數(shù)據(jù)傳輸量越來越大，TCN網(wǎng)絡(luò)在傳輸業(yè)務(wù)多樣化、帶寬及傳輸速率、成本和兼容性等方面已不能適應(yīng)動(dòng)車組發(fā)展新需求。

近年來，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，在分布式控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，它具有全球開放性、價(jià)格低廉，全球軟硬件支持，共享資源豐富等特點(diǎn)，軌道交通設(shè)備采用以太網(wǎng)通訊成為一種趨勢。國際電工委員會(huì)IEC在2010年開始修訂IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)，增加了以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)ETB(Ethernet Train Backbone)、以太網(wǎng)車輛局域網(wǎng)ECN(Ethernet Consist Network)的規(guī)范。日立、西門子、龐巴迪等軌道交通行業(yè)巨頭都已經(jīng)在新一代列車中使用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，國內(nèi)的相關(guān)科研院所也陸續(xù)開展工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)和應(yīng)用研究。

因此，研究適用于動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的以太網(wǎng)板卡，搭建動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，有利于提高動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的通信帶寬、可靠性和互聯(lián)互通性能，在滿足動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)正常工作的前提下，構(gòu)建動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，為更高級的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供了可能，能夠有效地降低動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的日常維修維護(hù)成本。

1 制動(dòng)系統(tǒng)EBCU網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

EBCU也稱為制動(dòng)控制器，如圖1所示，是面向制動(dòng)系統(tǒng)功能需求的嵌入式電子控制裝置，EBCU采用模塊化設(shè)計(jì)，基于接口配置和功能定位，劃分不同類型的控制板，控制板通過前面板連接器與外部系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。

圖1 電子制動(dòng)控制單元結(jié)構(gòu)

EBCU內(nèi)部各板卡之間通過背板CAN總線進(jìn)行通信，各車的 EBCU之間通過以太網(wǎng)通信， EBCU與列車的其他系統(tǒng)通過以太網(wǎng)互聯(lián)互通，制動(dòng)系統(tǒng)服務(wù)終端(測試服務(wù)設(shè)備)通過以太網(wǎng)連接全列所有EBCU，可同時(shí)對多個(gè)EBCU實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序下載、測量和故障診斷等，如圖2所示，其中，以太網(wǎng)板卡是EBCU實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信的關(guān)鍵部件。

圖2 制動(dòng)系統(tǒng)EBCU網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2 動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)以太網(wǎng)板卡功能

2.1 診斷、標(biāo)定功能

EBCU的診斷功能通過以太網(wǎng)板卡與服務(wù)終端連接，以太網(wǎng)板卡可將服務(wù)終端的診斷服務(wù)請求報(bào)文路由至指定EBCU，也可將EBCU的診斷服務(wù)響應(yīng)報(bào)文發(fā)送給服務(wù)終端，從而讀取全列EBCU的故障信息及過程數(shù)據(jù)、控制EBCU的IO輸出。

EBCU的標(biāo)定功能通過以太網(wǎng)板卡與服務(wù)終端連接，以太網(wǎng)板卡可將服務(wù)終端的標(biāo)定協(xié)議請求報(bào)文路由至指定EBCU，也可將EBCU的標(biāo)定協(xié)議響應(yīng)報(bào)文發(fā)送給服務(wù)終端，從而實(shí)現(xiàn)對全列EBCU的內(nèi)部信號(hào)進(jìn)行測量和修改，調(diào)試EBCU的運(yùn)行參數(shù)。

2.2 可配置的數(shù)據(jù)記錄及導(dǎo)出功能

以太網(wǎng)板卡使用SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)保存帶有時(shí)間戳的數(shù)據(jù)，可通過服務(wù)終端上傳配置文件，靈活選擇需要存儲(chǔ)的信號(hào)，并通過以太網(wǎng)將存儲(chǔ)信號(hào)導(dǎo)出，為故障分析提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 軟件刷寫功能

以太網(wǎng)板卡固化基于以太網(wǎng)的Bootloader程序?qū)崿F(xiàn)自身程序刷寫，通過路由實(shí)現(xiàn)EBCU內(nèi)其他板卡的應(yīng)用程序刷寫，這樣，售后維修人員可在任一車輛通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)整列EBCU的應(yīng)用程序刷寫，從而極大提高售后人員更新程序的效率。

2.4 以太網(wǎng)控車

以太網(wǎng)代替原有的列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN，將TRDP(Train Real-time Data Protocol)協(xié)議用于列車實(shí)時(shí)以太網(wǎng)絡(luò)，確保延遲時(shí)間在50 ms左右，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)控車。

3 動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)以太網(wǎng)板卡設(shè)計(jì)

適用于動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的以太網(wǎng)板卡，構(gòu)建了以太網(wǎng)控車網(wǎng)絡(luò)，提高制動(dòng)系統(tǒng)的總線通信帶寬以及可靠性，實(shí)現(xiàn)與列車其他系統(tǒng)的互聯(lián)互通，也可作為以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用程序下載、故障診斷、參數(shù)標(biāo)定、數(shù)據(jù)記錄和導(dǎo)出等功能，進(jìn)一步完善了動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的可操作性和可維護(hù)性。

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路MCU采用Power Architecture technology的32 bit芯片，核心時(shí)鐘頻率可達(dá)180 MHz。主要實(shí)現(xiàn)功能有：四路CAN、一路以太網(wǎng)、一路RS485，大容量存儲(chǔ)及LED指示功能，硬件架構(gòu)圖見圖3，以太網(wǎng)板卡見圖4。

圖3 硬件架構(gòu)圖

圖4 以太網(wǎng)板卡

3.2 軟件設(shè)計(jì)開發(fā)

以太網(wǎng)板卡軟件采用模塊化的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要分為引導(dǎo)加載程序、基礎(chǔ)軟件、應(yīng)用程序3部分。

(1)引導(dǎo)加載程序(Bootloader)是運(yùn)行于以太網(wǎng)板卡的嵌入式軟件，可引導(dǎo)應(yīng)用程序啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自身應(yīng)用程序的刷寫。

(2)基礎(chǔ)軟件以AUTOSAR架構(gòu)為基礎(chǔ)，將通信協(xié)議棧通用功能作為核心代碼，通過配置代碼生成工具，依據(jù)不同的項(xiàng)目需求，導(dǎo)入相應(yīng)的配置文件自動(dòng)生成配置代碼，再將配置代碼和核心代碼放入開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編譯和鏈接可生成適配不同需求的應(yīng)用程序。

(3)應(yīng)用軟件是以太網(wǎng)板卡軟件的最高層，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信參數(shù)的設(shè)置、可配置的數(shù)據(jù)記錄及導(dǎo)出、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控車功能，圖5為以太網(wǎng)板卡軟件架構(gòu)。

圖5 以太網(wǎng)板卡軟件架構(gòu)

4 測試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證適用于動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的以太網(wǎng)板卡的有效性和可靠性，在動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)軟件集成測試臺(tái)對其進(jìn)行了全功能測試，并在試驗(yàn)室進(jìn)行了多系統(tǒng)以太網(wǎng)控制功能聯(lián)調(diào)以及現(xiàn)車應(yīng)用，測試和應(yīng)用結(jié)果表明，以太網(wǎng)板卡可實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用程序下載、故障診斷及參數(shù)標(biāo)定等功能，可與列車其他系統(tǒng)互聯(lián)互通。

4.1 動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)軟件集成測試臺(tái)

動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)軟件集成測試臺(tái)主要由列車制動(dòng)環(huán)境、8個(gè)單車制動(dòng)環(huán)境、測試服務(wù)系統(tǒng)組成。列車制動(dòng)環(huán)境具有TCN、 CAN、ECN網(wǎng)絡(luò)管理，可模擬列車總線控制指令；單車制動(dòng)環(huán)境用于模擬EBCU的外部輸入信號(hào)和采集EBCU的輸出信號(hào)；測試服務(wù)系統(tǒng)可模擬司機(jī)室占用、制動(dòng)試驗(yàn)、列車速度設(shè)定、制動(dòng)級位設(shè)定、停放制動(dòng)按鈕、緊急制動(dòng)按鈕、撒沙開關(guān)等各種操作，并執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)的管理和配置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、生成測試報(bào)表等功能。測試過程中，下位機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，根據(jù)上位機(jī)指令或仿真模型控制輸出，通過測試服務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測多個(gè)信號(hào)狀態(tài)。

4.2 測試臺(tái)仿真驗(yàn)證

通過動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)軟件集成測試臺(tái)配置列車環(huán)境和單車環(huán)境，測試以太網(wǎng)板卡程序下載、標(biāo)定測量、詳細(xì)文件記錄及導(dǎo)出、以太網(wǎng)控車等功能，測試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，見表1。

表1 仿真驗(yàn)證結(jié)果

4.3 多系統(tǒng)試驗(yàn)室聯(lián)調(diào)

CCU(中央控制單元)、TCU(牽引控制單元)、EBCU(電子制動(dòng)控制單元)、HMI(人機(jī)界面)在試驗(yàn)室進(jìn)行以太網(wǎng)控車聯(lián)調(diào)，強(qiáng)制CCU發(fā)送列車速度、年月日時(shí)分秒、司機(jī)室占用信號(hào)、主控網(wǎng)段信號(hào)、列車聯(lián)掛信號(hào)等，EBCU可以正確接收；EBCU發(fā)送車重、WSP速度、空壓機(jī)指令、制動(dòng)子模式信號(hào)、故障信息等，CCU可以正確接收。

4.4 現(xiàn)車應(yīng)用

以太網(wǎng)板卡的以太網(wǎng)維護(hù)功能已在速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組、城市軌道、混合動(dòng)力車等項(xiàng)目應(yīng)用，運(yùn)行狀態(tài)良好，在列車狀態(tài)監(jiān)控、故障記錄和分析處理等方面發(fā)揮了重要作用。

5 結(jié) 論

在調(diào)研國內(nèi)外以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展和研究動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)使用以太網(wǎng)控制可行性基礎(chǔ)上，搭建了動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)以太網(wǎng)板卡開發(fā)軟硬件平臺(tái)，完成了以太網(wǎng)板卡的硬件電路設(shè)計(jì)和自動(dòng)生成配置代碼的軟件開發(fā)，并在測試臺(tái)、試驗(yàn)室多系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和現(xiàn)車進(jìn)行了驗(yàn)證，滿足以太網(wǎng)維護(hù)及控車需求，以太網(wǎng)板卡構(gòu)建了動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)全新通信技術(shù)平臺(tái)，為動(dòng)車組提供了整體數(shù)據(jù)通信理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。