機車網絡控制系統主處理單元設計及應用

西安鐵路職業技術學院 朱慧勇

鐵路運輸屬于日常生活中主要的運輸方式，鐵路運輸的運行速度及運載能力是衡量國家經濟水平的主要標準之一。在鐵路行業中，運輸是主要內容，現代運輸技術在不斷的發展，具有低成本及高效率的優勢，并且還能夠實現規模經濟及集約化的經營模式，逐漸成為現代化鐵路行業的典范。網絡控制系統為電力機車主要技術，以列車主要的網絡通信標準，創建大量列車網絡控制系統產品，而且還能壟斷相應行業。所以具備自主產權網絡控制技術，能夠有效提高我國電力機車競爭力。

1 系統的架構設計

機車網絡控制系統級網絡使用二級網絡，也就是車輛級和列車級，動車以一個動車組單元作為網絡結構單元，單元之間利用列車總線進行通信。允許列車級WTB/單元機MVB 結構，還允許列車級ETB/單元級環形以太網ECN。列車級控制總線可以使用絞線式列車總線WTB、基于EMD為通信介質的多功能車輛總線MVB。車輛控制級可以使用將EMD 作為通信介質的多功能車輛總線MVB，功能級控制總線可以使用RS485 通信總線及HDLC 等通信方式[1]。系統使用分布式控制技術，也就是分布式收集、執行、中央集中控制和管理的模式，中央控制單元CCU 集控制、監測及診斷功能結合，實現總線數據交換的集合，并且對接收數據及向子控制系統指令進行處理，實現監測及診斷的功能。為了使網絡控制系統可靠性得到提高，每個列車都配置雙CCU，從個人實現控制冗余。正常情況中，系統會選擇列車控制端CCU 作為主控設備，在主控單元出現故障的時候，備用的主控單元就會自動升級為主控設備，實現列車中央控制單元功能，保證列車正常運行。此冗余功能能夠實現無縫切換。

2 系統主處理單元的硬件設計

西門子S7-300 PLC 主要是面向制造工程系統的解決方案，其主要性能特點為：具備通用性及豐富CPU，性能較高，模塊化設計，因為使用MMC 存儲程序及數據，所以系統免維護。S7-300 是一種可擴展模塊系統，也就是擴展模塊具有不同組合。CPU型號不同，其功能也各有不同，全部CPU 中都具備集成輸入輸出點。并不是全部中央處理單元都具備通信接口，比如CPU315-2DP 為集成具有PROFIBUS 接口處理單元，此信號模塊能夠實現模擬量及開關量的輸出、輸入，并且電源能夠實現不同交流電的連接，并且具有較高的抗震動及兼容性，使其能夠滿足最高工業環境使用需求。

3 系統中主處理單元的功能設計

3.1 通信方式

3.2 MPU 應用程序

3.2.1 主處理單元MPU的功能設計

網絡控制系統核心為MPU，也是實現系統重要功能模塊，其主要目的就是實現FIPV 總線的管理，接收網絡傳輸信息幀并且解析，利用FIP 網絡發送其他模塊命令，BCU、TCU 等，實現機車的控制。在本系統中，主要實現系統主處理單元MPU 基本功能，也就是實現FOPV 總線管理功能，包括總線仲裁機制、變量交換等。MPU應用程序的功能較為復雜，并且具有較高的可靠性及實時性需求，尤其是在MPU 程序內部的多任務調度能力需求方面。

3.2.2 主處理單元MPU 系統功能的構成

應用程序將FDM通信庫作為基礎，那么就要對FDM通信庫進行編譯，對C 源程序中user_opt 文件進行修改，以軟件、硬件環境實現處理器類型選項、編譯器及操作系統等選項的設置。

根任務的主要功能為：

其一，初始化系統。主要指的是設備驅動程序、網絡配置、系統內存分配、I/O 系統，并且還能夠以系統符號實現工具及資源的初始化，實現日志任務、異常處理任務的創建。

其二，設置任務調度方式。VxWorks 中系統默認的任務通過搶先機搶占式開展，所以就要設置FIPV 網絡初始化及總線仲裁實現高優先，對沒有較高實時性要求并且占據大量系統資源的任務設置為低優先級。

其三，實現功能任務的創建。主處理單元MPU功能主要是由五部分構成。

函數返回值是一種任務ID，能夠便于今后的操作。此函數能夠將任務創建到就緒狀態中設置，還能夠實現內存空間的自動分類，使其能夠轉變成為任務控制塊或者堆棧。

其四，初始化FIPV。在根任務中設置初始化函數FIPV_Init，主要目的就是實現FIPV 網絡初始化、MPS 變量、內存區域初始化及信息幀定義的配置等。此函數能夠對其他任務功能提供必要元素，并且創建工作環境。

4 結語

本文基于網絡控制系統軟件設計中實現主處理單元基本功能的設計，后續功能需要在今后研究過程中完善。在實現系統設計之后，對系統模塊進行測試，通過測試結果實現能量交換、邏輯關系及總線掃描的觀察，表示其滿足前期網絡控制平臺設計的需求。