CR400AF型高速動車組網絡控制系統分析

常培晶

摘要：分析了CR400AF高速動車組網絡控制系統的拓撲結構、數據傳輸協議，并對網絡協議的實現進行原理性設計。

Abstract： The topology and data transmission protocol of the CR400AF EMU network control system are analyzed， and the principle design of the network protocol is designed.

關鍵詞：TCN;WTB;MVB

Key words： TCN;WTB;MVB

0 ?引言

CR400AF系中國標準動車組，2017年投入運營，運營時速350公里，采用動力分散方式（4拖4動），電機功率較CRH系列提升。CR400AF的網絡控制系統是CRH1/3/5、CRH380B/L系列車型的改進設計，其網絡可靠性已經經受住十幾年的運營考驗，且TCN網絡是世界上列車使用最廣泛的，已經研究使用逾二十年。

CR400AF網絡控制系統采用TCN+以太環網（ETB），TCN（IEC61375-1標準）分為列車級網絡和車輛級網絡。列車級網絡為WTB，傳輸距離遠;車輛級網絡為MVB，總線支持點數多，是整個列車網絡控制系統的核心。以太環網吞吐量大，傳輸速度快，但絕對可靠性不高，適合用于事件記錄、故障傳輸、運營動態傳送等功能。

1 ?CR400AF網絡控制系統結構

1.1 列車級網絡

TCN列車級網絡為WTB。WTB總線傳輸距離遠，860m距離上允許1Mbit/s的傳輸速度，但其最多允許32總線節點，因此其適合用于列車級網絡，而車輛級網絡設備數量大，不適合采用。

CR400AF的WTB拓撲結構為總線型，如圖1所示。TC01、TC08車各兩個網關，互為冗余。每個網關含4個DB9端口，DB9端口之間采用屏蔽雙絞線連接，DB9僅使用針腳1、2。各個網關指定其中兩個DB9端口相鄰連接形成A線，另外兩個DB9端口相鄰連接形成B線，A、B兩線互為冗余。列車端部留有端口用于列車聯掛。

1.2 車輛級網絡

TCN車輛級網絡為MVB。MVB總線傳輸周期小于1ms，傳輸速率1.5Mbit/s，可采用三種物理傳輸介質：電短距離ESD（RS-485收發器）、電中距離EMD（屏蔽雙絞線）、光纖。ESD距離最大20m，EMD距離最大200m，光纖2000m，但光纖需點對點連接。由于MVB最多支持4095個設備，其中256個可參與消息傳送，因此車輛級網絡適合選用MVB總線，且距離上適合選用EMD介質。由于MVB采用EMD介質每段總線最多支持32個設備，因此需要中繼器將各網段聯接，且部分設備距離較遠也需采用中繼器。

CR400AF的整個網絡控制系統分為兩個網絡單元，每個網關（非冗余）對應一個網絡單元，每個單元4節車廂。兩個網絡單元整體為一個MVB網絡，其拓撲結構為總線型，如圖2所示。MVB總線物理層為DB9端口，采用屏蔽雙絞線連接，使用針腳1、2、4、5連接兩根雙絞線，互為冗余。每個MVB設備兩個DB9端口分別與總線上相鄰設備連接形成總線，總線端部一端連接網關（物理上網關連接于中繼器，中繼器留端口用于聯掛），另一端連接終端電阻。車廂之間和車廂內距離較遠的設備采用中繼器連接。MVB網絡內的業務核心為CCU，也是MVB網絡內的主設備，整列車頭車各兩個CCU（冗余），列車運行時，整個網絡內根據列車運行方向僅有一臺CCU為MVB主設備，CCU通過MVB網卡連接于總線網絡。

1.3 以太環網

以太環網用于部分列車設備信息傳輸，TC01、TC08車各兩個骨干交換機（冗余），非頭車各一個編組網交換機，其拓撲結構為環形，如圖3所示。上行環路01-02-04-06-08，下行環路08-07-05-03-01，列車端部骨干交換機留端口用于聯掛。以太環網物理層為M12端口，采用5e類四芯絞線連接。網關、CCU、TCU、BCU等裝置通過M12接口與各車以太網交換機采用點對點連接，骨干以太網交換機再與無線傳輸裝置（WTD）連接，將列車狀態信息、故障記錄事件等傳送至各單位。以太網采用TCP/IP協議，整個網絡為100BaseT以太網。

2 ?網絡控制系統實現

2.1 WTB總線

列車級網絡WTB總線的應用相對簡單，設備數量少，僅頭車各兩個網關，網關的作用是實現WTB協議轉換為MVB協議，將兩個網絡單元信息聯通。網關以Duagon公司D521為例說明，D521含4個WTB級DB9端口，2個MVB級端口，一個以太網RJ45端口。D521內部包含32位ARM級CPU，通過FPGA實現WTB至MVB協議轉換。WTB總線協議符合HDLC標準，采用曼徹斯特編碼傳輸，協議報文有三種：過程數據報文、消息數據報文、監督數據報文。

2.2 MVB總線實現

車輛級網絡MVB涉及每一個參與網絡控制的設備，每一臺設備通過MVB網卡連接到MVB總線上，因此設備需內嵌板卡實現MVB協議。列車上每一臺設備都屬于一個嵌入式系統，如CCU、TCU、BCU等，可以通過嵌入式系統的CPU或單板系統的MCU與MVB板卡進行通信。MVB板卡種類多，供應商有西門子、龐巴迪、EKE、Duagon等，比如龐巴迪MVBC協議控制芯片（MVBC01/02），本文以Duagon公司的D113為例說明。

D113支持實現MVB的4類設備，可以完成過程數據、消息數據和總線管理等傳輸。D113內部由32位ARM級CPU和FPGA共同實現MVB協議。D113有2個DB9接口用于連接至MVB總線，D113通過PC/104接口與宿主CPU進行通信和設置12位MVB地址。

PC/104接口由J1（64針腳）和J2（40針腳）上下并排組成，節省了板卡空間。J1用于8位數據并行傳輸，J2拓展為16位數據并行傳輸。PC/104接口有五種信號線：地址線（20/24位）、數據線（8/16位）、控制線（片選/鎖存/讀寫/復位）、中斷線（16個中斷源）、時鐘線。時鐘信號由板卡內部32位CPU提供，宿主CPU無需提供。本文以ARM9系統Atmel公司的32位AT91SAM9263為宿主CPU（用于列車CCU、TCU、BCU等設備），如圖4所示，通過3.3-5V電平轉換器與PC/104接口連接。EBI0_NRD、EBI0_NWR用于控制讀寫存儲器和IO，EBI0_NCS0、EBI0_NCS1用于片選16位存儲器和16位IO，并且二者有一個信號有效便使高8位和地址鎖存信號有效（與門）。

MVB總線協議幀有主設備幀和從設備幀，采用曼徹斯特編碼傳輸，從設備幀只能響應主設備幀，一個MVB網絡內只能有一個主設備，但主設備的身份可以更換。MVB總線協議報文有16種：過程數據請求、主設備權更迭、消息數據請求、常規事件請求等。

3 ?結語

CR400AF動車組正值蓬勃發展窗口期，其網絡控制系統在后續的設計生產中仍有改進的空間，分析其網絡拓撲結構、傳輸協議、設備內部原理以及供應商鏈對掌握其利弊和后續網絡系統的選擇具有重要的意義，并為后續的持續性推廣應用提供一種原理性參考。

參考文獻：

[1]黃秀川，何成才.動車組網絡技術[M].成都：西南交通大學出版社，2018.

[2]李洋濤.TCN列車網絡技術現狀與發展[J].單片機與嵌入式系統應用，2012，12（1）：4-7.

[3]李劍，曾文海，朱紅濤.基于ARM嵌入式系統的PC/104總線設計[J].現代電子技術，2007，30（24）：150-152.

[4]程曉飛，吳旭光，李毅，等.基于ARM7的PC/104接口的設計與實現[J].國外電子測量技術，2012，31（3）：82-85.

[5]王樹賓.動車組網絡控制系統的研究[D].北京：北京交通大學，2008.