CRH380A型高速動車組網絡控制系統分析

宋程

摘要：分析了CRH380A型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。

關鍵詞：列車網絡控制系統;ARCnet;HDLC

0 ?引言

CRH380A在時速350公里動車組中占有舉足輕重的地位，其設計、制造、運營、檢修等方面為中國標準動車組的后續推進積累了相當重要的經驗。自2010年投入運營以來，CRH380A普遍進入三到五級檢修階段，因此，具有針對性的分析其網絡控制系統對全方位掌握電氣檢修工作具有重要的作用。CRH380A的網絡控制系統以CRH2型車的網絡系統為基礎，原型為三菱公司的TIS系統。CRH380A（6動2拖）相比于CRH2型車（4動4拖）牽引控制的點數增加;速度大幅提升（200公里提升至350公里），且增加了再生制動的功能，因此對牽引與制動的通信要求更高。

1 ?CRH380A網絡拓撲結構

CRH380A網絡控制系統具有列車級網絡、車輛級網絡兩層結構。列車級網路的拓撲結構為雙重環網，車輛級網絡為點對點方式。

1.1 列車級網絡拓撲結構

CRH380A的網絡控制系統如圖1所示。T1、T2（1號、8號）車分別有1臺中央控制裝置和1臺終端控制裝置，M1～M6（2號～7號車）分別有1臺終端控制裝置，整列車2個中央裝置和8個終端裝置共10個通信節點，編號為1～10。10個通信節點通過兩根雙纖光纖連接形成雙重環形網絡，上行環路為1—3—5—7—9—10，下行環路為10—8—6—4—2—1。對于列車重聯，T1、T2車的中央控制裝置通過兩根雙絞線（硬性較好）連接于外部接口，用于列車聯掛形成20節點雙重環網。另外，整列車通過一根雙絞線采用總線拓撲結構連接10個通信節點形成自我診斷傳輸線，該傳輸線同樣連接于聯掛接口。

1.2 列車級網絡傳輸協議

雙重環網的數據傳輸協議為ARCnet，傳輸速度2.5Mb/s。ARCnet是一種數據鏈路層的令牌協議，一共有五種幀結構：ITT幀（令牌幀）、FBE幀（空閑緩沖區詢問幀）、ACK幀（確認幀）、NAK幀（否認幀）、PAC幀（數據傳輸幀）。若一個站點要發送數據，首先要接收到ITT幀，再向目的節點發送FBE幀，收到ACK幀后才可以發送PAC幀。ARCnet還具備網絡重構機制，可靠性較好。自我診斷傳輸線的數據傳輸協議為HDLC，傳輸速度為38.4kb/s。HDLC工作在數據鏈路層，一共有三種幀結構：信息幀（I）、監控幀（S）、無編號幀。

1.3 車輛級網絡拓撲結構

車輛級網絡采用點對點拓撲結構，中央裝置與終端裝置針對不同的車輛裝置采用光纖或雙絞線傳輸介質。

采用兩根雙纖光纖傳輸：BCU（各車終端）和CI（M1～M6終端）。

采用兩根雙絞線雙向傳輸：顯示控制裝置（T1、T2中央，M4終端）、IC卡讀寫裝置（T1、T2中央）、數據記錄及無線傳輸裝置（T1、T2中央）、轉向架失穩檢測裝置（各車終端）、空調顯示設定器（各車終端）、APU（T1、T2、M4終端）、煙火報警裝置（M4終端）、軸溫實時監測裝置（各車終端）、自動廣播裝置（M4終端）。

采用兩根雙絞線單向傳輸：距離檢測傳感器（僅T1中央）。

采用一根雙絞線單向傳輸：側面目的地顯示器（各車終端）。

1.4 車輛級網絡傳輸協議

車輛級點對點網絡數據交換協議采用HDLC協議、20mA電流環及30mA電流環等。CI、BCU通過光纖采用10ms輪詢、192kb/s的HDLC方式;兩根雙絞線雙向傳輸的裝置采用物理層24V20mA電流環，數據鏈路層9600b/s的串行同步通信，輪詢選擇的方式;兩根雙絞線單向傳輸（距離檢測傳感器）裝置采用物理層24V30mA（抗擾）電流環，數據鏈路層9600b/s的HDLC協議;一根雙絞線單向傳輸（側面目的地顯示器）的裝置采用物理層24V20mA電流環，9600b/s串行同步傳輸。

2 ?網絡傳輸協議的實現

ARCNET、HDLC協議通過協議控制器與CPU進行通訊，網絡協議固化在協議控制器，CPU通過操作協議控制器的寄存器來控制數據的傳輸。20mA電流環在物理層實現，其數據鏈路層是HDLC或者串行同步傳輸，電流環是將通信雙方（CPU與MCU）的串口電平信號轉換為24V 20mA電流信號，增加信號的抗干擾能力。

2.1 ARCnet協議

ARCNET的協議控制器以COM20020為例，其接線圖如圖2所示。CPU初始化操作其寄存器設置總線類型、幀的大小、傳輸速度、頁面大小等，通過讀寫函數完成數據幀的接收發送。傳輸過程為：光信號經光電轉換裝置轉換為電信號，電信號經通過HYC9088A轉換為TTL電平信號傳輸至COM20020接收/發送端口，COM20020通過8位數據線、3位地址線和5位控制線與CPU相連。

2.2 HDLC協議

HDLC的協議控制器以MT8952為例，其與CPU接線如圖3所示。外部光信號轉換為電信號，或直接電信號（30mA），經過MT9172轉換為數字信號NRZ（基帶傳輸）碼，傳輸至MT8952的發送/接收端口，MT8952通過8位數據線、4位地址線、5位控制線與CPU相連。

2.3 20mA電流環

20mA電流環是物理層的一種信號傳輸方式，通信雙方接線如圖4所示。CPU發送/接收端口的TTL電平經過光敏二極管產生20mA電流，經4N25光電耦合，由光敏三極管放大轉換為傳輸線路上的20mA電流。該通信方式數據鏈路層采用串行同步傳輸。

3 ?結語

CRH380A以時速350公里持續運營的成熟穩定性已經經受住了考驗，其網絡控制系統的可靠性也得到了充分驗證，分析其網絡拓撲結構、傳輸協議，并對網絡協議的實現進行原理性分析對電器檢修、同類網絡系統設計都具有十分重要的作用。

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