基于ControlBuild平臺的車載控制單元的設計與實現

田學文，任曉坤

(中車青島四方車輛研究所有限公司 電子事業部，山東 青島 266031)

1 背景與目的

為解決上述動車組列車網絡控制系統的突出問題，開發了基于ControlBuild的VCU。VCU集成了MVB板、以太網板、WTB板、輸入輸出(IO)板，中央控制單元與TCN網關融合，將WTB板集成到VCU機箱，通過共享內存實現車輛級總線數據與列車級總線數據的內部傳輸。VCU軟件集成MVB通信驅動、以太網通信驅動、WTB通信驅動、IO通信驅動，具備較高的通信方式擴展性；VCU兼容車輛級MVB/ETH總線、WTB列車級總線3種通信模式，其中MVB/ETH總線通信模式2選1，用戶根據動車組列車網絡配置需求，選擇通信板卡并通過配置文件設置車輛級總線通信模式。軟件功能開發采用模塊化設計，車輛邏輯采用工程庫函數模塊方式進行開發，便于功能調試、仿真測試，提高了邏輯開發的效率。

2 VCU硬件組成

VCU機箱由電源板、背板、CPU板、MVB板、WTB板、以太網擴展板、DI采集板、DO輸出板組成。電源板通過背板給各個板卡供電，CPU板是控制核心板，MVB板、WTB板、以太網擴展板是通信板，DI采集板、DO輸出板分別是輸入、輸出板。CPU板通過背板CPCI總線與各通信板進行數據傳輸，通過背板CAN總線控制DI采集板/DO輸出板。VCU機箱組成如圖1所示。

圖1 VCU機箱組成

電源板負責將外部電源輸入轉換為VCU中板卡所需要的5 V直流電源；CPU板屬于整個VCU的控制中樞，主要運行實時操作系統、驅動程序和列車控制邏輯，實現VCU的MVB/WTB/ETH/IO總線數據處理、冗余功能和邏輯運算等；MVB板實現IEC 61375-1：2012《鐵路電氣設備 列車通信網絡 第 1 部分：基本架構》中定義的MVB物理層和鏈路層，通過背板總線提供MVB鏈路層接口，具有MVB過程數據、消息數據和查詢設備狀態功能，支持4 096個過程數據端口[1]；WTB板實現IEC 61375-1：2012標準定義的WTB物理層和鏈路層，通過背板CPCI總線提供WTB鏈路層接口。

3 VCU軟件功能設計

基于ControlBuild平臺的VCU軟件(圖2)由輔助開發工具(ADT)、邏輯編程軟件ControlBuild、VCU任務調度軟件、服務軟件(PTU)組成。ADT實現通信協議、配置變量表的解析與變量導入、加載驅動、程序一鍵編譯等功能；ControlBuild實現車輛邏輯繪制、邏輯編譯、邏輯工程配置、程序編譯功能；VCU任務調度軟件根據每個任務分配的時間片和執行周期，實現多線程、多進程的任務調度；PTU實現程序和配置文件的上傳、邏輯變量的實時監控/強制、故障的下載/解析功能。

圖2 基于ControlBuild平臺的VCU軟件架構圖

3.1 ADT功能設計

ADT是工程輸入文件與上位機開發環境的接口配置工具，ADT具備以下功能(圖3)：

圖3 ADT功能示意圖

(1) 工程管理與配置。建立與ControlBuild對應的ADT工程，并進行接口文件路徑設置、驅動程序設置。項目輸入表格分為通信協議變量表、配置變量表、驅動變量表3類。驅動程序包括MVB驅動、ETH驅動、WTB驅動、IO驅動、仿真驅動、PTU驅動和任務管理驅動。

(2) 變量解析與導入。ATD解析的變量種類包括MVB變量、ETH變量、WTB變量、IO變量、配置變量、驅動變量。ATD解析這些變量的變量名、輸入輸出屬性以及變量的數據類型，將所有變量導入ControlBuild。

3．相關會議類。關于習近平共享發展的會議是比較多的，最具有代表性的會議有《決策論壇——公共政策的創新與分析學術研討會》、《中國國際共運史學會2016年年會暨學術研討會》《中國經濟規律研究會第26屆年會暨“政治經濟學創新與供給側改革”研討會》等，這些會議從不同角度闡明了習近平共享發展理念符合時代發展。準確地理解習近平共享發展理念的理論來源、深刻內涵以及與其他四大發展理念(創新、協調、綠色、開放)的邏輯關系，同時準確把握習近平共享發展理念的創新性，為習近平共享發展理念的進一步深入研究開拓了理論視野，對于習近平共享發展理念的研究具有重要借鑒意義。

(3) 加載驅動。根據設備硬件通信板的配置和項目需求，通過ADT勾選將要調用的硬件板卡驅動函數庫和應用層函數庫，包括MVB驅動、ETH驅動、WTB驅動、IO驅動、仿真驅動、PTU驅動和任務管理驅動。

(4) 程序生成。用戶根據項目需求，通過ADT選擇并設置驅動路徑，實現驅動程序的靈活配置，并通過ADT一鍵生成可執行應用程序。

3.2 ControlBuild邏輯開發

ControlBuild是一款開放式自動化軟件平臺，專注于控制自動化和電子嵌入式系統的綜合開發，具備全流程控制系統的開發、仿真、驗證功能，在軌道交通行業應用廣泛。

基于ControlBuild平臺的VCU上位機軟件開發內容包括變量模塊、工程庫、VCU網絡控制邏輯，見圖4。

圖4 基于ControlBuild平臺的VCU上位機軟件開發內容

3.2.1 變量模塊設計

變量模塊分為通信協議變量模塊、配置變量模塊、驅動變量模塊和未使用變量模塊。變量數據流向設計如下：

(1) 通信協議變量通過驅動程序與邏輯模塊使用的協議變量直接關聯，包括通信協議輸入、輸出變量。

(2) 配置和驅動變量模塊存放非協議配置變量，包括機箱配置信息變量、通信故障變量、設備狀態信息變量、中間變量等。配置輸入變量通過讀取配置文件獲取數值，驅動輸入變量由驅動程序提供，并提供給邏輯使用；配置和驅動輸出變量接收邏輯輸出的變量值，再通過驅動程序進行數據輸出處理。

(3) 未使用變量模塊存放未使用的變量，由ADT檢測邏輯未使用的通信協議變量、配置變量和驅動變量生成。

3.2.2 工程庫設計

工程庫包括VCU功能模塊、運算模塊、控制模塊、邏輯模塊、時間控制模塊、數據類型轉換模塊。工程庫函數采用統一接口，便于調試、仿真測試。

VCU功能模塊主要實現設備自身的軟件、硬件診斷，系統日志的生成與硬件板卡的故障記錄，VCU設備間的冗余切換，VCU設備與網絡子系統通信端口異常的判定，斷電保存變量的更新與存儲；運算模塊為列車網絡控制邏輯提供相關變量的加、減、乘、除、積分、微分等數值計算操作；控制模塊為列車網絡控制邏輯提供鎖存器、限值控制、比例積分控制、斜坡控制、選擇輸出等標準運算模塊；邏輯模塊為列車網絡控制邏輯提供相關變量的與、或、非、大小關系比較等邏輯運算操作；時間控制模塊通過提供定時器、延時輸出、時間脈沖發生器、時間轉換等實現對邏輯變量的時間控制需求；數據類型轉換模塊完成列車網絡控制邏輯中不同數據類型的變量的相互轉換和運算的功能。

3.2.3 VCU網絡控制邏輯設計

VCU網絡控制邏輯由VCU功能邏輯、車輛控制邏輯組成。VCU功能邏輯包含冗余功能邏輯、看門狗控制、指示燈控制、網關交互變量處理邏輯、IO變量處理邏輯、通信模式選擇、通信故障邏輯、線路故障檢測邏輯、VCU自診斷邏輯和線程周期檢測邏輯；車輛控制邏輯包含使能邏輯、高壓邏輯、牽引邏輯、輔助邏輯、制動邏輯、恒速邏輯、里程邏輯、充電機邏輯、安全環路邏輯、軸溫邏輯、整備邏輯、網絡邏輯、PIS邏輯、空調邏輯等。

3.2.4 程序部署

程序編譯輸出VCU程序和MAP文件，VCU程序組成由邏輯程序、MVB數據處理程序、WTB數據處理程序、以太網數據處理程序、IO數據處理程序、仿真服務程序、PTU服務程序、任務管理程序組成；MAP文件是變量文件，包含VCU網絡控制邏輯工程中的所有變量。

3.3 PTU功能設計

PTU軟件能夠在線分析列車實時狀態，可以根據車輛運行故障數據進行離線曲線分析、列表匯總、報表打印等功能，便于指導維護人員對車輛發生的故障進行維修。PTU軟件的主要結構分為：

(1) 客戶管理模塊。登錄的客戶分為管理者和用戶2種類型，這2種客戶對軟件的操作有不同的權限。管理者可以對軟件的所有功能進行操作，而一般用戶只能使用軟件的一般功能。

(2) 通信模塊。通過以太網接口與VCU設備通信，完成程序和配置文件上傳、邏輯變量實時監測/強制、故障數據的下載/解析等基本功能。

(3) 故障數據格式轉換模塊。該模塊把從車輛上導出的原始故障數據轉換成軟件能夠直接分析的數據格式，從車輛上導出的故障數據首先轉換成Access類型的數據庫文件，用戶可以直接通過軟件打開該數據庫文件進行分析。

(4) 故障數據的顯示分析模塊。該模塊把故障數據以圖形曲線或變量列表的形式顯示出來，并提供對故障信息的編輯功能。

(5) 數據報表打印及故障數據的導出模塊。該模塊把故障曲線及數據以報表的形式打印出來，并可以把故障數據導出到Excel表格中。

4 結束語

基于ControlBuild的車載控制單元相比于MVB通信模式、ETH通信模式具備大數據傳輸能力；VCU融合WTB通信模式，減少了車輛總線數據與列車總線數據之間的傳輸延時。基于ControlBuild的車載控制單元的設計實現了平臺化、接口標準化、模塊化開發，大幅提高了列車網絡控制系統的開發效率，具備較高的應用價值。目前基于ControlBuild的車載控制單元已經批量應用于標準動車組的列車網絡控制系統中，設備運行穩定可靠。