HXD3CA 型機(jī)車TCMS 系統(tǒng)地面試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建研究

孟子諍

（哈爾濱國(guó)鐵科技集團(tuán)股份有限公司，黑龍江哈爾濱 150028）

0.引言

HXD3 系列機(jī)車目前是我國(guó)普速鐵路運(yùn)輸?shù)淖钪匾能囆拖盗兄唬鋵倭宋覈?guó)17 個(gè)鐵路局，配屬3913 臺(tái)，占中國(guó)鐵路集團(tuán)公司總機(jī)車配屬的19.35%。

TCMS 系統(tǒng)提供人機(jī)交互界面接受操作指令，并將指令轉(zhuǎn)換并發(fā)送給機(jī)車的動(dòng)力、制動(dòng)、輔助等部件實(shí)現(xiàn)操作人員的指令意圖，并根據(jù)眾多傳感器及預(yù)設(shè)參數(shù)對(duì)操作的合理性、安全性進(jìn)行判斷，保護(hù)機(jī)車各設(shè)備的安全。目前軟硬件維護(hù)主要依賴大連東芝的維護(hù)人員，故障處理停留在簡(jiǎn)單的更換插件階段。機(jī)車運(yùn)用過(guò)程中出現(xiàn)的各類疑難故障幾乎都直接或間接地與TCMS 有關(guān)。因些，加深對(duì)TCMS 系統(tǒng)的研究，加強(qiáng)故障的判斷和處理能力就成了亟待解決的問(wèn)題。

通過(guò)構(gòu)建本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)如下：

（1）對(duì)TCMS 系統(tǒng)的工作原理、網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，各種數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)的輸入輸出情況有全面充分的了解。

（2）對(duì)有疑難故障板卡或整機(jī)，可在地面對(duì)故障條件進(jìn)行全面的再現(xiàn)，便于定位和處理。

（3）對(duì)機(jī)車的特性參數(shù)進(jìn)行研究。比如在車上無(wú)法測(cè)試的超高超低網(wǎng)壓，單個(gè)或多個(gè)輪對(duì)空轉(zhuǎn)等情況，可在試驗(yàn)臺(tái)上模擬給出了解TCMS 系統(tǒng)的軟硬件特性。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 TCMS 系統(tǒng)構(gòu)成

TCMS 系統(tǒng)由TCMS 機(jī)箱和兩臺(tái)顯示單元構(gòu)成。接收司控器（MC）、速度傳感器（TG）、司機(jī)操作器（CAB Equip）等設(shè)備的控制指令，使用MVB 總線控制牽引變流器（CI1-CI6）、輔助變流器（APU1APU2）、制動(dòng)單元（BRAKE）、充電機(jī)柜單元（PSU1PSU2）、列車供電單元（LG1LG2）、軸溫報(bào)警系統(tǒng)（ATM）等，使用數(shù)字信號(hào)與列車防護(hù)系統(tǒng)（ATP）、真空斷路器（VCB）、空調(diào)（AIR CON.）、受電弓（PANT.）、空氣壓縮機(jī)（COMP）、撒沙單元（SAND）、風(fēng)機(jī)（BLOWER）等設(shè)備聯(lián)動(dòng)[1]。

1.2 TCMS 機(jī)箱

TCMS 機(jī)箱分上下兩層，在內(nèi)部通過(guò)底板與線纜連接。下層為電子插件板，從中間往兩側(cè)分布，插有主、輔兩套相同板卡，構(gòu)成兩套獨(dú)立系統(tǒng)，具備雙機(jī)熱備功能。上層為矩形連接器構(gòu)成，與機(jī)車各控制部件相連。本試驗(yàn)平臺(tái)用于HXD3CA，分析HXD3CA 機(jī)車電路圖及TCMS 系統(tǒng)電路圖，整理對(duì)外接口情況如表1 所示。

表1 HXD3CA機(jī)車TCMS對(duì)外接口情況

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TCMS 試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在地面構(gòu)建TCMS 設(shè)備工作環(huán)境，確保TCMS 主機(jī)能夠正常工作，TCMS 顯示屏能夠顯示相關(guān)部件工作狀態(tài)，結(jié)合模擬軟件能夠控制相關(guān)部件。通過(guò)對(duì)外接口如表1 分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：

（1）搭建操作臺(tái)：用于模擬司機(jī)操作臺(tái)，安裝TCMS顯示屏、TCMS 主機(jī)箱、司控器、扳鍵開關(guān)等輸入輸出單元，用于安裝用戶電腦及控制板卡。

（2）模擬MVB 總線設(shè)備：開發(fā)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)HDLC 控制器，用于控制牽引變流器、輔助變流器、制動(dòng)單元、蓄電池充電器和機(jī)車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。

（3）模擬行車條件：開發(fā)速度傳感器模擬器，主變電流模擬器。為了模擬效果更加真實(shí)，開發(fā)網(wǎng)壓模擬器，用于網(wǎng)壓表指示。

（4）創(chuàng)造其他工作條件：其他系統(tǒng)均是通過(guò)數(shù)字信號(hào)與TCMS 接口，相對(duì)模擬平臺(tái)來(lái)說(shuō)就是數(shù)字量輸入輸出，因此采用總線式繼電器板來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸出，采用總線式數(shù)字量采集板來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入功能。

（5）編寫模擬軟件：模擬軟件主要用于實(shí)現(xiàn)牽引、制動(dòng)控制，各部件工作狀態(tài)控制，通信接口測(cè)試。

TCMS 試驗(yàn)平臺(tái)效果圖如圖1 所示，TCMS 試驗(yàn)平臺(tái)由操作臺(tái)通過(guò)連接線與TCMS 機(jī)箱連接。在操作臺(tái)上放置工控電腦①；TCMS 顯示屏②；狀態(tài)顯示模塊③；司控器④；扳件開關(guān)組⑤等部件。

圖1 TCMS試驗(yàn)平臺(tái)效果圖

2.部件開發(fā)

2.1 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)HDLC 控制器開發(fā)

2.1.1 HDLC 協(xié)議分析

由于牽引變流器、輔助變流器、制動(dòng)單元體積龐大，要正常工作還需要牽引電機(jī)、主變壓器等大型設(shè)備，因此不適合放置到實(shí)驗(yàn)環(huán)境使用。但共同點(diǎn)都是與TCMS 系統(tǒng)通過(guò)HDLC 總線通信，因此，在本系統(tǒng)中HDLC 控制器開發(fā)尤為重要，下面詳細(xì)介紹開發(fā)過(guò)程。

HXD3CA 型機(jī)車TCMS 與CI、APU 等設(shè)備通信，物理層采用RS485 接口，數(shù)據(jù)鏈路層采用HDLC 協(xié)議，是日本東芝公司借鑒歐洲IEC61375 標(biāo)準(zhǔn)研制的針對(duì)日本鐵路機(jī)車車輛內(nèi)部設(shè)備互聯(lián)協(xié)議，信號(hào)采用NRZI 不歸零制倒置編碼方式[2]。

HDLC 定義了3 種類型的站，分別是主站、從站和復(fù)合站。

主站發(fā)出的幀稱為命令幀，用于鏈路控制。其中TCMS主機(jī)為主站。

從站發(fā)出的幀叫響應(yīng)幀，用于執(zhí)行主站的命令。其中CI、APU、PSU、CMD 為被控設(shè)備。

復(fù)合站既有主站功能也有從站功能。

傳輸控制圖如圖3 所示。

圖2 TCMS試驗(yàn)平臺(tái)框圖

TCMS 試驗(yàn)平臺(tái)框圖如圖2 所示，以TCMS 主機(jī)箱為核心，自研網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)HDLC 控制器、速度傳感器模擬器、網(wǎng)壓模擬器、主變電流模擬器，集成開關(guān)量輸入輸出板，開發(fā)模擬軟件。

圖3 傳輸控制圖

T1:20ms(CI)或200ms(APUBCUPSU)或500ms(CMD)

T2:2ms(CI)或10ms(APUBCUPSU)或20ms(CMD)

當(dāng)TCMS 做為主設(shè)備向CI 等從設(shè)備發(fā)送命令幀（SDR）后，CI 等從設(shè)備等待T2 以上時(shí)間后向主設(shè)備發(fā)送響應(yīng)幀（SD）。

2.1.2 硬件設(shè)計(jì)

由于在本系統(tǒng)中需要同時(shí)對(duì)7 路HDLC 信號(hào)進(jìn)行編解碼處理，且對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，傳統(tǒng)單片機(jī)與ARM 的處理速度很難滿足要求，因此采用FPGA 作為主控芯片。

選用上海安路科技第三代EF3L40芯片，該芯片采用55nm低功耗工藝。在本控制器中直接采用ELF3L90CG400B_MINI_DEV 型核心板。

HDLC 物理層傳輸層為RS-485 信號(hào)，使用ADM2486隔離型半雙工RS-485 收發(fā)器。

控制器與電腦通過(guò)以太網(wǎng)通信，選用W5500 芯片，它是一款全硬件TCP/IP 嵌入式以太網(wǎng)控制器，內(nèi)部集成了TCP/IP 協(xié)議棧，10/100M 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）及物理層（PHY），與FPGA 通過(guò)高速SPI 接口連接。

下面以一路HDLC 為例，設(shè)計(jì)原理圖框圖如圖4 所示，其中J2、J3 為TYPE-C 接口，為控制器提供電源，同時(shí)作為核心板編程接口。U3 為RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口，內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)變壓器。U4 為以太網(wǎng)控制芯片。U5、U7 為隔離型DC/DC 模塊，為ADM2486 供電。

圖4 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)HDLC控制器原理框圖

2.2 速度傳感器模擬器

2.2.1 技術(shù)參數(shù)

HXD3CA 速度傳感器采用TQG15C 型DF16S4cnf 型光電式傳感器，查閱國(guó)標(biāo)TB/T 2760.1-2015[2]，光電式傳感器主要技術(shù)指標(biāo)如下：

電源電壓：DC15V±15%或DC24V±15%。

測(cè)速范圍：機(jī)車0r/min ～1500r/min，動(dòng)車0r/min ～3000r/min。

負(fù)載電阻：≥3kΩ。

性能要求：輸出方波，占空比為（50±10）%。上升沿、下降沿電壓變化率≥3.5V/us(阻性負(fù)載)。負(fù)載為3kΩ 時(shí)，輸出脈沖高電平≥0.8 倍電源電壓，低電平≤2V。

2.2.2 硬件設(shè)計(jì)

速度傳感器模擬器通常采用兩種方案實(shí)現(xiàn)：一是實(shí)物傳感器與電機(jī)結(jié)合產(chǎn)生脈沖信號(hào)；二是通過(guò)電子元件模擬輸出脈沖信號(hào)。在本系統(tǒng)中采用第二種方案。

由于MCU 的PWM 受限于定時(shí)器精度，輸出脈沖的準(zhǔn)確度通常不高，因此采用DDS 芯片來(lái)產(chǎn)生高精度脈沖信號(hào)。

DDS 芯片選用AD9833 芯片，該芯片是亞德諾半導(dǎo)體有限公司（Analog Devices）推出的低功耗、可編程波形發(fā)生器。無(wú)外元件，編程簡(jiǎn)單，波形精度高，當(dāng)時(shí)鐘速率為25MHz 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)0.1Hz 的分辨率，時(shí)鐘速率為1MHz時(shí)，可實(shí)現(xiàn)為0.004Hz 的分辨率。

AD9833 芯片由MCU 控制產(chǎn)生精準(zhǔn)速度脈沖信號(hào)，其幅值較低，無(wú)法滿足輸出通道的技術(shù)指標(biāo)，因此后級(jí)采用集成運(yùn)放LMV321 構(gòu)成同相比例運(yùn)放將其信號(hào)放大，計(jì)算公式為：。再通過(guò)光藕將每路信號(hào)隔離輸出，最后經(jīng)集成運(yùn)放MC34072 構(gòu)成比較器電路整形輸出。

MC34072 芯片為單運(yùn)放，選用中國(guó)臺(tái)灣友順科技股份有限公司（UTC）產(chǎn)品，其特點(diǎn)為高電壓變化率（13V/us）、寬通頻帶（4.5MHz）、寬電壓輸入范圍（2.0V ～44V）。

最終設(shè)計(jì)電路框圖如圖5 所示。

圖5 速度傳感器模擬器電路框圖

2.3 主變電流模擬器

2.3.1 技術(shù)參數(shù)

圖6 為HXD3CA 高壓網(wǎng)側(cè)電路，主變電流模擬器主要用于模擬TA2 電流互感器，TA2 額定頻率為50Hz，一次額定電流為400A，二次額定電流為5A，變比為400/5。

圖6 HXD3CA高壓網(wǎng)側(cè)電路圖

2.3.2 硬件開發(fā)

電流互感器原理相當(dāng)于變壓器，分一次繞組與二次繞組，一次繞組匝數(shù)（N1）較少，二次繞組匝數(shù)（N2）較多，將大電流（I1）轉(zhuǎn)換為小電流（I2），計(jì)算公式為:I2=(N1/N2)I1。TCMS 采集TA2 輸出電流即可計(jì)算出主變壓器電流值，模擬器輸出電流范圍為0A ～5A。

在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一程控交流恒流源模擬電流互感器。信號(hào)源產(chǎn)生是通過(guò)MCU PWM+DAC 功能實(shí)現(xiàn)50Hz 正弦波輸出，通過(guò)電容去掉直流分量，再經(jīng)反相比例運(yùn)放做前置放大，最后送給由功率運(yùn)放構(gòu)成的恒流源電路輸出。MCU 接收模擬軟件的控制指令，調(diào)節(jié)輸出正弦波的幅度，經(jīng)恒流源電路后，最終調(diào)節(jié)電流輸出。

功率運(yùn)放采用Burr-Brown 公司生產(chǎn)的OPA549T，其特點(diǎn)是大電流（連續(xù)電流可達(dá)8A）、高電壓（雙電源可達(dá)±30V），且外圍電路簡(jiǎn)單。

模擬部分電路設(shè)計(jì)圖如圖7 所示。

圖7 恒流源電路圖

其中正弦波信息由MCU 產(chǎn)生信號(hào)源，輸入到C2，運(yùn)放U2 與外圍電阻構(gòu)成反相比例運(yùn)放，放大后的信號(hào)輸入給U1 實(shí)現(xiàn)功率放大，最終通過(guò)1、2 腳輸出模擬信號(hào)。

2.4 網(wǎng)壓模擬器

2.4.1 技術(shù)參數(shù)

如圖6 所示，網(wǎng)壓模擬器用于模擬高壓電壓互感器TV1，主要用于給操作臺(tái)上狀態(tài)顯示模塊PV1 提供電源。

電壓互感器原理是變壓器，特點(diǎn)是一次繞組匝數(shù)多（N1），二次繞組匝數(shù)少（N2），一次繞組額定輸入為25000V，TV1 變壓比為25000V/100V，額定頻率為50Hz，額定功率30V·A。網(wǎng)壓范圍取值19000V～29000V，因此，對(duì)應(yīng)輸出電壓為76V～116V。

2.4.2 硬件開發(fā)

參考TV1 的技術(shù)參數(shù)，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一程控寬輸出范圍AC/AC 逆變電源用于網(wǎng)壓模擬，輸入AC220V，輸出70V～120V，使用用戶電腦模擬軟件可靈活設(shè)置輸出電壓。

核心芯片采用屹晶微電子公司的EG8010 SPWM 單相純正弦波逆變器專用芯片。使用AC-DC-AC 架構(gòu)，先將AC220V 整流濾波轉(zhuǎn)換為直流電，再使用EG8010 芯片逆變?yōu)楣ゎl交流電，最后接入工頻變壓器隔離輸出。

網(wǎng)壓模擬器的核心在于輸出電壓調(diào)節(jié)， 設(shè)計(jì)原理圖如圖8 所示。

圖8 網(wǎng)壓模擬器驅(qū)動(dòng)部分電路圖

其中第13、14、15、16 腳為反饋信號(hào)輸入，其中13腳VFB 為電壓反饋，逆變電源需要有穩(wěn)定的電壓輸出，因此，該引腳用于采集輸出電壓。如果外部電壓升高，正常對(duì)應(yīng)輸出也升高，則VFB 電壓升高，芯片收到信號(hào)后將SPWM 發(fā)生器占空比變窄，從而降低輸出，反之亦然。最終達(dá)到負(fù)反饋?zhàn)饔脕?lái)穩(wěn)定輸出電壓。

輸出電壓經(jīng)D3 整流，電容C15 濾波后輸出一低壓直流電壓，輸出到MCU、ADC 引腳。MCU 采集到的電壓值經(jīng)算法換算后通過(guò)DAC 引腳輸出反饋電壓至VFB，以此控制AC 輸出電壓。考慮到安全因素，使用工頻變壓器T1 隔離輸出。

2.5 開關(guān)量輸入

根據(jù)表1 對(duì)外接口情況，HXD3CA 有32+29 路110V數(shù)字量輸出，用戶電腦模擬軟件需要采集所有的信號(hào)。本系統(tǒng)購(gòu)買了2 套32 路數(shù)字量采集板，用485 采集輸入信號(hào)。

2.6 開關(guān)量輸出

根據(jù)表1 對(duì)外接口情況，HXD3CA 有152 路110V 數(shù)字量輸入，TCMS 主機(jī)需要采集所有的信號(hào)。本系統(tǒng)購(gòu)買了5 套32 路繼電器板，用于485 總線控制110V 輸出給TCMS主機(jī)。

2.7 軟件開發(fā)

2.7.1 通信協(xié)議破解

TCMS 系統(tǒng)主機(jī)通過(guò)HDLC 總線與CI、APU、BCU等設(shè)備通信，由于東芝公司保密的原因，需要對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行破解。具體方式是使用邏輯分析儀到機(jī)車上采集通信數(shù)據(jù)包，編寫分析軟件輔助分析，通過(guò)長(zhǎng)期的跟車工作，最終破解了所有的通信協(xié)議。

2.7.2 編寫模擬軟件

TCMS 地面試驗(yàn)平臺(tái)模擬軟件采用C#編程語(yǔ)言編寫。功能圖如圖9 所示。

圖9 模擬軟件功能圖

模擬軟件主要由兩大功能模塊：（1）軟件設(shè)置，用于設(shè)置參數(shù)；（2）功能測(cè)試，用于模擬TCMS 控制、切換控制及監(jiān)控和記錄等功能。

3.結(jié)論

在本文中詳細(xì)介紹了TCMS 地面試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模擬器硬件開發(fā)過(guò)程，系統(tǒng)與各部件均已做成實(shí)物并通過(guò)驗(yàn)證。

在硬件開發(fā)過(guò)程中走了不少?gòu)澛罚热缯f(shuō)速度傳感器模擬器第一套方案是采用MCU 發(fā)出PWM 波來(lái)產(chǎn)生速度脈沖，需要改變機(jī)車速度時(shí)就通過(guò)模擬軟件更改脈沖的輸出頻率，但實(shí)際應(yīng)用中由于頻率變化不連貫造成系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，一直無(wú)法正常使用，最終換成DDS 芯片方案才解決問(wèn)題。

由于TCMS 系統(tǒng)幾乎關(guān)系到機(jī)車的所有關(guān)鍵部件控制，系統(tǒng)龐大，連線復(fù)雜，漏布、錯(cuò)布均會(huì)造成測(cè)試不完整，所以在系統(tǒng)布線上花費(fèi)了相當(dāng)大的精力。

協(xié)議破解與軟件開發(fā)過(guò)程也相當(dāng)不易，但不是本文討論的重點(diǎn)，所以就簡(jiǎn)單介紹。

TCMS 地面試驗(yàn)平臺(tái)軟、硬件可擴(kuò)展性較強(qiáng)，在各型和諧機(jī)車上東芝的TCMS 系統(tǒng)大同小異，因此只需要做微小改動(dòng)，就可以測(cè)試各型和諧機(jī)車的TCMS 系統(tǒng)。