基于MVB 總線的機車智能化調試平臺的設計

張浩ZHANG Hao；方陽陽FANG Yang-yang

（國能鐵路裝備有限責任公司，滄州 061113）

0 引言

隨著電力機車向大功率重載、高速方向發展，國內外軌道交通行業對機車的安全系數要求越來越高。機車調試作為機車生產制造過程中的重要環節，調試質量高低直接關系到機車的運行安全性，因此該工序受到人們極大的關注。目前國內機車的出廠檢查與調試工作普遍采用傳統的人工檢查方式，調試工序質量主要受操作員工的技術經驗、技能水平等人為因素影響，致使調試工作檢查效率低、故障數據收集少、安全檢查可靠性低等不良情況時有發生。隨著新世紀中國制造不斷創新與發展，制造業的轉型發展迫在眉睫，機車調試的智能檢測系統是提高調試工作效率、檢測質量水平和產品質量的必然選擇。

本文提出一種基于MVB 總線的機車智能調試系統，通過研制自動化調試與機車綜合診斷子系統，提高調試數字化率以及自動化率，提高檢測結果的準確性，有效改善機車調試工序的效率與調試信息化水平。

1 現有機車調試平臺現狀

機車調試工藝作為機車出廠前的最后一道檢查，在機車設計制造的整個環節起著關鍵作用。機車在交付前需要實施各系統間的調整和驗證，確保各系統之間可以暢通無阻地進行銜接與通訊。由于電力機車的輔助、網絡、牽引等系統的技術含量很高，機車的調試工作一直具有很高的難度。據調查，目前國內機車調試領域使用的調試設備往往兼容性較差、工序繁瑣、自動化程度低、人為因素影響較大，且無法自動提取關鍵測試數據[1]。因此我們需要更加智能、更加全面的機車調試系統。

2 MVB 總線特點

MVB 總線技術首先在瑞士Lok460 列車上進行了應用，是具備冗余線路傳輸并且使用曼徹斯特編碼校驗的通信總線技術，符合IEC870-5FT2 級標準要求[2]。MVB 體系結構如表1 所示[3]。

表1 MVB 體系結構

綜合調試系統的核心技術是數據的采集技術與調試自動化執行技術，它是基于MVB 數據車上狀態在調試流程自動執行與結果解析的方法，突破現有人工調試的效率低的現狀，并能夠提供調試流程的自動化執行所需要的數據基礎，完成按照調試工藝流程的自動化執行[4]。基于MVB 總線技術的調試流程如圖1 所示。

圖1 調試流程圖

3 調試平臺方案設計

交流機車網絡采用MVB 總線進行通信，總線數據采集及分析通過MVB 網絡數據實時診斷儀完成。設備通過下位機采集MVB 總線中的報文和物理波形，并且在上位機進行統計分析，來獲取總線和各端口的負載、誤碼率和波形參數等診斷信息，同時可按照客戶提供的機車拓撲圖逐個檢索設備和端口，定位故障點位置。設備同時具備無線上傳的功能，在無線數據采集工作模式下采集MVB 數據，并通過WIFI 或5G 等無線網絡發送到服務器，地面服務器接收到數據以后可按照解析格式對數據進行處理。設備連接方式和通信方式如圖2 和圖3 所示。

圖2 設備連接拓撲圖

圖3 設備通信鏈路圖

4 硬件設計

4.1 硬件電路設計

MVB 網絡數據實時診斷儀硬件組成主要可分為電源模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、顯示模塊、以太網交換模塊、機箱及外部接口模塊等六部分。圖4 是該設備硬件的框圖。

圖4 設備硬件原理框圖

4.2 功能模塊設計

4.2.1電源模塊

電源模塊保障設備內部供電和外部供電，當無外部供電時，電源模塊的電池需保證設備能正常采集MVB 數據和發送。電源模塊需支持DC110V（DC20V～DC154V 寬范圍）機車蓄電池電源供電、DC12V 適配器供電、內置鋰電池供電3 種供電模式，3 種供電模式可根據優先級自動進行切換，供電優先級為：DC110V＞DC12V＞鋰電池。

4.2.2數據采集模塊

數據采集模塊為核心部分，包含載板和核心板。主要功能是MVB 數據采集。數據采集模塊支持EMD、ESD 和ESD+三種網絡介質的MVB 數據采集，支持中間節點設備連接；具有高阻輸入特性，輸入阻抗高達2.2MΩ。

采集硬件使用ADC 進行數據采集，支持60MSps 數據采樣速率，通過FPGA 實時解碼并保存或上傳MVB 總線上雙通道數據。

4.2.3數據處理模塊

數據處理模塊主要功能是控制指令的接收和發送、MVB 數據轉發、數據存儲、管理設備狀態等。該模塊可實時判斷總線誤碼率和負載率，并通過觸發的方式抓取錯誤報文。數據存儲的存儲器為容量256GB（容量可選配）NVMe M.2 接口工業級固態硬盤，可將采集到的波形和報文數據保存在存儲模塊中，保證數據的安全性和穩定性。

4.2.4顯示模塊

顯示模塊可通過LCD 觸摸屏顯示設備時間、電池電量、介質模式、網段、設備工作模式、存儲容量及存儲模式、處理器內核溫度、電池電芯溫度、版本號等信息，并可定制開發觸控功能，對設備進行配置。

4.2.5網絡交換機模塊

交換模塊的交換機連接核心板網口，實現MVB 總線數據通過無線模塊發送至服務器。此外，對外提供一個RJ45 以太網接口做備用，通信速率10/100Mbps；無線采用具有成熟解決方案的設備，提供WIFI 和5G 無線傳輸模塊，該模塊滿足IEEE 802.11a/b/g/n 標準的要求，且SSID自主開閉，64 位和128 位WEP 加密，符合WPA/WPA2數據安全標準。支持移動、聯通、電信的5G 數據傳輸。

4.2.6外箱及外部接口模塊

機箱面板有電源開關、交流電源接口、直流電源接口、MVB 數據接口、RJ45 以太網接口、指示燈和WIFI 以及5G天線，抽屜式SIM 卡座。

5 軟件設計

MVB 實時數據診斷儀的軟件分為上位機軟件和下位機軟件，下位機軟件主要負責MVB 總線中波形和報文的采集，并通過WIFI/5G 或以太網將采集到的MVB 數據進行上傳。上位機軟件主要負責對設備采集到的波形和報文進行統計、分析和診斷，以此獲取MVB 總線和各端口的負載、誤碼率和波形參數等診斷信息，同時也具備MVB 總線主發送功能，按照客戶提供的設備列表逐個檢索設備和端口，定位故障點位置。設備同時具備在無線數據采集工作模式下采集MVB 數據，并通過無線網絡發送到服務器的功能。

5.1 下位機軟件設計

5.1.1系統架構

設備有兩種工作模式下位機采用ZYNQ 芯片，操作系統采用petalinux 系統。下位機軟件完成的功能主要有報文采集、表達式解析、波形采集觸發、上下位機數據通信、波形和報文數據處理、顯示屏控制等功能，圖5 為設備的嵌入式整體系統架構。

圖5 嵌入式軟件結構

下位機應用程序從結構上可分為三個層次，從上到下依次為應用層、功能層、驅動層，應用層實現各個功能模塊的總體調度，驅動層為對硬件外設操作的封裝。

5.1.2采集內容

網絡數據實時診斷儀可以通過MVB 網絡獲取本單元及本機車的網絡系統狀態數據、故障數據，包括但不限于：

①制動及供風系統（制動控制、制動系統監視、防滑保護、壓縮機監視，空氣壓力監視等）；

②牽引（牽引控制，牽引系統監視等）；

③空調（HVAC 控制，采暖、通風和制冷設備的監視等）；

④機車運行控制系統；

⑤輔助變流單元；

⑥充電機；

⑦中央控制單元；

⑧高壓系統（受電弓、主斷路器等）；

⑨中、低壓設備（斷路器的監視，車載電氣系統管理）；

⑩火警系統；

?給水衛生系統；

?安全環路（緊急制動環等）；

?轉向架；

?內外照明。

5.1.3無線數據采集模式

無線數據采集模式，自動采集MVB 報文數據，然后通過無線的方式發送，下文簡稱無線模式。在無線模式下，系統可自動采集MVB 報文數據，然后通過WIFI 和5G 發送到地面服務器中。

5.1.4自動化分析數據采集模式

在自動化分析數據采集模式下，通過接收上位機指令來進行網絡質量分析和偶發故障分析，上位機并將分析結果以報告的型式展示出來，下文簡稱分析模式。在分析模式下進行MVB 報文和波形采集和分析，然后通過有線網絡發送到上位機。

5.1.5設備工作模式切換

設備啟動后默認為無線模式。兩種工作模式不會直接進行相互切換，會有一個中間等待狀態，即設備切換到分析模式時，需要先停止無線模式的功能，進入等待狀態，再啟動自動化分析功能，進入分析模式。由分析模式切換到無線模式時也同樣需要經過等待狀態。

設備的工作模式切換由上位機通過udp 報文控制，如圖6 所示。

圖6 工作模式切換圖

設備啟動后處于無線模式，上位機連接設備后，發送激活指令，進入等待狀態；此時上位機再發送啟動分析指令，設備進入分析模式；分析完成后，上位機發送結束分析指令，進入等待狀態；再發送取消激活指令，回到無線模式。當設備處于激活狀態時（分析模式和等待狀態），若心跳線程接收超時，則會直接回到無線模式。

5.2 上位機軟件設計

MVB 網絡數據實時診斷儀上位機軟件主要用于查看MVB 通信質量，展示總線中的報文和波形信息，分析總線負載率、誤碼率信息，分析總線各端口、設備對應誤碼及波形特征信息，最終生成網絡通信質量報告，協助工程師和檢修人員全面了解機車總線狀態。當MVB 網絡存在通信故障時，也可初步定位故障可能位置信息。MVB 網絡數據實時診斷儀包含三個應用功能模塊：①網絡質量分析模塊；②偶發故障分析模塊；③分記錄查看。

6 結語

本文通過對目前我國現有電力機車調試工序分析，針對其操作繁瑣、且調試設備兼容性較差、工序繁瑣、自動化程度低、人為因素影響較大等問題，提出了基于MVB 總線技術的智能化調試系統平臺，通過研制自動化調試與機車綜合診斷子系統，提高調試數字化率以及自動化率，提高檢測結果的準確性，有效改善機車調試工序的效率與調試信息化水平，實現便捷化功能。