标准的机车控制.pdf

1、 1 基于 TCN 标准的机车控制 和通信系统技术方案 基于 TCN 标准的机车控制和通信系统开发目标是开发符合IEC61375-1 标准的车载分布式机车微机控制和通信系统。该系统包括符合 MVB 总线标准的车辆控制单元（ VCU）、数字输入 /输出模块（ DX） 、 数字输入模块（ DI） 、 模拟输入 /输出模块（ AX） 、 模拟输入模块（ AI） 、 星形耦合器（ SC）、总线耦合器（ BC）、模拟 NTC 输入模块（ AIN），并利用这些部件组成机车控制系统，该控制系统和部件可以达到国外同类产品技术水平并可实现与国外产品互换。 1 用途及使用条件 1.1 用途 用 于有通讯要求的机车

2、及电动车组的车载微机控制系统。 1.2 使用条件 海拔高度：不超过 1500 米 周围空气温度： -40 +85 湿度 : 相对湿度 75%, (30 天 /每年 , 相对湿度 95%) 振动：垂直（半波） 50m/s,并满足机车的振动要求 耐压：对地一分钟 AC 50/60Hz 1000V 或 DC1414V 不同电路之间 一分钟 AC 50/60Hz 1500V 或 DC2121V 其他指标满足 TB/T3021-2001铁路机车车辆电子装置相关要求。 2 系统结构 系统的三层体系功能布局： 附件 : 2 列车总线（ WTB） 对于 TCN 系统而言， WTB 总线通过网关连接 MVB 总

3、线。 车辆总线（ MVB） 车辆控制单元完成车辆的通讯和车辆的控制功能，如果作为网关使用，车辆控制单元属于 5 类设备，不作为网关使用属于 4 类设备。 传感器总线 用于列车设备与远程输入输出单元的接口，这一部分的规范根据列车上的实际情况进行设计。 3 产品规格形式 国际上的相关公司对于 TCN 系统技术和产品提供的形式各不相同，有的提供模块式，有的提供整体式方案。 根据调研，拟采取下面的方案： （ 1）模块式方案 每个远程输入输出单元由两部分组成，一部分是通信卡 ，完成MVB 总线协议功能，另一部分提供与车辆设备的接口，接口拟采用输入输出端口方式，模块提供模拟量输入输出，数字量输入输出，或者

4、单输入、单输出方式，这样的设备可以与目前的车辆设备直接相连，平稳升级。 （ 2）符合 MVB 标准的车辆控制设备 随着技术的发展和 IEC61375 标准被各国所采用，未来的列车设备将可能普遍采用 TCN 标准，为了适应这种情况，未来的开发是把MVB 总线接口直接嵌入车辆设备，两者不再分割，而成为一个整体。 上述两种方案本质是一样的，只是在现场应用时系统集成的方式有所区别，目前先开发第一种形式 。 3 4 系统部件 4.1 概述 系统每一个部件是一个独立的带有与 MVB 接口的单元。其模块间的通信是基于 IEC 推荐的 TCN 标准。模块可自带供电装置，也可提供外接供电接口电路。 MVB 的数

5、据传输可选择电气中距离介质（ EMD）及光纤介质（ OGF）。系统结构支持冗余配置。 4.2 VCU（车辆控制单元） 1功能 车辆控制单元提供系统的中央处理功能。该单元包括处理器，供电部分，电池和外围电路接口、网络接口（包括 MVB 总线接口和WTB 总线接口），网络接口可以通过插卡的形式提供。此外还有扩展板插槽。车辆控制单元支持 MVB 的冗余或非冗余连 接。 MVB 设备的地址是通过模块处理接口从外部设定。 机车设置三个 VCU 单元， VCU1 为主控计算机，负责机车的特性控制、逻辑控制、定速控制等； VCU2 为诊断计算机，负责 MVB总线管理、故障诊断等； VCU3 为冗余计算机，负

6、责 VCU1 和 VCU2的冗余。 车辆控制单元实现如下功能： 通过应用软件实现车辆控制（包括牵引、制动、定速控制、机车逻辑控制环节等一系列控制功能） 监控 通过 MVB 与其它控制和通信模块通信，包括数据交换控制，传输和接收过程变量，使用便携式 PC 通过 MVB 总线服务端口访问系统，从而可进行下载软件，监 控设备和调试等操作 4 4 个通讯接口（ RS-422, RS-485, RS-232, 服务接口） 诊断，包括获得状态和错误数据，通过 MVB 传输诊断数据，给被记录事件加日期和时间标签，在监视屏幕上显示诊断数据（在相关设备安装的前提下） 实时多任务操作系统 复位和异常中断功能 2主

7、要规范和接口描述 32 位处理器（拟采用 CPU 见 5.1） 外形尺寸： 308 263+12 117mm 内存（包括 Flash EPROM, Dynamic RAM, Static RAM, Serial EEPROM） 冗余 MVB 接口 4 个 串行 EIA 接口（ RS-232, RS-422） 用于电路板扩展的外围电路板接口（ PBI）， PBI 为以太网连接作准备 提供与人机接口（ MMI）的连接 电池支持的实时时钟和日历 支持冗余供电 状态和失败显示 内部温度、供电和电池状态的监控 终止报警信号继电器（ Stall Alarm Relay） 4.3 DX（数字量输入输出模块）

8、 1功能 数字量输入 /输出模块属于 1 类设备。上电以后，该单元将进行一个自检测试程序，并致使数字输出和终止报警信号继电器失效。在5 完成自检测试后，该模块进入正常操作模式并使指明地址的输入 /输出 模块进行数据读写。当出现掉电和通讯出错时，使数字输出失效，并将报警信号继电器复位。当供电恢复或通讯出错清除后，该模块又回到正常操作模式。 数字输入 数字输出 终止报警信号继电器（ Stall Alarm Relay） 终止报警信号继电器是一种简单的把出现问题的数字量输入/输出单元与其它控制通讯系统进行隔离的方法。如果不需要此功能的时候，它也可作为第七路数字输出。 2主要规范和接口描述 输入电流：

9、 20 mA I 30mA 外形尺寸： 125 65 200mm 10 路数字输入 6 路具有短路保护 MOSFET 输出 ，持续输出电流 0.4A 输出为标准的线或应用 提供并行输出以提高输出功率 标准输出或冗余输出状态 MVB 电气中距离（ EMD）连接 1 类设备 支持冗余供电 终止报警信号继电器（也可被用为附加输出） 4.4 DI（数字量输入模块） 1功能 数字量输入单元是 1 类设备。上电以后，该单元通过一个自测过6 程。完成自检测试程序同时使终止报警信号继电器输出失效，模块进入正常操作模式并且接收地址为输入模块的数据。当设备处于正常操作模式时，不干扰其正常功能的循环测试也被进行。

10、2主要规范和接口描述 16 路数字输入 输入电流 20 mA I 30mA/每通道 外形尺寸： 125 65 200mm 集成自检测的输入 MVB 电气中距离（ EMD）连接 1 类设备 4.5 AX（模拟量输入 /输出模块） 1功能 模拟量输入 /输出单元属于 1 类设备。模拟量输入 /输出单元是车辆控制与通信系统的组成部分。上电以后，该单元通过一个自测过程并在此期间模拟输出被设为 0V/0mA，同时终止报警信号继电器（ Stall Alarm Relay）被终止。完成自测过程以后，模块进入正常操作模式。当设备处于正常操作模式时，不干扰其正常功能的循环测试也被进行。 模拟输入 模拟输出 终

11、止报警信号继电器（ Stall Alarm Relay） 终止报警信号继电器与外部断路器相连接，是一种简单的把出现问题的模拟量输入 /输出单元与其它控制通讯系统进行隔离的方法。如果不需要此功能的时候，它也可作为数字输出。 7 2主要规范和接口描述 4 路模拟差分输入 电压测量范围： 10V 电流测量范围： 20 mA，输入电阻 500 PT100 测量：电路是两线和四线 标准正确模式 -40 +100在 3 高 正确模式 +50 +100在 1 分离的电池电压测量通道（也可作为附加输入） 外形尺寸： 125 65 200mm 2 路模拟输出 每一路输入模式可选 12-Bit 分辨率 MVB 电

12、气中距离（ EMD）连接 MVB 光纤连接 1 类设备 终止报警信号继电器 4.6 AI（模拟 NTC 输入模块） 1功能 模拟量输入单元属于一类设备。模拟 NTC 输入单元是车辆控制与通信系统的组成部分。 15 个 NTC 电阻器能被连接到模块上并可进行相应的供电。 上电以后，该单元通过一个自测过程。完成自测过程以后，模块进入正常操作模式。当设备处于正常操作模式时，不干扰其正常功能的循环测试也被进行。 2主要规范和接口描述 8 15 路模拟 NTC 输入通 道 外形尺寸： 125 65 200mm 输入方式： 10V， 20mA MVB 电气中距离（ EMD）连接 1 类设备 通信和供电监控

13、 4.7 SC（星形耦合器） 1功能 星型耦合器是车辆控制与通信系统的组成部分，其作为各段EMD 总线间的接口。在中继过程中其可进行信号的再生。 SC 功能如下： 星型耦合 总线耦合 总线中继 2主要规范和接口描述 EMD1 冗余 MVB 通道 外形尺寸： 125 65 200mm EMD2 非冗余 MVB 通道 5 个可选择 MVB 通道， OGF4 和 OGF5 能被共同作为一个可选通道 MVB EMD 通道电 气隔离 各总线段之间信号再生 对冗余 MVB 通道监控 异常 MVB 通道断开 支持冗余供电 9 4.8 BC（总线耦合器） 1功能 总线耦合器是车辆控制与通信系统的组成部分，其作

14、为 OGF 和EMD 各段总线间或者各段 EMD 总线间的接口。在中继过程中其可进行信号的再生。 BC 功能如下： 总线耦合 总线中继 2主要规范和接口描述 EMD1 冗余 MVB 通道 外形尺寸： 125 65 200mm EMD2 非冗余 MVB 通道 1 个可选择 MVB 通道 MVB EMD 通道电气隔离 各总线段之间信号再生 对冗余 MVB 通道监控 异常 MVB 通道断开 支持冗余供电 5 硬件系统设计 5.1 关于 CPU 的选型（初步） VCU 选用 MC68EN360 远程模块选用 MC68HC12 5.2 关于 MVBC 的设计方案 在暂时没有买到专用的 MVBC 的情况下

15、，基于 XILINX 的 FPGA10 CPLD，开发通信控制器， MVB 通信控制器完成下面的功能： 发送、接收功能 并串转换（发送时）、串并转换（接收时）功能 装帧解帧功能 CRC 校验码的计算和生成 帧结构的识别 碰撞检测功能，并向上层指示碰撞情况 禁止唠叨功能 曼切斯特编码解码功能 更加复杂的功能，完成对主站的自动响应 其它的控制功能 MVBC 设计的功能复杂度与协议软件相关，如果 MVBC 设计的功能比较完善，软件的功能适当可简单，也可以提高系统的响应速度。具体功能定位在设计时考虑。 6 软件系统 6.1 操作系统 支持实时协议栈研发可选的嵌入式实时操作系统种类比较多。具体选型时我们

16、一方面要根据硬件系统中 CPU 的选择来考虑（应支持32 位处理器的操作系统），另一方面要对操作系统的集成开发环境的优劣、系统的可扩展性和产品的成本进行综合考虑，选择最适合的嵌入式实时操作系统。 现将拟选择的 RTOS 进行如下说明： Tornado/Vxworks (Wind River Systems Inc),十分流行的嵌入式实时操作系统，美国市场第一名。 Tornado 代表嵌入实时11 应用中最新一代的开发和执行环境。 Tornado 包含三个完整的部分： Tornado 系列工具 , 一套位于主机或目标机上强大的交互式开发工具和使用程序； VxWorks 系统 , 目标板上高性能可

17、扩展的实时操作系统；可选用的连接主机和目标机的通讯软件包，如以太网、串行线、在线仿真器或 ROM 仿真器。其缺点是价格高，且需要版税。 Nucleus PLUS (Accelerated Technology Inc)，是提供源代码的实时操作系统。 Nucleus PLUS 是为实时嵌入系统设计的可扩展的多任务，约 95%的 Nucleus PLUS 代码用 C 语言编写 , 因此它能很方便移植。同时可提供 Web 支持，网络，图形包，文件系统等模块。 Nucleus 最大的特点是全部提供源代码，免去用户购买 license 和付 Royalties。用户只需通过 DLL 动态连接库便可进行任

18、务级调试，无需编写 BSP。 6.2 协议栈软件 协议栈软件是严格按照实时协议（ RTP）编写的，其在嵌入式实时操作系统的支持在运行于嵌入式板卡的处理器上，完成 TCN 协 议要求的通信功能。 OSI 参考模型中，将通信分为七层，由底向上分别为物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层及应用层。而在 TCN数据通信中，实时协议跨越应用层（表示层省略）、会话层、传送层和网络层。而总线规范包括数据链路层和物理层。 1接口 链路层接口：定义了期望来自总线的服务。 应用层接口：定义了提供给应用的变量和消息服务。 12 2进程数据协议 流量控制 差错恢复 刷新管理 同步 总线差异 3 MVB 传

19、送数据类型 进程数据 消息数据 监视数据 4协议栈软件模块划分 数据链路层软件 会话层软件 系统管理软件 网络管理软件 6.3 应用软件与 API 系统中应用软件完成列车的控制和监控，不作为 MVB 总线协议栈的一部分，应作为一个灵活可加载的部分单独实现，便于维护和二次开发，因此 MVB 协议栈软件提供 API（应用编程接口），提供列车控制系统软件的开发，接口的形式再确定。 7 关键技术及要求 7.1 用于 MVB 总线的嵌入式 CPU 板硬件系统 MVB 总线的核心部分是一个满足功能需求的嵌入式 CPU 板，包括两大类：用于 VCU 的复杂控制功能的主控板和远程 IO 单元。 13 IO 端

20、口接口板：完成与列车设备的连接，包括模拟量输入输出板、数字量输 入输出板等。 其它硬件设备：包括总线上的附属设备、如电源、星形耦合器等。 7.2 MVB 总线的协议栈软件 协议栈软件的核心部分包括两大部分：（ 1） MVB 总线的协议栈整体软件；（ 2） MVBC 通信控制器的设计。 目前国际上通信控制器的设计有两种方案，一种是采用专用集成电路技术，设计专用功能的 MVB 总线通信控制器；另一种是利用通用可编程器件自主开发，如 FPGA、 CPLD 等。根据调研的结果，目前 ADTRANZ 公司以前采用专用的通信控制器，后来采用 FPGA 进行设计。根据这一情况，可以考虑先调研采购专用集成电路

21、通信控制器，同时 利用 FPGA/CPLD 自主开发。 MVB 总线的协议栈软件包括数据链路层协议和实时协议，该协议是 MVB 技术的核心，完成设备的通信功能。 8 通信系统的测试与研发成果的产品化 8.1 一致性测试要点 一致性测试有两个阶段，静态测试和动态测试组成： 静态测试分析设备的静态特性，它采取包含所有可能的选择项、变量的提问方式，并把它们翻译成标准的特定的实现规格。 动态测试用于在被控制的环境下观察设备的行为及其实时响应与协议的一致性。 14 8.2 测试类型 ISO 定义了 4 种测试类型： 基本互联测试 能力测试 行为测试 一致性分辩测试 在一致 性测试之后，可进行其它测试，如

22、互操作测试、性能测试、应力测试和质量测试。 8.3 测试评价 一致性测试结束时，结果显示在两个主要文件中： 协议一致性测试报告（ PCTR）：详细描述每个被测试协议结果。 系统一致性测试报告（ SCTR）：一个简短的摘要。 测试结果可能是：通过、失败、不确定。 要获得成功的结果，可能需要多次重复的实验。 8.4 TCN 一致性测试 测试器包括如下类型： 与 MVB 相连接的测试器 与 WTB 相连接的测试器 WTB 与 MVB 间网关设备连接的测试器 8.5 一致性测试等级 一致性等级 1：物理一致性 一致性等级 2：链路层 一致性 一致性等级 3： RTP 一致性 15 一致性等级 4：应用

23、接口一致性 一致性等级 5：网络管理一致性 一致性等级 6：功能概要一致性 这些等级被定义为分层结构，要确保互操作，必须达到 6 级一致性。 8.6 系统测试 MVB 通讯功能测试 机车控制功能测试 机车故障诊断功能测试 如图 1 所示机车控制系统框图，在实际测试要根据机车控制的具体要求组成最小测试系统，以检验设计的正确性。 如图 2、图 3、图 4 所示最小试验图。进行系统 MVB 试验时，需要有 PTS 辅助工具，它将作为一个节点插入到 MVB 系统中。便携式 PTS，包含两个部分和一个调试 软件： 便携式计算机 具有便携式计算机并行总线相连的 MVB 网卡 除了 PTS 辅助工具外，还应该准备另一个基于便携式计算机的对VCU 进行调试的工具，它通过 RS232 或 RS485 在 DEBUG 软件下支持调试。 16 图 1 机车控制系统框图 VCU VCU I/O I/O 图 2 含控制权转移试验 17 A 线 VCU VCU I/O I/O 图 3 含冗余的监控试验（即 A 线运行， B 线监控） 图 4 含总线耦合器 +冗余 I/O 的试验 BC VCU VCU I/O I/O B 线 B 线 电话： 15304003416， 13154112360 电子邮件：