CR400AF型高速動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析

常培晶

摘要：分析了CR400AF高速動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行原理性設(shè)計(jì)。

Abstract： The topology and data transmission protocol of the CR400AF EMU network control system are analyzed， and the principle design of the network protocol is designed.

關(guān)鍵詞：TCN;WTB;MVB

Key words： TCN;WTB;MVB

0 ?引言

CR400AF系中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組，2017年投入運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)時(shí)速350公里，采用動(dòng)力分散方式（4拖4動(dòng)），電機(jī)功率較CRH系列提升。CR400AF的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是CRH1/3/5、CRH380B/L系列車(chē)型的改進(jìn)設(shè)計(jì)，其網(wǎng)絡(luò)可靠性已經(jīng)經(jīng)受住十幾年的運(yùn)營(yíng)考驗(yàn)，且TCN網(wǎng)絡(luò)是世界上列車(chē)使用最廣泛的，已經(jīng)研究使用逾二十年。

CR400AF網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用TCN+以太環(huán)網(wǎng)（ETB），TCN（IEC61375-1標(biāo)準(zhǔn)）分為列車(chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)和車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)。列車(chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)為WTB，傳輸距離遠(yuǎn);車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)為MVB，總線支持點(diǎn)數(shù)多，是整個(gè)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的核心。以太環(huán)網(wǎng)吞吐量大，傳輸速度快，但絕對(duì)可靠性不高，適合用于事件記錄、故障傳輸、運(yùn)營(yíng)動(dòng)態(tài)傳送等功能。

1 ?CR400AF網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 列車(chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)

TCN列車(chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)為WTB。WTB總線傳輸距離遠(yuǎn)，860m距離上允許1Mbit/s的傳輸速度，但其最多允許32總線節(jié)點(diǎn)，因此其適合用于列車(chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，而車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量大，不適合采用。

CR400AF的WTB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，如圖1所示。TC01、TC08車(chē)各兩個(gè)網(wǎng)關(guān)，互為冗余。每個(gè)網(wǎng)關(guān)含4個(gè)DB9端口，DB9端口之間采用屏蔽雙絞線連接，DB9僅使用針腳1、2。各個(gè)網(wǎng)關(guān)指定其中兩個(gè)DB9端口相鄰連接形成A線，另外兩個(gè)DB9端口相鄰連接形成B線，A、B兩線互為冗余。列車(chē)端部留有端口用于列車(chē)聯(lián)掛。

1.2 車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)

TCN車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)為MVB。MVB總線傳輸周期小于1ms，傳輸速率1.5Mbit/s，可采用三種物理傳輸介質(zhì)：電短距離ESD（RS-485收發(fā)器）、電中距離EMD（屏蔽雙絞線）、光纖。ESD距離最大20m，EMD距離最大200m，光纖2000m，但光纖需點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。由于MVB最多支持4095個(gè)設(shè)備，其中256個(gè)可參與消息傳送，因此車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)適合選用MVB總線，且距離上適合選用EMD介質(zhì)。由于MVB采用EMD介質(zhì)每段總線最多支持32個(gè)設(shè)備，因此需要中繼器將各網(wǎng)段聯(lián)接，且部分設(shè)備距離較遠(yuǎn)也需采用中繼器。

CR400AF的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分為兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元，每個(gè)網(wǎng)關(guān)（非冗余）對(duì)應(yīng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元，每個(gè)單元4節(jié)車(chē)廂。兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元整體為一個(gè)MVB網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，如圖2所示。MVB總線物理層為DB9端口，采用屏蔽雙絞線連接，使用針腳1、2、4、5連接兩根雙絞線，互為冗余。每個(gè)MVB設(shè)備兩個(gè)DB9端口分別與總線上相鄰設(shè)備連接形成總線，總線端部一端連接網(wǎng)關(guān)（物理上網(wǎng)關(guān)連接于中繼器，中繼器留端口用于聯(lián)掛），另一端連接終端電阻。車(chē)廂之間和車(chē)廂內(nèi)距離較遠(yuǎn)的設(shè)備采用中繼器連接。MVB網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的業(yè)務(wù)核心為CCU，也是MVB網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主設(shè)備，整列車(chē)頭車(chē)各兩個(gè)CCU（冗余），列車(chē)運(yùn)行時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)根據(jù)列車(chē)運(yùn)行方向僅有一臺(tái)CCU為MVB主設(shè)備，CCU通過(guò)MVB網(wǎng)卡連接于總線網(wǎng)絡(luò)。

1.3 以太環(huán)網(wǎng)

以太環(huán)網(wǎng)用于部分列車(chē)設(shè)備信息傳輸，TC01、TC08車(chē)各兩個(gè)骨干交換機(jī)（冗余），非頭車(chē)各一個(gè)編組網(wǎng)交換機(jī)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為環(huán)形，如圖3所示。上行環(huán)路01-02-04-06-08，下行環(huán)路08-07-05-03-01，列車(chē)端部骨干交換機(jī)留端口用于聯(lián)掛。以太環(huán)網(wǎng)物理層為M12端口，采用5e類(lèi)四芯絞線連接。網(wǎng)關(guān)、CCU、TCU、BCU等裝置通過(guò)M12接口與各車(chē)以太網(wǎng)交換機(jī)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，骨干以太網(wǎng)交換機(jī)再與無(wú)線傳輸裝置（WTD）連接，將列車(chē)狀態(tài)信息、故障記錄事件等傳送至各單位。以太網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)為100BaseT以太網(wǎng)。

2 ?網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 WTB總線

列車(chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)WTB總線的應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備數(shù)量少，僅頭車(chē)各兩個(gè)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的作用是實(shí)現(xiàn)WTB協(xié)議轉(zhuǎn)換為MVB協(xié)議，將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元信息聯(lián)通。網(wǎng)關(guān)以Duagon公司D521為例說(shuō)明，D521含4個(gè)WTB級(jí)DB9端口，2個(gè)MVB級(jí)端口，一個(gè)以太網(wǎng)RJ45端口。D521內(nèi)部包含32位ARM級(jí)CPU，通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)WTB至MVB協(xié)議轉(zhuǎn)換。WTB總線協(xié)議符合HDLC標(biāo)準(zhǔn)，采用曼徹斯特編碼傳輸，協(xié)議報(bào)文有三種：過(guò)程數(shù)據(jù)報(bào)文、消息數(shù)據(jù)報(bào)文、監(jiān)督數(shù)據(jù)報(bào)文。

2.2 MVB總線實(shí)現(xiàn)

車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)MVB涉及每一個(gè)參與網(wǎng)絡(luò)控制的設(shè)備，每一臺(tái)設(shè)備通過(guò)MVB網(wǎng)卡連接到MVB總線上，因此設(shè)備需內(nèi)嵌板卡實(shí)現(xiàn)MVB協(xié)議。列車(chē)上每一臺(tái)設(shè)備都屬于一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，如CCU、TCU、BCU等，可以通過(guò)嵌入式系統(tǒng)的CPU或單板系統(tǒng)的MCU與MVB板卡進(jìn)行通信。MVB板卡種類(lèi)多，供應(yīng)商有西門(mén)子、龐巴迪、EKE、Duagon等，比如龐巴迪MVBC協(xié)議控制芯片（MVBC01/02），本文以Duagon公司的D113為例說(shuō)明。

D113支持實(shí)現(xiàn)MVB的4類(lèi)設(shè)備，可以完成過(guò)程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和總線管理等傳輸。D113內(nèi)部由32位ARM級(jí)CPU和FPGA共同實(shí)現(xiàn)MVB協(xié)議。D113有2個(gè)DB9接口用于連接至MVB總線，D113通過(guò)PC/104接口與宿主CPU進(jìn)行通信和設(shè)置12位MVB地址。

PC/104接口由J1（64針腳）和J2（40針腳）上下并排組成，節(jié)省了板卡空間。J1用于8位數(shù)據(jù)并行傳輸，J2拓展為16位數(shù)據(jù)并行傳輸。PC/104接口有五種信號(hào)線：地址線（20/24位）、數(shù)據(jù)線（8/16位）、控制線（片選/鎖存/讀寫(xiě)/復(fù)位）、中斷線（16個(gè)中斷源）、時(shí)鐘線。時(shí)鐘信號(hào)由板卡內(nèi)部32位CPU提供，宿主CPU無(wú)需提供。本文以ARM9系統(tǒng)Atmel公司的32位AT91SAM9263為宿主CPU（用于列車(chē)CCU、TCU、BCU等設(shè)備），如圖4所示，通過(guò)3.3-5V電平轉(zhuǎn)換器與PC/104接口連接。EBI0_NRD、EBI0_NWR用于控制讀寫(xiě)存儲(chǔ)器和IO，EBI0_NCS0、EBI0_NCS1用于片選16位存儲(chǔ)器和16位IO，并且二者有一個(gè)信號(hào)有效便使高8位和地址鎖存信號(hào)有效（與門(mén)）。

MVB總線協(xié)議幀有主設(shè)備幀和從設(shè)備幀，采用曼徹斯特編碼傳輸，從設(shè)備幀只能響應(yīng)主設(shè)備幀，一個(gè)MVB網(wǎng)絡(luò)內(nèi)只能有一個(gè)主設(shè)備，但主設(shè)備的身份可以更換。MVB總線協(xié)議報(bào)文有16種：過(guò)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求、主設(shè)備權(quán)更迭、消息數(shù)據(jù)請(qǐng)求、常規(guī)事件請(qǐng)求等。

3 ?結(jié)語(yǔ)

CR400AF動(dòng)車(chē)組正值蓬勃發(fā)展窗口期，其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在后續(xù)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中仍有改進(jìn)的空間，分析其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸協(xié)議、設(shè)備內(nèi)部原理以及供應(yīng)商鏈對(duì)掌握其利弊和后續(xù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的選擇具有重要的意義，并為后續(xù)的持續(xù)性推廣應(yīng)用提供一種原理性參考。

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