CRH380A型高速動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析

宋程

摘要：分析了CRH380A型高速動(dòng)車組網(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，并對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行原理性設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);ARCnet;HDLC

0 ?引言

CRH380A在時(shí)速350公里動(dòng)車組中占有舉足輕重的地位，其設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營、檢修等方面為中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的后續(xù)推進(jìn)積累了相當(dāng)重要的經(jīng)驗(yàn)。自2010年投入運(yùn)營以來，CRH380A普遍進(jìn)入三到五級檢修階段，因此，具有針對性的分析其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對全方位掌握電氣檢修工作具有重要的作用。CRH380A的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以CRH2型車的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，原型為三菱公司的TIS系統(tǒng)。CRH380A（6動(dòng)2拖）相比于CRH2型車（4動(dòng)4拖）牽引控制的點(diǎn)數(shù)增加;速度大幅提升（200公里提升至350公里），且增加了再生制動(dòng)的功能，因此對牽引與制動(dòng)的通信要求更高。

1 ?CRH380A網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CRH380A網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有列車級網(wǎng)絡(luò)、車輛級網(wǎng)絡(luò)兩層結(jié)構(gòu)。列車級網(wǎng)路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為雙重環(huán)網(wǎng)，車輛級網(wǎng)絡(luò)為點(diǎn)對點(diǎn)方式。

1.1 列車級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CRH380A的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)如圖1所示。T1、T2（1號(hào)、8號(hào)）車分別有1臺(tái)中央控制裝置和1臺(tái)終端控制裝置，M1～M6（2號(hào)～7號(hào)車）分別有1臺(tái)終端控制裝置，整列車2個(gè)中央裝置和8個(gè)終端裝置共10個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，編號(hào)為1～10。10個(gè)通信節(jié)點(diǎn)通過兩根雙纖光纖連接形成雙重環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，上行環(huán)路為1—3—5—7—9—10，下行環(huán)路為10—8—6—4—2—1。對于列車重聯(lián)，T1、T2車的中央控制裝置通過兩根雙絞線（硬性較好）連接于外部接口，用于列車聯(lián)掛形成20節(jié)點(diǎn)雙重環(huán)網(wǎng)。另外，整列車通過一根雙絞線采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接10個(gè)通信節(jié)點(diǎn)形成自我診斷傳輸線，該傳輸線同樣連接于聯(lián)掛接口。

1.2 列車級網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議

雙重環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為ARCnet，傳輸速度2.5Mb/s。ARCnet是一種數(shù)據(jù)鏈路層的令牌協(xié)議，一共有五種幀結(jié)構(gòu)：ITT幀（令牌幀）、FBE幀（空閑緩沖區(qū)詢問幀）、ACK幀（確認(rèn)幀）、NAK幀（否認(rèn)幀）、PAC幀（數(shù)據(jù)傳輸幀）。若一個(gè)站點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)，首先要接收到ITT幀，再向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送FBE幀，收到ACK幀后才可以發(fā)送PAC幀。ARCnet還具備網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)機(jī)制，可靠性較好。自我診斷傳輸線的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為HDLC，傳輸速度為38.4kb/s。HDLC工作在數(shù)據(jù)鏈路層，一共有三種幀結(jié)構(gòu)：信息幀（I）、監(jiān)控幀（S）、無編號(hào)幀。

1.3 車輛級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

車輛級網(wǎng)絡(luò)采用點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，中央裝置與終端裝置針對不同的車輛裝置采用光纖或雙絞線傳輸介質(zhì)。

采用兩根雙纖光纖傳輸：BCU（各車終端）和CI（M1～M6終端）。

采用兩根雙絞線雙向傳輸：顯示控制裝置（T1、T2中央，M4終端）、IC卡讀寫裝置（T1、T2中央）、數(shù)據(jù)記錄及無線傳輸裝置（T1、T2中央）、轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)檢測裝置（各車終端）、空調(diào)顯示設(shè)定器（各車終端）、APU（T1、T2、M4終端）、煙火報(bào)警裝置（M4終端）、軸溫實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置（各車終端）、自動(dòng)廣播裝置（M4終端）。

采用兩根雙絞線單向傳輸：距離檢測傳感器（僅T1中央）。

采用一根雙絞線單向傳輸：側(cè)面目的地顯示器（各車終端）。

1.4 車輛級網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議

車輛級點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換協(xié)議采用HDLC協(xié)議、20mA電流環(huán)及30mA電流環(huán)等。CI、BCU通過光纖采用10ms輪詢、192kb/s的HDLC方式;兩根雙絞線雙向傳輸?shù)难b置采用物理層24V20mA電流環(huán)，數(shù)據(jù)鏈路層9600b/s的串行同步通信，輪詢選擇的方式;兩根雙絞線單向傳輸（距離檢測傳感器）裝置采用物理層24V30mA（抗擾）電流環(huán)，數(shù)據(jù)鏈路層9600b/s的HDLC協(xié)議;一根雙絞線單向傳輸（側(cè)面目的地顯示器）的裝置采用物理層24V20mA電流環(huán)，9600b/s串行同步傳輸。

2 ?網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

ARCNET、HDLC協(xié)議通過協(xié)議控制器與CPU進(jìn)行通訊，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議固化在協(xié)議控制器，CPU通過操作協(xié)議控制器的寄存器來控制數(shù)據(jù)的傳輸。20mA電流環(huán)在物理層實(shí)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)鏈路層是HDLC或者串行同步傳輸，電流環(huán)是將通信雙方（CPU與MCU）的串口電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為24V 20mA電流信號(hào)，增加信號(hào)的抗干擾能力。

2.1 ARCnet協(xié)議

ARCNET的協(xié)議控制器以COM20020為例，其接線圖如圖2所示。CPU初始化操作其寄存器設(shè)置總線類型、幀的大小、傳輸速度、頁面大小等，通過讀寫函數(shù)完成數(shù)據(jù)幀的接收發(fā)送。傳輸過程為：光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)通過HYC9088A轉(zhuǎn)換為TTL電平信號(hào)傳輸至COM20020接收/發(fā)送端口，COM20020通過8位數(shù)據(jù)線、3位地址線和5位控制線與CPU相連。

2.2 HDLC協(xié)議

HDLC的協(xié)議控制器以MT8952為例，其與CPU接線如圖3所示。外部光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，或直接電信號(hào)（30mA），經(jīng)過MT9172轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)NRZ（基帶傳輸）碼，傳輸至MT8952的發(fā)送/接收端口，MT8952通過8位數(shù)據(jù)線、4位地址線、5位控制線與CPU相連。

2.3 20mA電流環(huán)

20mA電流環(huán)是物理層的一種信號(hào)傳輸方式，通信雙方接線如圖4所示。CPU發(fā)送/接收端口的TTL電平經(jīng)過光敏二極管產(chǎn)生20mA電流，經(jīng)4N25光電耦合，由光敏三極管放大轉(zhuǎn)換為傳輸線路上的20mA電流。該通信方式數(shù)據(jù)鏈路層采用串行同步傳輸。

3 ?結(jié)語

CRH380A以時(shí)速350公里持續(xù)運(yùn)營的成熟穩(wěn)定性已經(jīng)經(jīng)受住了考驗(yàn)，其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可靠性也得到了充分驗(yàn)證，分析其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸協(xié)議，并對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行原理性分析對電器檢修、同類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)都具有十分重要的作用。

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