基于ControlBuild平臺的車載控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田學(xué)文，任曉坤

(中車青島四方車輛研究所有限公司 電子事業(yè)部，山東 青島 266031)

1 背景與目的

為解決上述動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的突出問題，開發(fā)了基于ControlBuild的VCU。VCU集成了MVB板、以太網(wǎng)板、WTB板、輸入輸出(IO)板，中央控制單元與TCN網(wǎng)關(guān)融合，將WTB板集成到VCU機(jī)箱，通過共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)車輛級總線數(shù)據(jù)與列車級總線數(shù)據(jù)的內(nèi)部傳輸。VCU軟件集成MVB通信驅(qū)動、以太網(wǎng)通信驅(qū)動、WTB通信驅(qū)動、IO通信驅(qū)動，具備較高的通信方式擴(kuò)展性；VCU兼容車輛級MVB/ETH總線、WTB列車級總線3種通信模式，其中MVB/ETH總線通信模式2選1，用戶根據(jù)動車組列車網(wǎng)絡(luò)配置需求，選擇通信板卡并通過配置文件設(shè)置車輛級總線通信模式。軟件功能開發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)，車輛邏輯采用工程庫函數(shù)模塊方式進(jìn)行開發(fā)，便于功能調(diào)試、仿真測試，提高了邏輯開發(fā)的效率。

2 VCU硬件組成

VCU機(jī)箱由電源板、背板、CPU板、MVB板、WTB板、以太網(wǎng)擴(kuò)展板、DI采集板、DO輸出板組成。電源板通過背板給各個板卡供電，CPU板是控制核心板，MVB板、WTB板、以太網(wǎng)擴(kuò)展板是通信板，DI采集板、DO輸出板分別是輸入、輸出板。CPU板通過背板CPCI總線與各通信板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過背板CAN總線控制DI采集板/DO輸出板。VCU機(jī)箱組成如圖1所示。

圖1 VCU機(jī)箱組成

電源板負(fù)責(zé)將外部電源輸入轉(zhuǎn)換為VCU中板卡所需要的5 V直流電源；CPU板屬于整個VCU的控制中樞，主要運(yùn)行實(shí)時操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和列車控制邏輯，實(shí)現(xiàn)VCU的MVB/WTB/ETH/IO總線數(shù)據(jù)處理、冗余功能和邏輯運(yùn)算等；MVB板實(shí)現(xiàn)IEC 61375-1：2012《鐵路電氣設(shè)備 列車通信網(wǎng)絡(luò) 第 1 部分：基本架構(gòu)》中定義的MVB物理層和鏈路層，通過背板總線提供MVB鏈路層接口，具有MVB過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和查詢設(shè)備狀態(tài)功能，支持4 096個過程數(shù)據(jù)端口[1]；WTB板實(shí)現(xiàn)IEC 61375-1：2012標(biāo)準(zhǔn)定義的WTB物理層和鏈路層，通過背板CPCI總線提供WTB鏈路層接口。

3 VCU軟件功能設(shè)計(jì)

基于ControlBuild平臺的VCU軟件(圖2)由輔助開發(fā)工具(ADT)、邏輯編程軟件ControlBuild、VCU任務(wù)調(diào)度軟件、服務(wù)軟件(PTU)組成。ADT實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議、配置變量表的解析與變量導(dǎo)入、加載驅(qū)動、程序一鍵編譯等功能；ControlBuild實(shí)現(xiàn)車輛邏輯繪制、邏輯編譯、邏輯工程配置、程序編譯功能；VCU任務(wù)調(diào)度軟件根據(jù)每個任務(wù)分配的時間片和執(zhí)行周期，實(shí)現(xiàn)多線程、多進(jìn)程的任務(wù)調(diào)度；PTU實(shí)現(xiàn)程序和配置文件的上傳、邏輯變量的實(shí)時監(jiān)控/強(qiáng)制、故障的下載/解析功能。

圖2 基于ControlBuild平臺的VCU軟件架構(gòu)圖

3.1 ADT功能設(shè)計(jì)

ADT是工程輸入文件與上位機(jī)開發(fā)環(huán)境的接口配置工具，ADT具備以下功能(圖3)：

圖3 ADT功能示意圖

(1) 工程管理與配置。建立與ControlBuild對應(yīng)的ADT工程，并進(jìn)行接口文件路徑設(shè)置、驅(qū)動程序設(shè)置。項(xiàng)目輸入表格分為通信協(xié)議變量表、配置變量表、驅(qū)動變量表3類。驅(qū)動程序包括MVB驅(qū)動、ETH驅(qū)動、WTB驅(qū)動、IO驅(qū)動、仿真驅(qū)動、PTU驅(qū)動和任務(wù)管理驅(qū)動。

(2) 變量解析與導(dǎo)入。ATD解析的變量種類包括MVB變量、ETH變量、WTB變量、IO變量、配置變量、驅(qū)動變量。ATD解析這些變量的變量名、輸入輸出屬性以及變量的數(shù)據(jù)類型，將所有變量導(dǎo)入ControlBuild。

3．相關(guān)會議類。關(guān)于習(xí)近平共享發(fā)展的會議是比較多的，最具有代表性的會議有《決策論壇——公共政策的創(chuàng)新與分析學(xué)術(shù)研討會》、《中國國際共運(yùn)史學(xué)會2016年年會暨學(xué)術(shù)研討會》《中國經(jīng)濟(jì)規(guī)律研究會第26屆年會暨“政治經(jīng)濟(jì)學(xué)創(chuàng)新與供給側(cè)改革”研討會》等，這些會議從不同角度闡明了習(xí)近平共享發(fā)展理念符合時代發(fā)展。準(zhǔn)確地理解習(xí)近平共享發(fā)展理念的理論來源、深刻內(nèi)涵以及與其他四大發(fā)展理念(創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放)的邏輯關(guān)系，同時準(zhǔn)確把握習(xí)近平共享發(fā)展理念的創(chuàng)新性，為習(xí)近平共享發(fā)展理念的進(jìn)一步深入研究開拓了理論視野，對于習(xí)近平共享發(fā)展理念的研究具有重要借鑒意義。

(3) 加載驅(qū)動。根據(jù)設(shè)備硬件通信板的配置和項(xiàng)目需求，通過ADT勾選將要調(diào)用的硬件板卡驅(qū)動函數(shù)庫和應(yīng)用層函數(shù)庫，包括MVB驅(qū)動、ETH驅(qū)動、WTB驅(qū)動、IO驅(qū)動、仿真驅(qū)動、PTU驅(qū)動和任務(wù)管理驅(qū)動。

(4) 程序生成。用戶根據(jù)項(xiàng)目需求，通過ADT選擇并設(shè)置驅(qū)動路徑，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動程序的靈活配置，并通過ADT一鍵生成可執(zhí)行應(yīng)用程序。

3.2 ControlBuild邏輯開發(fā)

ControlBuild是一款開放式自動化軟件平臺，專注于控制自動化和電子嵌入式系統(tǒng)的綜合開發(fā)，具備全流程控制系統(tǒng)的開發(fā)、仿真、驗(yàn)證功能，在軌道交通行業(yè)應(yīng)用廣泛。

基于ControlBuild平臺的VCU上位機(jī)軟件開發(fā)內(nèi)容包括變量模塊、工程庫、VCU網(wǎng)絡(luò)控制邏輯，見圖4。

圖4 基于ControlBuild平臺的VCU上位機(jī)軟件開發(fā)內(nèi)容

3.2.1 變量模塊設(shè)計(jì)

變量模塊分為通信協(xié)議變量模塊、配置變量模塊、驅(qū)動變量模塊和未使用變量模塊。變量數(shù)據(jù)流向設(shè)計(jì)如下：

(1) 通信協(xié)議變量通過驅(qū)動程序與邏輯模塊使用的協(xié)議變量直接關(guān)聯(lián)，包括通信協(xié)議輸入、輸出變量。

(2) 配置和驅(qū)動變量模塊存放非協(xié)議配置變量，包括機(jī)箱配置信息變量、通信故障變量、設(shè)備狀態(tài)信息變量、中間變量等。配置輸入變量通過讀取配置文件獲取數(shù)值，驅(qū)動輸入變量由驅(qū)動程序提供，并提供給邏輯使用；配置和驅(qū)動輸出變量接收邏輯輸出的變量值，再通過驅(qū)動程序進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出處理。

(3) 未使用變量模塊存放未使用的變量，由ADT檢測邏輯未使用的通信協(xié)議變量、配置變量和驅(qū)動變量生成。

3.2.2 工程庫設(shè)計(jì)

工程庫包括VCU功能模塊、運(yùn)算模塊、控制模塊、邏輯模塊、時間控制模塊、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊。工程庫函數(shù)采用統(tǒng)一接口，便于調(diào)試、仿真測試。

VCU功能模塊主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備自身的軟件、硬件診斷，系統(tǒng)日志的生成與硬件板卡的故障記錄，VCU設(shè)備間的冗余切換，VCU設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)通信端口異常的判定，斷電保存變量的更新與存儲；運(yùn)算模塊為列車網(wǎng)絡(luò)控制邏輯提供相關(guān)變量的加、減、乘、除、積分、微分等數(shù)值計(jì)算操作；控制模塊為列車網(wǎng)絡(luò)控制邏輯提供鎖存器、限值控制、比例積分控制、斜坡控制、選擇輸出等標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算模塊；邏輯模塊為列車網(wǎng)絡(luò)控制邏輯提供相關(guān)變量的與、或、非、大小關(guān)系比較等邏輯運(yùn)算操作；時間控制模塊通過提供定時器、延時輸出、時間脈沖發(fā)生器、時間轉(zhuǎn)換等實(shí)現(xiàn)對邏輯變量的時間控制需求；數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊完成列車網(wǎng)絡(luò)控制邏輯中不同數(shù)據(jù)類型的變量的相互轉(zhuǎn)換和運(yùn)算的功能。

3.2.3 VCU網(wǎng)絡(luò)控制邏輯設(shè)計(jì)

VCU網(wǎng)絡(luò)控制邏輯由VCU功能邏輯、車輛控制邏輯組成。VCU功能邏輯包含冗余功能邏輯、看門狗控制、指示燈控制、網(wǎng)關(guān)交互變量處理邏輯、IO變量處理邏輯、通信模式選擇、通信故障邏輯、線路故障檢測邏輯、VCU自診斷邏輯和線程周期檢測邏輯；車輛控制邏輯包含使能邏輯、高壓邏輯、牽引邏輯、輔助邏輯、制動邏輯、恒速邏輯、里程邏輯、充電機(jī)邏輯、安全環(huán)路邏輯、軸溫邏輯、整備邏輯、網(wǎng)絡(luò)邏輯、PIS邏輯、空調(diào)邏輯等。

3.2.4 程序部署

程序編譯輸出VCU程序和MAP文件，VCU程序組成由邏輯程序、MVB數(shù)據(jù)處理程序、WTB數(shù)據(jù)處理程序、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)處理程序、IO數(shù)據(jù)處理程序、仿真服務(wù)程序、PTU服務(wù)程序、任務(wù)管理程序組成；MAP文件是變量文件，包含VCU網(wǎng)絡(luò)控制邏輯工程中的所有變量。

3.3 PTU功能設(shè)計(jì)

PTU軟件能夠在線分析列車實(shí)時狀態(tài)，可以根據(jù)車輛運(yùn)行故障數(shù)據(jù)進(jìn)行離線曲線分析、列表匯總、報(bào)表打印等功能，便于指導(dǎo)維護(hù)人員對車輛發(fā)生的故障進(jìn)行維修。PTU軟件的主要結(jié)構(gòu)分為：

(1) 客戶管理模塊。登錄的客戶分為管理者和用戶2種類型，這2種客戶對軟件的操作有不同的權(quán)限。管理者可以對軟件的所有功能進(jìn)行操作，而一般用戶只能使用軟件的一般功能。

(2) 通信模塊。通過以太網(wǎng)接口與VCU設(shè)備通信，完成程序和配置文件上傳、邏輯變量實(shí)時監(jiān)測/強(qiáng)制、故障數(shù)據(jù)的下載/解析等基本功能。

(3) 故障數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊。該模塊把從車輛上導(dǎo)出的原始故障數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成軟件能夠直接分析的數(shù)據(jù)格式，從車輛上導(dǎo)出的故障數(shù)據(jù)首先轉(zhuǎn)換成Access類型的數(shù)據(jù)庫文件，用戶可以直接通過軟件打開該數(shù)據(jù)庫文件進(jìn)行分析。

(4) 故障數(shù)據(jù)的顯示分析模塊。該模塊把故障數(shù)據(jù)以圖形曲線或變量列表的形式顯示出來，并提供對故障信息的編輯功能。

(5) 數(shù)據(jù)報(bào)表打印及故障數(shù)據(jù)的導(dǎo)出模塊。該模塊把故障曲線及數(shù)據(jù)以報(bào)表的形式打印出來，并可以把故障數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表格中。

4 結(jié)束語

基于ControlBuild的車載控制單元相比于MVB通信模式、ETH通信模式具備大數(shù)據(jù)傳輸能力；VCU融合WTB通信模式，減少了車輛總線數(shù)據(jù)與列車總線數(shù)據(jù)之間的傳輸延時?；贑ontrolBuild的車載控制單元的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了平臺化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化開發(fā)，大幅提高了列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)效率，具備較高的應(yīng)用價值。目前基于ControlBuild的車載控制單元已經(jīng)批量應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)動車組的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。