【摘 要】与国外相比，我国对列车网络控制技术的研究起步较晚，所以我国列车网络控制技术水平还处在相对落后的水平。因此积极开展列车网络控制产品的引进，并不断消化吸收以及应用创新具有重大的现实意义。重点说明了中央控制模拟单元的硬件及软件架构。
【关键词】列车通信网络；多功能车辆总线；中央控制模拟单元
0 前言
随着生活水平的不断提高，旅客对乘坐列车的舒适性以及对旅行中的娱乐和资讯的需求也越来越大。因此，在世界高速铁路列车运行速度达到300km/h以后，发展列车网络控制技术和提高旅客乘车的环境成为各个国家机车车辆发展的另一个重要的技术方向[1]。
1999年6月，IEC/TC9/WG22在ABB公司的MICAS、西门子（Siemens）公司的DIN43322和意大利的CD450等的基础上，制定了列车通信网络（TCN）标准—IEC61375协议。在2002年，我国也将IEC61375正式确认为我们国家的列车通信网络技术标准[2]。
目前，TCN网络技术在国际范围内得到了广泛的应用，并且还得到了欧盟范围内一些机车车辆零部件公司的技术支持。Siemens的SIBAS32系统和ADtranz的MICAS-S2系统都是符合TCN标准的相关产品，另外芬兰的EKE电子公司、意大利的Far-system公司以及捷克的Unicontrol公司也都研发出了自己的符合TCN标准的网关产品，瑞士的Duagon等公司则开发出了基于FPGA的系列MVB网卡和I/O设备。用户可以通过购买这些网络部件来完成对列车通信网络系统应用开发[3-9]。
1 多功能车辆总线MVB
MVB（Multifunction Vehicle Bus）是将在同一车厢或者不同车厢中的设备连接到列车通信网络上的车辆总线。它提供了两种连接：一是可编程设备之间的互相连接；二是将可编程设备与它们的传感器和执行机构之间互相连接。MVB最多能够寻址4095个设备，其中有256个设备是能参与消息通信的站。MVB在机车车辆上的应用如图1所示。
图1 机车车辆上的多功能车辆总线
Fig.1 MVB of locomotive vehicle
MVB能够传输三种类型的数据：一是，进程数据，用于进行源寻址数据的周期性广播，其最快的周期为1ms；二是，消息数据，它可以根据需要用于目标寻址的单播或广播；三是，监视数据，主要用于事件分解、总线主权传送和设备状态传送这三个目的数据交换[10-11]。
2 中央控制模拟单元系统描述
中央控制单元是TCN通信网络中的四类设备，在TCN网络控制系统中起到了至关重要的作用。中央控制单元几乎监督和控制列车上所有的其他系统，例如门、HVAC、牵引等。中央控制单元作为MVB总线的主管理器，还可以存储诊断数据，与智能显示单元进行通信。
2.1 中央控制模拟单元系统硬件描述
中央控制模拟单元机箱的硬件主要分为五部分：MVB板、MVB接口板、电源板、电源接口板、背板。其核心部件为MVB板，MVB板的硬件架构如图2所示，该模块的主CPU芯片为Freescale公司的MPC5200B微控制器，它是一款紧凑型、低功耗的嵌入式处理器。该芯片采用MPC603e为内核，主频为400MHz，在-40℃～85℃的温度范围内处理速度达760MIPS，适于在恶劣的环境下高效地运行[3，9]。同时它还集成了16K指令缓冲存储器，16K数据缓冲存储器，双倍精度浮点运算单元，可同时与其他关键任务高速地进行复杂的数学运算。它还有指令和数据存储器管理单元，具有临界中断的能力。此外MPC5200B集成了丰富的外设接口，带有一个SDRAM/DDR存储控制器、一个灵活的外部总线接口、一个总线标准控制器、一个通用串行总线USB、一个以太网接口Ethernet、六个可编程的串联控制器PSC、一个定时器Timers、一个通用输入输出接口GPIO、一个高速同步串行口SPI等。
通用外围电路主要包括：电压及温度监控电路、看门狗电路、存储单元和运行电路、串口通讯和以太网通信电路。其中电压及温度监控电路能监视5V、3.3V、2.5V的电压，并监视CPU工作的温度在-25℃～70℃。CPU和FPGA各有外部硬件看门狗电路，当系统正常运行时，定时刷新看门狗。若系统出现运行故障，在规定的时间内没有刷新看门狗，则看门狗电路发出复位信号，系统复位并重新运行。存储单元和运行电路包括132MHz并支持DDR模式的SDRAM，为上电后运行的程序和提取的数据提供存储空间，32M的Flash用作存储BOOTROM、VxWorks和应用程序。RS-232串行通讯接口电路波特率115200bpms，可提供目标机与上位机的串口通讯服务功能。以太网通讯接口电路提供标准TCP/IP通信接口，支持100M的通信模式。实时时钟芯片自带电池，断电时能保存时钟信息。带有MVB ESD+接口，符合IEC61375-1标准。
图2 中央控制模拟单元硬件架构
Fig.2 Hardware architecture of CCU
2.2 中央控制模拟单元系统软件描述
中央控制模拟单元的软件结构复杂，其软件架构如图3所示。系统软件启动采用bootroom+VxWorks+应用程序的方式，其中VxWorks和应用程序放在文件系统中，方便调试、更新和升级。软件系统分为三步启动：首先启动bootroom，初始化CPU和SDRAM，加载串口和网口的驱动，建立TFFS文件系统；然后VxWorks映像程序由bootrom.bin启动，实时嵌入式系统接管整个系统软件资源；最后VxWorks加载应用程序，启动各个任务。mvb.out是MVB总线通信的驱动程序。procon.out是用Multiprog开发的应用程序的执行管理系统，该系统负责从各个PLC任务中获取需要执行的代码，并翻译执行。tcpServer.o和tcpClient.o分别是TCP/IP通信服务器端程序和TCP/IP通信客户端程序，负责PC机与中央控制单元通过TCP/IP协议进行通信。mvb_conf.dat是MVB端口配置文件，主要包括MVB主设备端口配置和从设备端口配置。startup.txt是启动文件，包含一些启动参数，如启动设备、启动路径等。TCN协议栈软件通过MVB应用层AVI接口跟procon.out交换数据，完成对各个PLC任务的通信。
TCN协议栈软件由实时协议栈软件和MVB链路协议栈软件两部分组成[12]。
1）TCN实时协议栈软件
TCN实时协议栈软件主要支持消息数据通信，按照功能其可分为网络层、传输层、会话层和应用层四部分。应用层，为用户的应用程序提供访问网络的接口。应用层直接面向用户，提供呼叫/应答服务，同时还提供消息多播服务。会话层的基本任务是建立通信方式，实现两台设备之间的原始消息的传输。例如，有两个配对的消息：一个是呼叫消息，由呼叫者发送给应答者，一个是应答消息由应答者发送给呼叫者，通过两个配对消息的配合从而实现了消息数据的接收与发送。传输层向高层协议和底层协议提供一个通信协议接口，负责将消息从高层传输到低层，同时把由生产者发出的长消息分割成包，通过滑动窗口协议的流量控制和差错恢复，实现两层间数据的透明传输。在多播消息中，允许否定应答和再次传输。网络层主要功能包括层次寻址机制、索引和路由选择。
图3 中央控制模拟单元软件架构
Fig.3 Software architecture of CCU
2）MVB链路协议栈软件
MVB总线上的每个设备由其设备地址唯一地标识，链路层对其发送的所有的包加入其设备地址作为源设备。链路层主要实现MVB总线过程数据、消息数据和监视数据的链路通信功能。链路过程数据接口由MVB总线提供给上层协议的过程数据服务，实现过程数据端口初始化，规定端口之间的数据集访问。MVB消息链路层用于选择包在网络中的传送路径的网络层路由，连接一条总线的站或者终端站。MVB监视数据在总线活动基本周期的偶发相中发送，主要提供以下服务：①设备运行状态查询；②事件仲裁；③总线主权转移。
3 结论
基于MVB的CCU中央控制模拟单元属于MVB四类设备，是列车网络通信控制系统中的关键设备之一。具有MVB过程数据、消息数据和监视数据通信功能、用户可编程功能和MVB总线管理功能。用户可利用网络配置监视软件配置CCU网络通信参数，如总线管理功能配置、源宿端口地址配置等，并远程在线监视连在 MVB 网络上的各类设备状态。
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[责任编辑：王迎迎]