隨著技術的進步和市場需求的變化，鐵路機車車輛工業(yè)對列車微機控制系統(tǒng)中的車載數據通信網絡提出了新的要求，期望建立一個在機車車輛內部及列車和地面控制系統(tǒng)之間交換控制命令、狀態(tài)、故障診斷信息以及旅客信息等的數據通信網絡。為此，國際電工委員會制定了IEC61375—1:1999《列車通信網絡》，它包括2種總線，即列車總線WTB和多功能車輛總線MVB，分別用來連接列車的各個車廂和車廂內的電氣設備。本文結合“北亞”號內燃動車組，研究基于TCN技術的內燃動車組列車通訊網絡。
“北亞”號內燃動車組是一種自帶動力、具有載客功能、成組運行的軌道交通工具，動車組設頭尾2輛動車，中間由幾節(jié)拖車組成。司機在頭車操縱，尾車不配司機。頭尾2輛車控制系統(tǒng)完全相同，并相互聯鎖，尾車控制系統(tǒng)通過列車通訊網絡接收頭車操縱指令，頭尾2輛車同步工作，頭車的監(jiān)控信息在頭車直接顯示，尾車的監(jiān)控信息可以通過通訊網絡在頭車司機臺顯示，司機在頭車上可以操縱2臺動車的各個工況。該列車通訊網絡可完成頭尾2輛動車的重聯控制、監(jiān)測并實施安全保護。
1 動車組列車通信網絡拓撲結構
“北亞”號內燃動車組采用列車控制與通訊網絡系統(tǒng)對整列車進行控制，網絡拓撲結構如圖1所示。按照TCN標準，列車通訊網絡分為2級，第1級為絞線式列車總線WTB，實現車輛間的數據通信；第2級為多功能車輛總線MVB，主要實現同一車輛內各個功能控制單元之間的數據通信。
每臺動車由1個微機控制裝置和1個智能顯示單元組成。在頭尾2輛動車上各裝有1臺控制機箱，每臺機箱中裝有數字量輸入/輸出單元（DI/DO）、模擬量輸入/輸出單元（AX）、車輛控制單元（VCU）、無線數據傳輸單元（GPRS板）、網關（GW）和智能顯示單元（IDU）。2臺控制機箱間采用WTB通訊；每臺控制箱內各單元之間采用MVB通訊，其介質采用電氣中距離介質EMD。
2 列車控制與通信網絡系統(tǒng)的組成
列車控制與通信網絡系統(tǒng)采用通用的EXP機箱，機箱為背板式結構。以C8051F040CPU為核心，由開關電源、數字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、無線數據傳輸單元等組成，各單元通過MVB總線與CPU進行數據交換。各插件功能介紹如下。
2.1 開關電源
采用開關電源技術，將輸入24V電源變換為+5V和±15V電源，給機箱、網關、輸入輸出單元及傳感器供電。
2.2 數字量輸入/輸出
采用光電隔離技術，接收司機控制指令及動車狀態(tài)信號，完成動車邏輯控制。
2.3 模擬量輸入/輸出
對動車速度、柴油機轉速、柴油機潤滑油壓力、柴油機冷卻水溫度信號進行采樣。
2.4 無線通訊模塊
無線數據傳輸單元是利用通用分組無線業(yè)務GPRS將動車組現場采集的數據傳輸到地面監(jiān)控站，供相關人員對機車的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。
2.5 車輛控制單元VCU
VCU主要實現系統(tǒng)的邏輯控制功能，其組成如圖2所示。具有RS—232、RS—485、CAN以及MVB通信接口，其中RS—485和CAN為功能擴充預留。
VCU采用C8051F040單片機，其速度可達25MIPS（使用25MHz時鐘）。具有4352字節(jié)內部數據RAM（4K+256）和64KBFLASH。
隨著技術的進步和市場需求的變化，鐵路機車車輛工業(yè)對列車微機控制系統(tǒng)中的車載數據通信網絡提出了新的要求，期望建立一個在機車車輛內部及列車和地面控制系統(tǒng)之間交換控制命令、狀態(tài)、故障診斷信息以及旅客信息等的數據通信網絡。為此，國際電工委員會制定了IEC61375—1:1999《列車通信網絡》，它包括2種總線，即列車總線WTB和多功能車輛總線MVB，分別用來連接列車的各個車廂和車廂內的電氣設備。本文結合“北亞”號內燃動車組，研究基于TCN技術的內燃動車組列車通訊網絡。
“北亞”號內燃動車組是一種自帶動力、具有載客功能、成組運行的軌道交通工具，動車組設頭尾2輛動車，中間由幾節(jié)拖車組成。司機在頭車操縱，尾車不配司機。頭尾2輛車控制系統(tǒng)完全相同，并相互聯鎖，尾車控制系統(tǒng)通過列車通訊網絡接收頭車操縱指令，頭尾2輛車同步工作，頭車的監(jiān)控信息在頭車直接顯示，尾車的監(jiān)控信息可以通過通訊網絡在頭車司機臺顯示，司機在頭車上可以操縱2臺動車的各個工況。該列車通訊網絡可完成頭尾2輛動車的重聯控制、監(jiān)測并實施安全保護。
1 動車組列車通信網絡拓撲結構
“北亞”號內燃動車組采用列車控制與通訊網絡系統(tǒng)對整列車進行控制，網絡拓撲結構如圖1所示。按照TCN標準，列車通訊網絡分為2級，第1級為絞線式列車總線WTB，實現車輛間的數據通信；第2級為多功能車輛總線MVB，主要實現同一車輛內各個功能控制單元之間的數據通信。
每臺動車由1個微機控制裝置和1個智能顯示單元組成。在頭尾2輛動車上各裝有1臺控制機箱，每臺機箱中裝有數字量輸入/輸出單元（DI/DO）、模擬量輸入/輸出單元（AX）、車輛控制單元（VCU）、無線數據傳輸單元（GPRS板）、網關（GW）和智能顯示單元（IDU）。2臺控制機箱間采用WTB通訊；每臺控制箱內各單元之間采用MVB通訊，其介質采用電氣中距離介質EMD。
2 列車控制與通信網絡系統(tǒng)的組成
列車控制與通信網絡系統(tǒng)采用通用的EXP機箱，機箱為背板式結構。以C8051F040CPU為核心，由開關電源、數字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、無線數據傳輸單元等組成，各單元通過MVB總線與CPU進行數據交換。各插件功能介紹如下。
2.1 開關電源
采用開關電源技術，將輸入24V電源變換為+5V和±15V電源，給機箱、網關、輸入輸出單元及傳感器供電。
2.2 數字量輸入/輸出
采用光電隔離技術，接收司機控制指令及動車狀態(tài)信號，完成動車邏輯控制。
2.3 模擬量輸入/輸出
對動車速度、柴油機轉速、柴油機潤滑油壓力、柴油機冷卻水溫度信號進行采樣。
2.4 無線通訊模塊
無線數據傳輸單元是利用通用分組無線業(yè)務GPRS將動車組現場采集的數據傳輸到地面監(jiān)控站，供相關人員對機車的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。
2.5 車輛控制單元VCU
VCU主要實現系統(tǒng)的邏輯控制功能，其組成如圖2所示。具有RS—232、RS—485、CAN以及MVB通信接口，其中RS—485和CAN為功能擴充預留。
VCU采用C8051F040單片機，其速度可達25MIPS（使用25MHz時鐘）。具有4352字節(jié)內部數據RAM（4K+256）和64KBFLASH。
VCU的主要功能有：
?。?）實現動車組的柴油機、輔助發(fā)電機、空氣壓縮機等設備的邏輯控制及故障診斷功能。
?。?）頭尾2輛動車的VCU依靠司機鑰匙檔位定義主控微機信號來確定主控微機。當1臺VCU被定義為主控微機時，則另一臺VCU為從控微機。從控微機不具有MVB總線管理器功能。
（3）實現防空轉/防滑控制功能。在牽引或制動工況下，系統(tǒng)檢測輪根據空轉或滑行程度的不同，采取撒沙、降功、卸載等保護措施，以充分利用動車粘著性能，發(fā)揮牽引力。
?。?）具有柴油機與動車電氣系統(tǒng)保護功能。動車微機實時檢測柴油機溫度、壓力、轉速等信號。若這些信號超過正常工作范圍，則根據故障的不同種類分別采取報警、降功、卸載、停機等措施對其進行保護并記錄，確保柴油機和換檔機構的正常工作。
3 列車TCN網絡通信及重聯控制
通信采用TCN網絡，取消了以往動車組頭尾2輛動車之間的所有硬連線。為了提高可靠性，采用雙通道熱備冗余控制方案，即采用2路WTB總線同時傳遞數據，當一路發(fā)生故障時，由軟件自動完成轉換。
3.1 TCN網絡的組成
3.1.1 組成
該列車通訊網絡完全符合TCN標準。網絡上設有2個WTB節(jié)點，頭尾2輛動車上各1個。列車總線WTB和多功能車輛總線MVB通過網關連接。
車廂總線MVB上附掛有模擬量輸入/輸出單元、數字量輸入/輸出單元、車輛控制單元、智能顯示單元和無線通訊單元，這些單元通過MVB總線連接起來，傳遞相應的數據信息。
3.1.2 車輛控制單元與網絡的數據通信方式
主CPU與網絡通過UART仿真技術交換數據。
主CPU采用查詢方式定時從輸入緩沖區(qū)中讀取2個網絡節(jié)點的信息，并進行校驗。當校驗正確時，返回正確標志，將數據提供給本車使用；反之，若校驗出錯，則返回錯誤標志，將所收到的數據丟棄。當主微機的數據需要更新時，主CPU向輸出緩沖區(qū)寫數據供他車使用。正常情況下，2個網絡節(jié)點是同時工作的，并通過2根WTB總線實現冗余。當主CPU檢測到一路通信故障時，由網關中的軟件識別并自動轉換到另一路，并在顯示器上提示該路網絡通信故障。
3.1.3 網關的配置
在該動車組的列車控制與通信網絡系統(tǒng)中，采用捷克Unicontrols公司生產的網關。該網關在購買時帶有底層軟件，在應用層面上只需根據需要對網關進行相應配置即可（包括動車組的組成、車廂的類型、車廂內的設備、通信存儲器及端口的配置等）。
3.2 TCN列車通信網絡的功能
3.2.1 列車重聯控制功能
頭車將司機控制指令及動車狀態(tài)信號傳送給尾車，可實現尾車無人駕駛。尾車檢測動車狀態(tài)信號傳送給頭車，以便司機了解他車運行情況，確保列車工況一致。
3.2.2 頭尾2輛車監(jiān)控數據通信功能
頭尾2輛車實時檢測動車及柴油機的速度、檔位、方向、溫度、壓力等信號，通過網絡傳遞給智能顯示單元顯示，以便司機及時了解列車的運行信息，確保列車正常運行。
3.3 動車組重聯控制邏輯
3.3.1 操縱端控制
為了防止控制邏輯錯誤，首先必須確定操縱端。
在該網絡中，通過司機鑰匙來確定操縱端。司機鑰匙在“ON”位置的動車為操縱端，另一動車為尾車。若兩動車同時設置為操縱端，則顯示“操縱端設置錯誤”，兩車控制均處于無效狀態(tài)。
3.3.2 工況控制
頭車完成本車的所有控制功能，實時檢測工況、方向、司機控制器手柄等信號，并將相應的控制指令通過TCN網絡傳給尾車，同時將尾車的狀態(tài)通過指示燈顯示在司機臺上。尾車接受頭車指令，控制尾車相應的繼電器動作，檢測動作正確后，完成動車相應檔位加減載控制，否則不加載并提示尾車工況錯誤。
4 智能顯示單元
4.1 智能顯示單元的組成及軟件
智能顯示單元主要用于顯示連接到列車總線上的各子系統(tǒng)的狀態(tài)、列車基本運行數據、列車狀態(tài)信息和故障診斷信息。智能顯示單元由彩色液晶觸摸屏、PC104嵌入式模塊、網絡接口卡、顯示卡等組成，司機通過觸摸屏，可了解動車運行情況和查詢故障信息。
智能顯示單元的應用軟件采用北京昆侖通態(tài)公司的MCGS全中文工業(yè)自動化控制組態(tài)軟件編寫。軟件編寫時通過對MVB邏輯端口進行配置，并將MVB邏輯端口和MCGS軟件中的數據變量連接起來，通過編寫腳本程序進行不同量綱間的轉換和實現過程數據顯示功能。軟件在PC機上調試通過后，下載到智能顯示單元的CF卡上，然后在智能顯示單元的Win2dowsCE操作系統(tǒng)下運行。
4.2 智能顯示單元的主要功能
該智能顯示單元為司機及維護人員提供了良好的人機接口。具體功能如下：
?。?）實時顯示動車運行參數，如動車組運行速度、柴油機轉速、溫度、壓力、工況等；
（2）以不同顏色的指示燈顯示動車的故障信息，如柴油機超速、動車組超速、柴油機滑油壓力低、柴油機水溫高等，并進行相應故障處理，如報警、降功、卸載等；
?。?）日歷、時間顯示及校正；
?。?）查詢動車故障；
?。?）完成動車輪徑值修改。
5 結語
從內燃動車組TCN網絡控制系統(tǒng)運行情況看，該系統(tǒng)工作可靠，能滿足內燃動車組控制要求。但由于該控制系統(tǒng)的車輛控制單元采用C8051F040微處理器，其運算速度有限，存儲空間較小，不能存儲歷史故障數據。隨著計算機技術、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，采用帶有嵌入式系統(tǒng)的車輛控制單元并采用圖形化編程軟件，使所開發(fā)的TCN網絡達到國外同類產品的水平，從而開發(fā)出具有自主知識產權的列車控制與通信網絡產品，是將來研究中要解決的主要問題。