高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析

1、時間：2021年x月x日 書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟 頁碼：第1頁共5頁高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析CR400AF系中國標(biāo)準(zhǔn)動車組，2017年投入運營，運營時速 350公里， 采用動力分散方式（4拖4動），電機功率較CRH系列J提升。CR400AF勺網(wǎng)絡(luò)控 制系統(tǒng)是CRH1/3/5、CRH380B/LK列車型的改進設(shè)計，其網(wǎng)絡(luò)可靠性已經(jīng)經(jīng)受住 十幾年的運營考驗，且 TCN網(wǎng)絡(luò)是世界上列車使用最廣泛的，已經(jīng)研究使用逾 二十年。CR400AFR絡(luò)控制系統(tǒng)采用 TCN+a太環(huán)網(wǎng)（ETB , TCN （IEC61375-1標(biāo) 準(zhǔn)）分為列車級網(wǎng)絡(luò)和車輛級網(wǎng)絡(luò)。列車級網(wǎng)絡(luò)為WTB,傳輸距離遠；車輛級嘿W

2、- 飛V!|網(wǎng)絡(luò)為MVB,總線支持點數(shù)多，是整個列車網(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，但絕對可靠性不高，適合用于事件記錄、故障傳輸、運營 % | 動態(tài)傳送等功能。1CR400AFW絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1列車級網(wǎng)絡(luò)。TCN列車級網(wǎng)絡(luò)為 WTB。WTB總線傳輸距離遠，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，因此其適合用于 列車級網(wǎng)絡(luò)，而車輛級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量大，不適合采用。CR400AF勺WTB拓撲結(jié)構(gòu)為總線型，如圖1所示。TC01 TC08車各兩個網(wǎng)關(guān)，互為冗余。每個網(wǎng)關(guān)含 4 , ij .一：=_.、個DB9端口，DB9端口之間采用屏蔽雙絞線連接，

3、DB9僅使用針腳1、2。各個 網(wǎng)關(guān)指定其中兩個DB9端口相鄰連接形成A線，另外兩個DB9端口相鄰連接形 成B線，A、B兩線互為冗余。列車端部留有端口用于列車聯(lián)掛。1.2車輛級網(wǎng)絡(luò)。TCN車輛級網(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,但光第1頁共5頁時間：2021年X月X日書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟頁碼：第2頁共5頁纖需點對點連接。由于MVB最多支持4095個設(shè)備，其中256個可參與消息傳送

4、， 因此車輛級網(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)備距離較遠也需采用中繼器。CR400AF勺整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分為兩個網(wǎng)絡(luò) 單元，每個網(wǎng)關(guān)（非冗余）對應(yīng)一個網(wǎng)絡(luò)單元，每個單元 4節(jié)車廂。兩個網(wǎng)絡(luò)單 元整體為一個MVB網(wǎng)絡(luò)，其拓撲結(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MVB設(shè)備兩個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

5、），另一端連接終端電阻。車廂之間和車廂內(nèi)距離較遠的設(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，整列車頭車各兩個 CCU（冗余），列車運行時，整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)根據(jù)列車運行方向僅有一臺CCU為MVB主設(shè)備，CCU通過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 車設(shè)備信息傳輸，TC01 TC08車各兩個骨干交換機（冗余），非頭車各一個編組 網(wǎng)交換機，其拓撲結(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,列車端部骨干交換機留端口用于聯(lián)掛。以太環(huán)網(wǎng)物理層為 =! 一 VM12端口，采用5e類四芯絞線連接

6、。網(wǎng)關(guān)、CCU TCU BCU等裝置通過M12 接口與各車以太網(wǎng)交換機采用點對點連接， 骨干以太網(wǎng)交換機再與無線傳輸裝置（WTD）連接，將列車狀態(tài)信息、故障記錄事件等傳送至各單位。以太網(wǎng)采用 TCP/IPW、議，整個網(wǎng)絡(luò)為100BaseT以太網(wǎng)。2網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實現(xiàn)第2頁共5頁編號:時間：2021年X月X日 書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟頁碼：第3頁共5頁2.1WTB總線。列車級網(wǎng)絡(luò) WTB總線的應(yīng)用相對簡單，設(shè)備數(shù)量少， 僅頭車各兩個網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的作用是實現(xiàn) WTB協(xié)議轉(zhuǎn)換為MVB協(xié)議，將兩個網(wǎng)絡(luò) 單元信息聯(lián)通。網(wǎng)關(guān)以 Duagon公司D521為例說明，D521含4個 WTB級DB9 端口，2個

7、MVB級端口，一個以太網(wǎng) RJ45端口。D521內(nèi)部包含32位ARM級 CPU,通過FPGA實現(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)議報文有三種：過程數(shù)據(jù)報文、消息數(shù)據(jù)報文、監(jiān)督 數(shù)據(jù)報文。2.2MVB總線實現(xiàn)。車輛級網(wǎng)絡(luò)MVB涉及每一個參與網(wǎng)絡(luò)控制的設(shè)備， 每一臺設(shè)備通過 MVB網(wǎng)卡連接到MVB總線上，因此設(shè)備需內(nèi)嵌板卡實現(xiàn) MVB 協(xié)議。列車上每一臺設(shè)備都屬于一個嵌入式系統(tǒng)，如 CCU TCU BCU等，可以 通過嵌入式系統(tǒng)的CPU或單板系統(tǒng)的MCU與MVB板卡進行通信。MVB板卡種 類多，供應(yīng)商有西門子、龐巴迪、EKE Duagon等，比

8、如龐巴迪MVBC協(xié)議控制 芯片（MVBC01/02）,本文以Duagon公司的D113為例說明。D113支持實現(xiàn)MVB 的4類設(shè)備，可以完成過程數(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CPU和FPGA共同實現(xiàn)MVB協(xié)議。D113有2個DB9接口用于連接至 MVB總線，D113通過PC/104接口與宿主CPU進行通信和設(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。=! 一 li VJ1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 號線：地址線（20/24位）、數(shù)據(jù)線（8/16位）、

9、控制線（片選/鎖存/讀寫/復(fù)位）、 中斷線（16個中斷源）、時鐘線。時鐘信號由板卡內(nèi)部32位CPU提供，宿主CPU 無需提供。本文以 ARM9系統(tǒng)Atmel公司的32位AT91sAM926秋宿主CPU （用 于列車CCU TCU BCU等設(shè)備），如圖4所示，通過3.3-5V電平轉(zhuǎn)換器與PC/104第3頁共5頁時間：2021年X月X日 書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟 頁碼：第4頁共5頁接口連接。EBI0_NRDEBI0_NWRffl于控制讀寫存儲器和 IO,EBI0_NCS0EBI0_NCS1 用于片選16位存儲器和16位IO,并且二者有一個彳S號有效便使高 8位和地址 鎖存信號有效(與門)。M

10、VB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 MVB網(wǎng)絡(luò)內(nèi)只能有一個主設(shè)備， 但主設(shè)備的身份可以更換。MVB總線協(xié)議報文有16種：過程數(shù)據(jù)請求、主設(shè)備 權(quán)更迭、消息數(shù)據(jù)請求、常規(guī)事件請求等。3結(jié)語CR400AF動車組正值蓬勃發(fā)展窗口期，其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在后續(xù)的設(shè)計 生產(chǎn)中仍有改進的空間，分析其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、傳輸協(xié)議、設(shè)備內(nèi)部原理以及供 應(yīng)商鏈對掌握其利弊和后續(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。事 !| 參考文獻：1黃秀川，何成才.動車組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)M.成都：西南交通大學(xué)出版社， 2018.2李洋濤.TCN列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展J.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2012, 12 (1): 4-7.=! 一 I V3李劍，曾文海，朱紅濤.基于ARM嵌入式系統(tǒng)的PC/104總線設(shè)計J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007, 30 (24)