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摘要
$ L, i. U+ Y( v" n目前列车朝高速化、自动化方向发展已经成为必然的趋势，列车通信网络(TCN)
7 l" u' ^. H0 B( J2 j已经成为高速电力列车上控制系统的关键技术，开发符合国际标准的列车通信网络设备
6 {! `, l; `: A% C% M有着极其广阔的前景。
6 W$ K4 S3 T* D* H9 O7 a2 ~列车通信网络分为绞线式列车总线(、聊m)和多功能车辆总线(MVB)两层总线! g1 C* O/ x% G2 ` G
体系结构，多功能车辆总线作为IEC61375的推荐标准越来越多的应用于机车车辆中。
" R9 Y+ T: A# o4 m9 B; h9 @7 @当设备与MVB总线通信时必须通过专用的MVB网卡来实现，而列车中由于种种原因
* }) d c$ q- |: F% \4 p* d仍存在较多的基于RS485总线通信的设备，如何实现这两种设备间的通信成为一个亟待1 t1 B1 a6 F* T, B' \$ V
解决的问题。, p6 W# I4 ~/ Z d; ?
论文首先对多功能车辆总线和RS485总线进行了深入的研究，分析二者通信的各自# ^$ ]1 o, h; [/ R& B" \4 Y* [
特点，而后给出了基于FPGA和AT89S52单片机平台的数据传输方案。FPGA负责与多: d# W8 K. I' w3 ~3 T w5 a+ o
功能车辆总线的通信，单片机负责RS485总线上的通信，二者通过数据线地址线连接实
4 b7 \6 ^% |2 S( A* O' k现数据的传输与控制。FPGA实现MVB控制器功能，分为曼彻斯特编码器、解码器、
! G3 n5 p7 Q9 P, S" V' D缓冲区、中央控制单元、内部存储器和单片机接口等几部分。本文定义了七个关键字用
' @. Z ~% x, d9 Q' M: K; Y' t3 g于单片机访问MVB控制器，使用者可根据RS485总线上传输的不同协议对单片机编程，$ p" k2 E$ D. L2 g( A; u6 ]
实现两种异构总线上的数据传输。本文经原理图设计到PCB制板调试，形成实物。完2 m2 w$ X2 g% u* _9 `# f# Q
成的网卡最后通过了实验室测试。
3 B; \2 \+ J1 C1绪论$ D; W2 J7 L) A" W6 S( K( |: S* M
，．1列车通信网络简介
, M" F+ D- N- }% p& A列车上存在大量的设备控制和旅客服务信息，随着这些信息的数量和种类的不断增
- o4 C0 K6 P# r- j, t3 s$ M长，迫切需要一种大容量、高速度的信息传输系统Ⅲ。在这种背景下，随着车载微机进6 ^& X2 Q3 k1 D7 H
一步向高级阶段发展，集整列列车内部测控任务和信息处理任务为一体的列车通信网4 U1 b2 V0 r3 b. S. z" _
(TCN·TrainCommunicationNetwork)也就应运而生了。TCN是由国际电工委员会(mC)$ Y$ h% X) s- M
和国际铁路联盟(UIC)为铁路车辆之间和车辆内互相联接的可编程设备制定的一项标
* z/ ?# P U% I1 u) D. H7 O# U* n$ k准。其目的是有利于铁路运输部门、装配厂和设备供应商实现世界范围的车辆间的相互; O+ C% h: r1 @! M# V: m+ D' A
操作和插入式设备的联接。TCN把安装于铁路车厢上的各种可编程设备互连在一起，它& b6 ~2 l& m+ e1 ?3 p! m4 D2 S
由连接～个车厢内各种设备的车辆总线(MVB．Multifunction Vehicle Bus)和连接一列" H1 d) Y) _. w& m4 `
列车内各车厢总线的列车总线(WTB．Wire Train Bus)组成。该车载网支持遥控驾驶、* S/ Z& j6 j* K# h6 ?" F
旅客安全以及维护工作12】。
, _! v* a3 ~" L& p! D! C5 `1．2列车通信网络特点
6 R8 w6 b, F1 U# h6 Z' F2 v" p列车通信网络属于局域网，但又与通用的局域网有所不同，使用总线型拓扑结构。1 y6 z7 x! Q- _. h6 u# G
一般的地面局域网长度可达十几公里，面按照国际铁路联盟22个车厢构成的列车组织
5 Y( d$ P) ~. T* I介质，连接电缆延伸仅有850m，其中包括所有的干线电缆、扩展电缆和耦合电缆，这8 r& c+ g6 e; B' @; W; o* y) H
与22节每节26m的车厢组织是对应的。另外，与一般的地面局域网相比，列车通信网; U) e& y3 r3 Z! v: V
络具有以下特点【3】：
5 E9 \' ~: @2 o- x$ {) h(1)电磁干扰及震动十分严重；
/ R% y4 q: p: w(2)实时性要求高；3 v' J' ?. _0 _: d( J! G0 z
(3)车载网络设备的体积要小。/ `/ i# Q6 [' G$ D2 X' L7 i
由于节点数目不多，且整个列车长度不足一公里，列车通信网络比较适合建成两级
) w2 _/ @( C( h结构：连接列车或车厢内部各终端设备(计算机、各传感器和执行机构等)，即较低一
6 C! J( i( K1 h, c级的多功能车辆总线(MVB)；连接列车和中间车厢各网络节点，即较高一级的列车总
; |. t5 }* @/ }线(WTS)。车辆内部的数据通信总线(MVB)作为该TCN的推荐方案。在任何情况
: L! \3 Y, x2 T1 N! i) R0 v- m下，供应商应保证WTB与所建议的车辆总线兼容。
I( c7 L/ F7 @0 S1．3国内外列车通信网络发展情况4 y: k$ `# D7 h- P& n
70年代末至80年代初，车载微机的雏形分别在西门子公司和BBC公司出现。开始
) ]1 L, O8 C+ A4 r仅仅是用于传动装置的控制，随着控制、服务对象的增多，人们把铁路系统依次划分为
" }9 u8 g+ @0 }0 D3 f" _, F0 F, N6个层次：公司管理、铁路运营、列车控制、机车车辆控制、传动控制和过程驱动14】。3 d- l' z& [ o
于是列车通信网络在初期的串行通信总线的基础上应运而生，并从原来不同公司的企业. S0 d2 T3 i$ u% S+ H$ _0 g
标准推向国际标准，逐步形成了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列和全3 N- k9 H! f. D! j6 L6 Y" Z1 d$ W
方位的开发、调试、维护、管理软件工具。
7 [8 J! x' c* S6 n; A) p1992年6月，TC9WG22以委员会草案的形式向各国发出列车通信网TCN的征求
& M3 [. ~' l. `+ X y意见稿。该稿分成4个部分：第1部分总体结构，第2部分实时协议，第3部分多功能" R7 K5 ` m5 e$ Q7 M" [9 e
车辆总线，第4部分绞式列车总线。
& N3 J- V* O5 J# x2 p- j' I! t: u总体结构把列车通信网络规定为由多功能车辆总线MVB和绞式列车总线wTB组
7 h/ l! I M1 x/ ]5 N$ w `2 V成。MVB的传输介质可以是双绞线，也可以是光纤。在后一种场合，其跨距为2000m，" D% P4 p2 b0 k' r. K- Q7 ~
最多可连接256个智能总线站。总线上传输的数据划分为过程数据、消息数据和监管数% L0 N' W$ i+ X
据。协议对过程数据的传输作了优化，发送的基本周期是lms或2ms。WTB的传输介! N1 h( X3 S: C; n* X
质为双绞线，最多可连接32个节点，总线跨距860m。WTB具有列车初运行和接触处4 C, u& c+ F8 ^6 a
防氧化功能，数据发送的基本周期是25ms。
; [) B) x2 T4 ~; w0 Z( ]1994年5月至1995年9月，欧洲铁路研究所(ERRI)耗资300万美元，在瑞士的% i; T* Y- K9 ^! M5 K' s* d3 A
Interlaken至荷兰的阿姆斯特丹的区段，对由瑞士ABB、德国DB、意大利FS、荷兰NS
E; Q/ _0 O- M$ {! l9 M$ n) b的车辆编组成的运营试验列车进行了全面的TCN试验。
2 P. W f0 u" ~( r0 C. l1998年11月，在中国湖南株洲召开IECTC9年会。1999年6月，TCN标准草案0 b! {% J/ _! p
61375-l正式成为国际标准。在61375-1中，除了以上4个部分外，还有第5部分列车
) b& ^/ A' S# o/ l" p网络管理，附录A列车通信网导引，附录B一致性测试导则。国际上一些大的铁路公
* x) k7 Q3 E* U, }2 f. r司，正推出符合TCN标准的铁道机车车辆产品【5l。; |4 B/ O5 d8 \0 R8 R6 Y' [
我国列车通信网络的发展可以追溯到1991年，株洲电力机车研究所在购买ABB公9 ]5 x4 H W1 N5 M, P* H
司的牵引控制系统开发工具特别是软件开发工具的基础上，联合路内高校开发出了我国
, V- [* X& ~9 U# F2 w+ K第一套电力机车微机控制装置，安装于SS40038电力机车上。
- y \" u1 F, w o! l. h. J% h90年代中期，随着动车组在我国升温，对列车通信网络特别是机车的重联控制通信9 H# C b1 d6 {) W7 \
的需求十分迫切。一方面，铁道部开展了列车通信网络研究课题，另一方面路内外许多
, a! z, S' ~, m+ h) P n6 z8 `单位也先后自发地开展了自主开发、联合开发或技术引进工作。这些工作主要在局域网、
1 ?0 Y* L: ?$ G; r) E现场总线、TCN、通信介质、基于RS485的通信协议等领域展开。如：上海铁道大学与
% {+ V0 `% U* `0 k! N. }2 x株洲电力机车研究所合作开发的基于ARCNET的列车总线和基于HDLC的车辆总线的
3 U, I2 S( X x1 A: b5 ]列车通信网络的研究；上海铁道大学用CAN作为连接司机台和列车控制单元的局部总
- n' l' Q6 Y! u线的研究；国防科技大学用CAN作为磁悬浮列车的列车总线的研究；西南交通大学用
% l# k6 Y+ Z. P$ {* MRS485+协议作为摆式列车倾摆控制总线的研究；北方交通大学对通信介质及其转换的研! W. J* b6 A4 Z5 p. |
究；大同机车厂对列车通信网结构及其协议的研究和对BITBUS的研究；四方机车车辆
4 J5 F2 ^( G) q6 Q9 q1 ]* S$ j研究所、铁道科学研究院、西南交通大学、武进市剑湖铁路客车配件厂、武汉正远公司) R- Q# u- R2 J: S% u4 [; E
等对LonWorks、MVB、WTB进行了研究，购买了或准备购买LonWorks、MVB、WTB
( G. z2 o$ ?. d的开发工具。
7 q5 T. w' E( X* i7 V, D3 G) l1．4课题的提出及意义
8 Z; u; K0 [7 x我国列车已经历了五次提速，第六次大提速将于2007年4月全面实施。随着列车
6 h. a3 o+ U; k5 \行驶速度的不断提高对列车通信提出了更高的要求，我国列车通信网络也逐步向国际标% r# X: `& s' S6 T' d: p; F) L
准靠近，使用IEC 61375．1标准中规定的MVB车辆总线进行通信。当前列车网络中用
m0 i7 U' B, W [+ K& @' N于通信的总线有多种，在一些机车上由于种种原因仍然存在较多的基于RS485总线进行( I* g$ x- T, r7 X& I; z
通信的设备，如何将这些设备挂接到MVB总线上实现这两种总线之间的通信成为一个+ ]: S2 e$ R+ A& n
亟待解决的问题。. g$ R7 v$ ?) P- A( M
1．5本文的工作- S) Z. V8 D, J3 W
本文通过对MVB和RS485总线进行了深入的研究，给出了基于FPGA和单片机平
- _% \# E8 w' R* V4 d$ y台的数据转换方案，并进行了硬件原理图和PCB的设计，采用VHDL语言和c语言分
( D" }- p6 y+ h: K+ L, a# @别对FPGA和单片机编程， 最终实现MVB总线与RS485总线之间的数据通信。
5 J5 Y2 p- n9 Y4 w X3 z论文第l章介绍课题研究的背景及意义；第2章对MVB总线和RS485总线进行了; r2 g( F5 m( s
较深入的研究，分析了两种总线的特点；第3章给出了网卡的硬件实现方案，将网卡按
% j* v) n/ F3 E' v9 a+ Y2 C3 I功能划分为5个模块，并进行电路原理图和PCB的设计；第4章介绍MVB控制器的具# ~9 ]/ H/ `# V6 t5 L( `! D' j+ D$ D
体设计实现；第5章介绍单片机访问MVB控制器的关键字，并对其用c函数的形式进" J/ Q+ z7 D% w J" k5 Y' w
行封装，对网卡功能进行测试。最后给出结论，并对后续工作进行了展望。8 C' w R; O4 ]. d8 k; V7 S
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附件下载： 9 M- H( s) |; J- L* m; U4 N& }' E
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发表于 2020-1-8 14:46
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