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摘要7 ^- z. L/ z) u! q8 c; z& Z5 C" t
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) J& ~ M# N" X4 h) j- u
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
7 i+ b5 f! d" [有着极其广阔的前景。$ f5 l( Q9 s6 E+ r! m
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& k; c, j. J. H' S d
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。; v6 |. G2 O9 N0 r: u8 L( t: U# f; ^
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
3 s* g5 p3 n* N2 q3 ~+ L5 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
5 u+ ]# v. N0 x/ U解决的问题。- h1 Y; {& g |
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
' O; J7 `: a3 P& {( \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
$ a3 f x/ ^9 m1 i. ]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! D8 e- \9 G9 `6 J p! ~: T* S
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、
3 i* Z4 R7 P" x7 k O u/ I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
# g s) a0 l* o/ z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，
% e# H( P1 S" ]3 G G9 n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
3 Q, z* C- F/ ^6 v7 v2 _0 _成的网卡最后通过了实验室测试。
5 H; d0 w1 v9 Y! N5 s) y$ d2 `1绪论
# X, ^. M( g" F& b5 i，．1列车通信网络简介( r. V7 s; L8 i2 {1 }* o
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3 p2 ]5 P2 U( c! Q2 d7 m, N5 B- i- h
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
4 b. j; w5 Q6 M G6 Q+ X! B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
7 [4 Q: g$ |6 t* i(TCN·TrainCommunicationNetwork)也就应运而生了。TCN是由国际电工委员会(mC). V& T# d2 I/ C: B- }0 }
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
3 x, |6 H: ^( c. B9 s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
6 x: j: d+ a0 e0 h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' X0 q- [5 J# n& U. p; X3 w
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( x4 X; G S4 f H7 X. M
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、
' v" x; ^. r6 U3 K* T3 V) W旅客安全以及维护工作12】。( u. p; z* a+ [. B8 `( {
1．2列车通信网络特点5 g; w4 H$ |3 f) M+ t0 y4 W+ g( {! Q
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 @% h2 h7 y4 D) B0 f6 Y6 e
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
) E$ t+ ?1 N9 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9 Q+ H, s. a' X6 j5 [
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; I1 H. K! t& G, m2 n" E
络具有以下特点【3】：# V& s% V5 _5 k2 ]9 {* ` _
(1)电磁干扰及震动十分严重；
5 S6 r X0 |3 h# |(2)实时性要求高；
+ T& Z6 `* C3 u' D" c; y6 b! W(3)车载网络设备的体积要小。
/ e) j. j4 ]+ X. q/ P5 ?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
4 | N* k5 v$ ^6 ]( C. z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)，即较低一5 s! l6 d2 s! R' g* o- @$ s8 v* b
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
* L) Y- S c5 Y) h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
& _/ A5 j% a6 T0 q9 f( o7 y1 d! I下，供应商应保证WTB与所建议的车辆总线兼容。
) l; w) Q4 c" }. w3 ^5 p1．3国内外列车通信网络发展情况/ V" M# c0 Y* H: r) k; p: V
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! u: w( T' i- W/ l! \4 \ b# K* 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% z; B0 d- y/ V) z9 n9 F
6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】。
9 |0 L$ G* ?; G/ i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
3 @7 L9 V! C" r& i, E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, L: H6 q9 Q( g7 o
方位的开发、调试、维护、管理软件工具。
; [2 R* z3 }: @" V6 Z' {! n3 W1992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$ ~: I! w2 ?. {5 }$ y& U
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' B6 l y# g3 i- q8 h
车辆总线，第4部分绞式列车总线。5 o: t$ G2 L. A+ S/ z3 G; z2 N7 ?
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
" Q$ X' N. U. V( }7 {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，6 |" Q U% S0 | e% F1 K
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 i: u- v0 s& V+ F" F* }, E/ B9 R3 ^
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
1 `, `4 K, e& V8 Q# E+ e) C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% P1 R; b9 }' P/ v" b
防氧化功能，数据发送的基本周期是25ms。3 l! l: p9 z, L. R+ ]7 m* a! i$ k
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" I# [. [/ s$ a" U8 O* f+ EInterlaken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
% R+ _! T) M. _的车辆编组成的运营试验列车进行了全面的TCN试验。
8 S& k# l# f9 c4 I( T* Y1998年11月，在中国湖南株洲召开IECTC9年会。1999年6月，TCN标准草案/ x8 c5 i7 ?/ F) t/ X7 A4 U
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
1 W/ j+ u) n& d& D: h% O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
+ P6 P% V4 x8 ]司，正推出符合TCN标准的铁道机车车辆产品【5l。
0 v6 X% J7 r& O& O4 r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
/ A8 f8 E9 R, o; h/ e/ Z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* I6 ]6 z0 } l5 e
第一套电力机车微机控制装置，安装于SS40038电力机车上。2 F3 G$ M- s+ w4 }2 k
90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" ^: L* x$ `0 n' z
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
4 T8 t' `$ ?# P( w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、
, a3 o- ]; h* @- M8 A( ~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
9 b+ D0 g* O# J" t8 F3 d: |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. r/ h* o4 E. F1 U* i
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, @4 N, [1 g' }1 |! a
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* ^( d: s( ]4 l3 u% G
RS485+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5 d% t6 m9 a2 s0 p4 t+ F" R
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
# w( g( m) O0 e3 G$ U r8 g0 K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
0 u A1 J, D# M( M# s' q# G# Z. P等对LonWorks、MVB、WTB进行了研究，购买了或准备购买LonWorks、MVB、WTB' P; L" A% q2 `* e7 ^
的开发工具。+ m0 R9 d5 `0 y3 G
1．4课题的提出及意义9 x3 L2 [( N* P2 w! s0 V2 h3 u
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
5 U) u) Z. n) d: p1 @" e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! ~, ~4 U2 w k6 z
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+ `; s% K% h2 @
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/ U* y8 O0 c2 c" ]( \+ I
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
3 i# b9 P" t( I: Z0 \$ e亟待解决的问题。
' `, }% j/ m3 U7 ?. t1．5本文的工作
* d4 m+ u# z& `( {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4 C2 t3 q$ L- b& j6 V4 N
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8 |$ `) [; ]: k
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。
$ m& K! _- M2 ]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$ _" \6 Z; G7 M: h# w
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8 p* N3 A8 t4 s4 x/ ]3 ]: D/ D
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
; T7 V u1 q$ d; X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5 J# a; T& K' G3 R6 a
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。, s2 o) ~0 n9 B! N' J
* r& z) ?/ d; d3 o D# c
附件下载： 8 @! @ g; K F. c) z
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发表于 2020-1-8 14:46
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