TCN机车网络控制试验平台

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技术领域\n本发明涉及铁路行业的基于TCN标准的电力机车网络控制，尤其涉及一种用于现场网络设备试验的TCN机车网络控制试验平台。\n背景技术\n在我国，电力机车一直采用集中式控制方式，即现场所有信号的采集与控制都需要通过硬线连接到集中控制计算机上，由于导线数量极多，接点处发生故障的几率很大，因此系统的可靠性很低，故障率高，维修难度很大。随着国外先进的TCN网络控制技术高速发展，我国的电力机车也开始陆续采用TCN技术。\nIEC61375-1《列车通信网络》(简称TCN标准)是一项国际标准，也是我国铁路行业标准。TCN标准是为铁路机车车辆这一特殊应用领域设计的现场总线标准，从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂、不同厂商的设备能够互联。TCN标准定义了MVB(多功能列车总线)和WTB(绞线式列车总线)两种总线形式。TCN标准只是规定了网络数据传输方式，如何构建整个TCN网络控制系统的试验平台，对于铁路机车行业的现代化具有重要的创新意义。与传统的控制方式相比，采用TCN网络控制有以下特点：\n表1 TCN的主要特点\n\n\n目前我国机车行业采用的TCN产品都是国外的标准件，关键设备一直依赖进口，虽然有自主研发的相关产品，但都只是简单的替换和代用，没有形成应用于机车行业的TCN网络控制试验平台。所以TCN机车网络控制试验平台的研制成功，标志着全部TCN试验平台技术已经攻克，填补了国内这一领域的空白，使我国的TCN机车网络控制试验平台技术上了一个新台阶。\n发明内容\n本发明的目的是提供一种新型的TCN机车网络控制试验平台，主要测试被试验的机车网络控制系统是否完成以下两个方面的功能：一方面是既实现MVB过程数据、消息数据、监视数据和网络管理功能，也实现WTB初运行、链路层管理、过程数据、消息数据等功能；另一方面是完成机车中央控制功能、显示故障诊断功能、故障保护功能和两节车重联控制功能。\n本发明的技术解决方案是这样实现的：一种基于TCN的机车网络控制试验平台，其特征在于包括WTB板卡、MVB板卡、CPU板卡、电源板卡和背板，所述的WTB板卡、MVB板卡和CPU板卡都是通过背板上的背板总线相连接，而电源板卡为WTB板卡、MVB板卡和CPU板卡提供工作电压；所述的WTB板卡负责列车总线设备的数据采集和传输；所述的MVB板卡负责车辆总线设备的数据采集和控制；所述的CPU板卡负责列车总线和车辆总线设备数据的中央处理以及生成ETHERNET、RS232和RS485监控数据流。\n所述的WTB总线板卡包括WTB共享RAM、MCU微控制器、HDLC控制器、FPGA逻辑处理器、WTB总线驱动器和WTB隔离变压器，所述的设备数据流从背板总线经过WTB共享RAM，传送到MCU微控制器中，再通过HDLC控制器和FPGA逻辑处理器件的信号编码调制，经过WTB总线驱动器和WTB隔离变压器传送到列车总线上去；所述WTB总线板卡还可以接收列车总线上的传输数据，经过处理后回传到背板的背板总线上。\n所述的MVB总线板卡包括MVB共享RAM、MVB协议控制器、MVB总线驱动器和MVB隔离变压器，所述的设备数据流从背板总线经MVB协议控制器允许，传入MVB共享RAM，然后读入MVB协议控制器中，再通过MVB总线驱动器和MVB隔离变压器的信号隔离调整，传送到车辆总线上去；所述MVB总线板卡还可以接收车辆总线上的传输数据，经过处理后回传到背板的背板总线上。\n所述的CPU总线板卡包括中央处理器、以太网协议控制器、RS232协议控制器和RS485协议控制器，所述的中央处理器分别传送列车总线和车辆总线数据流，经过背板的背板总线传入WTB总线板卡和MVB总线板卡，同时中央处理器将采集的数据信息生成用于列车车辆诊断分析的数据流，从以太网、RS232和RS485接口输出。\n所述的MCU微控制器将以查询方式读取共享RAM的WTB过程数据、消息数据或监视数据，传送到HDLC控制器中组成HDLC帧格式数据流，或者将来自HDLC控制器的数据流解析为标准数据，写入共享RAM。\n所述的HDLC控制器将MCU微控制器传来的信号转化为HDLC数据流送入FPGA逻辑处理器形成曼彻斯特编码信号，或者将来自FPGA逻辑处理器的曼彻斯特编码信号转化为HDLC数据流。\n所述的FPGA逻辑处理器是WTB总线信号的编解码器，将来自HDLC控制器的信号流转化为曼彻斯特码信号，送入WTB总线驱动器，或者将来自WTB总线驱动器的曼彻斯特码信号，转化为HDLC数据流传送到HDLC控制器。\n所述的WTB总线驱动器和WTB隔离变压器是WTB外电路信号经过磁隔离送入WTB总线驱动器或将WTB总线驱动器的信号经高频变压器送入WTB网络。\n所述的MVB协议控制器以查询方式读取共享RAM的MVB过程数据、消息数据或监视数据，转化为曼彻斯特码信号，传入MVB总线驱动器中组成标准电气信号，或者将来自MVB总线驱动器的曼彻斯特码信号，解析为标准信号数据，写入共享RAM。\n所述的MVB总线驱动器将来自MVB协议控制器的曼彻斯特信号转化为标准的差分信号，传到MVB网络，或者将来自MVB网络的差分信号转化为MVB协议控制器可识别的曼彻斯特信号。\n所述的背板总线结构将各种板卡组合成一个整体设备，电源板卡采用模块化设计提供整个试验平台的供电。\n本系统是将一种基于IEC61375-1和EN50155标准的TCN网络试验技术应用到铁路机车控制领域，具有设计新颖、高可靠性、高灵活性和成本低廉的特点，在机车车辆领域有广泛的应用前景。\n附图说明\n图1为本发明的结构框图；\n图2为本发明的CPU板卡结构框图；\n图3为本发明的WTB总线板卡结构框图；\n图4为本发明的MVB总线板卡的结构框图；\n图5为本发明CPU板卡中ARM及其外围电路接口电路图；\n图6为本发明的WTB总线板卡中MCU微控制器和HDLC控制器的电路连接图；\n图7为本发明的WTB总线板卡中FPGA逻辑处理器的电路连接图；\n图8为本发明的MVB总线板卡中MVB协议控制器的电路连接图；\n图9为TCN机车网络控制试验平台拓扑结构图；\n图1为本发明的说明书摘要附图。\n图中：1、WTB总线板卡，2、MVB总线板卡，3、CPU板卡，4、电源板卡，5、背板，6、中央处理器，7、以太网协议控制器，8、RS232协议控制器，9、RS485协议控制器，10、WTB共享RAM，11、MCU微控制器，12、HDLC控制器，13、FPGA逻辑处理器，14、WTB总线驱动器，15、WTB隔离变压器，16、MVB共享RAM，17、MVB协议控制器，18、MVB总线驱动器，19、MVB隔离变压器。\n具体实施方式\n如图1～9所示，一种基于TCN的机车网络控制试验平台，其特征在于包括WTB总线板卡1、MVB总线板卡2、CPU板卡3、电源板卡4和背板5，所述的WTB总线板卡1、MVB总线板卡2和CPU板卡3通过背板5上的背板总线相连接；所述的电源板卡4安装在背板5上对WTB总线板卡1、MVB总线板卡2和CPU板卡3进行统一供电；所述的WTB总线板卡1负责采集和控制WTB总线上设备的数据流；所述的MVB总线板卡2负责采集和控制MVB总线上设备的数据流；所述的CPU板卡1负责WTB总线和MVB总线设备数据的中央处理以及生成ETHERNET、RS232和RS485监控数据流。\nWTB总线板卡1包括WTB共享RAM 10、MCU微控制器11、HDLC控制器12、FPGA逻辑处理器13、WTB总线驱动器14和WTB隔离变压器15。所述的设备数据通过背板5的背板总线和WTB共享RAM 10传入MCU微控制器11中，再通过HDLC控制器12和FPGA逻辑处理器件13的信号编码调制，经过WTB总线驱动器14和WTB隔离变压器15传送到列车总线上去；所述WTB总线板卡还可以接收列车总线上的传输数据，经过处理后回传到背板5的背板总线上。WTB隔离变压器15为高频隔离变压器，它的隔离电压达1500Vrms，EMC满足IEC61000-4标准。\nMVB总线板卡2包括MVB共享RAM 16、MVB协议控制器17、MVB总线驱动器18和MVB隔离变压器19。所述的设备数据流从背板5的背板总线经MVB协议控制器17允许，传入MVB共享RAM 16，然后读入MVB协议控制器17中，再通过MVB总线驱动器18和MVB隔离变压器19的信号隔离调整，传送到车辆总线上去；所述MVB总线板卡还可以接收车辆总线上的传输数据，经过处理后回传到背板5的背板总线上。MVB隔离变压器19为高频隔离变压器，它的隔离电压达1500Vrms，EMC满足IEC61000-4标准。\nCPU板卡3包括中央处理器6、以太网协议控制器7、RS232协议控制器8和RS485协议控制器9。所述的中央处理器6分别传送列车总线和车辆总线数据流，经过背板5的背板总线传入WTB总线板卡1和MVB总线板卡2，同时中央处理器6将采集的数据信息生成用于列车车辆诊断分析的数据流，分别经过以太网控制器7、RS232控制器8和RS485控制器9对外输出。另外，中央处理器6还负责提供工作电源和实时时钟。\n其中WTB总线板卡2为列车总线板卡，MVB总线板卡3为车辆总线板卡；MCU微控制器11为Z8S180、HDLC控制器为Z85230、WTB隔离变压器15为VAC-X123、MVB协议控制器17为MVBC01、MVB总线驱动器18为LCT1485、MVB隔离变压器19为VAC-X123；中央处理器6为ARM(NET-ARM)主控制器是整个系统的核心部分，它由两部分组成：即硬件和软件。硬件的作用主要是负责列车总线和车辆总线数据的中央处理及两种总线数据流的交换，以及以太网、RS485和RS232数据流的生成，同时还要负责提供工作电源和实时时钟等，软件则完成网络协议栈功能和机车控制功能。MCU微控制器11是WTB网络的核心器件，它负责将WTB共享RAM 10中要传输的过程数据、消息数据和监视数据转化成WTB网络协议所规定的数据流送到HDLC控制器12，或者将HDLC控制器12送来的串行信号解析成标准数据并将其存入WTB共享RAM10，随之引发中断请求信号，以供中央处理器6读取。每个板卡与板卡之间的连接为背板总线，该背板总线遵循了标准的VME总线，背板总线插座是将上述板卡连接起来的物理结构，它将板卡间的信号安照特殊的要求进行走线和电平匹配，同时提供了整个TCN网络控制试验平台的110V的外电源供电接口。所述的背板设计是根据机车现场电气环境的特点设计的，背板总线信号均为5V系统，具有高的可靠性、良好灵活性能和可扩展性能；电源板卡4采用的是模块化设计的方法，使用的核心电源模块为日本COSEL公司生产电源模块芯片，目的是将+110V电压转换为+5V电源，供给机箱内板卡使用，是一个十分稳定的电源。\n如图9所示，是由上述三块板卡所构建的平台，与机车相对应来说，它是两节重联的机车，两节机车通过WTB总线连接在一起，每节机车包含三块板卡，MVB总线板卡采集各自机车的信息，WTB总线板卡将本机车的信息发送到其他机车，同时接收其他机车的信息。如果需要更多的机车重联，那么每个机车内就需要一套这样的设备。系统构架图如图所示，TCN机车网络控制试验平台清晰可见：由WTB总线板卡、MVB总线板卡以及CPU板卡组成TCN网络的中央控制单元，MVB一类板卡以及底层的DX、AX等板卡组成TCN网络的采集执行单元。此外，TCN网络还包括智能显示单元(IDU)等。每个MVB总线板卡和一块MVB一类板卡、IDU连接起来，所有的WTB总线板卡均连通在一起。两节机车的拓扑结构，最底层板卡为数字量和模拟量板卡，它将数据交给MVB一类板卡，生成MVB数据格式报文，然后由MVB总线板卡、CPU板卡和WTB总线板卡传送到WTB总线上的其他机车。同时反过来也是将其他机车的数据发送到最底层的板卡。整个系统的数据流如上所述。当然，根据机车的要求还可以带很多其他设备，比如制动单元、压缩机单元等。