高速动车组网络控制系统分析

1、高速动车组网络控制系统分析CR400AF系中国标准动车组，2017年投入运营，运营时速350公里， 采用动力分散方式（4拖4动），电机功率较CRH系列提升。CR400AF的网络控 制系统是CRH1/3/5. CRH380B/L系列车型的改进设计，其网络可靠性已经经受住 十几年的运营考验，且TCN网络是世界上列车使用最广泛的，已经研究使用逾 二十年。CR400AF网络控制系统采用TCN+以太环网（ETB），TCN（IEC61375-1标 准）分为列车级网络和车辆级网络。列车级网络为WTB，传输距离远；车辆级 网络为MVB，总线支持点数多，是整个列车网络控制系统的核心。以太环网吞 吐量大，传输速度快，但绝对可靠性不高，适合用于事件记录、故障传输、运营 动态传送等功能。1CR400AF网络控制系统结构1.1列车级网络。TCN列车级网络为WTB。WTB总线传输距离远，860m 距离上允许1Mbit/s的传输速度，但其最多允许32总线节点，因此其适合用于 列车级网络，而车辆级网络设备数量大，不适合采用。CR400AF的WTB拓扑结 构为总线型，如图1所示。TC01、TC08车各两个网关，互为冗余

2、。每个网关含4 个DB9端口，DB9端口之间采用屏蔽双绞线连接，DB9仅使用针脚1、2。各个 网关指定其中两个DB9端口相邻连接形成A线，另外两个DB9端口相邻连接形 成B线，A、B两线互为冗余。列车端部留有端口用于列车联挂。1.2车辆级网络。 TCN车辆级网络为MVB。MVB总线传输周期小于1ms，传输速率1.5Mbit/s，可 采用三种物理传输介质：电短距离ESD（RS-485收发器）、电中距离EMD （屏蔽 双绞线）、光纤。ESD距离最大20m，EMD距离最大200m，光纤2000m，但光 纤需点对点连接。由于MVB最多支持4095个设备，其中256个可参与消息传送， 因此车辆级网络适合选用MVB总线，且距离上适合选用EMD介质。由于MVB 采用EMD介质每段总线最多支持32个设备，因此需要中继器将各网段联接，且 部分设备距离较远也需采用中继器。CR400AF的整个网络控制系统分为两个网络 单元，每个网关（非冗余）对应一个网络单元，每个单元4节车厢。两个网络单 元整体为一个MVB网络，其拓扑结构为总线型，如图2所示。MVB总线物理层 为DB9端口，采用屏蔽双绞线连接，使用针脚1、

3、2、4、5连接两根双绞线，互 为冗余。每个MVB设备两个DB9端口分别与总线上相邻设备连接形成总线，总 线端部一端连接网关（物理上网关连接于中继器，中继器留端口用于联挂），另 一端连接终端电阻。车厢之间和车厢内距离较远的设备采用中继器连接。MVB 网络内的业务核心为CCU，也是MVB网络内的主设备，整列车头车各两个CCU （冗余），列车运行时，整个网络内根据列车运行方向仅有一台CCU为MVB主 设备，CCU通过MVB网卡连接于总线网络。1.3以太环网。以太环网用于部分列 车设备信息传输，TC01、TC08车各两个骨干交换机（冗余），非头车各一个编组 网交换机，其拓扑结构为环形，如图3所示。上行环路01-02-04-06-08，下行环 路08-07-05-03-01，列车端部骨干交换机留端口用于联挂。以太环网物理层为 M12端口，采用5e类四芯绞线连接。网关、CCU、TCU、BCU等装置通过M12 接口与各车以太网交换机采用点对点连接，骨干以太网交换机再与无线传输装置（WTD）连接，将列车状态信息、故障记录事件等传送至各单位。以太网采用 TCP/IP协议，整个网络为100BaseT以太网

4、。2网络控制系统实现2.1WTB总线。列车级网络WTB总线的应用相对简单，设备数量少， 仅头车各两个网关，网关的作用是实现WTB协议转换为MVB协议，将两个网络 单元信息联通。网关以Duagon公司D521为例说明，D521含4个WTB级DB9 端口，2个MVB级端口，一个以太网RJ45端口。D521内部包含32位ARM级 CPU，通过FPGA实现WTB至MVB协议转换。WTB总线协议符合HDLC标准， 采用曼彻斯特编码传输，协议报文有三种：过程数据报文、消息数据报文、监督 数据报文2.2MVB总线实现。车辆级网络MVB涉及每一个参与网络控制的设备， 每一台设备通过MVB网卡连接到MVB总线上，因此设备需内嵌板卡实现MVB 协议。列车上每一台设备都属于一个嵌入式系统，如CCU、TCU、BCU等，可以 通过嵌入式系统的CPU或单板系统的MCU与MVB板卡进行通信。MVB板卡种 类多，供应商有西门子、庞巴迪、EKE、Duagon等，比如庞巴迪MVBC协议控制 芯片（MVBC01/02），本文以Duagon公司的D113为例说明。D113支持实现MVB 的4类设备，可以完成过程数据、消息数据

5、和总线管理等传输。D113内部由32 位ARM级CPU和FPGA共同实现MVB协议。D113有2个DB9接口用于连接至 MVB总线，D113通过PC/104接口与宿主CPU进行通信和设置12位MVB地址。 PC/104接口由J1（64针脚）和J2（40针脚）上下并排组成，节省了板卡空间。 J1用于8位数据并行传输，J2拓展为16位数据并行传输。PC/104接口有五种信 号线：地址线（20/24位）、数据线（8/16位）、控制线（片选/锁存/读写/复位）、 中断线（16个中断源）、时钟线。时钟信号由板卡内部32位CPU提供，宿主CPU 无需提供。本文以ARM9系统Atmel公司的32位AT91SAM9263为宿主CPU （用 于列车CCU、TCU、BCU等设备），如图4所示，通过3.3-5V电平转换器与PC/104 接口连接EBI0_NRD、EBI0_NWR 用于控制读写存储器和 IO, EBI0_NCS0、EBI0_NCS1 用于片选16位存储器和16位IO,并且二者有一个信号有效便使高8位和地址 锁存信号有效（与门）。MVB总线协议帧有主设备帧和从设备帧，采用曼彻斯特 编码传输，从设备帧只能响应主设备帧，一个MVB网络内只能有一个主设备， 但主设备的身份可以更换。MVB总线协议报文有16种：过程数据请求、主设备 权更迭、消息数据请求、常规事件请求等。3结语CR400AF动车组正值蓬勃发展窗口期，其网络控制系统在后续的设计 生产中仍有改进的空间，分析其网络拓扑结构、传输协议、设备内部原理以及供 应商链对掌握其利弊和后续网络系统的选择具有重要的意义，并为后续的持续性 推广应用提供一种原理性参考。参考文献：1 黄秀川，何成才.动车组网络技术M.成都：西南交通大学出版社，2018.2 李洋涛.TCN列车网络技术现状与发展J.单片机与嵌入式系统应用， 2012，12（1）： 4-7.3 李剑，曾文海，朱红涛.基于ARM嵌入式系统的PC/104总线设计J.现代电子技术，2007, 30（24）： 150-152.程晓飞，吴旭光，李毅，等.基于ARM7的PC/104接口的设计与实 现J.国外电子测量技术，2012, 31（3）： 82-85.5王树宾.动车组网络控制系统的研究D.北京：北京交通大学，2008.

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