提高M(jìn)VB網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸可靠性的研究

康亞慶

（南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210017）

1 MVB網(wǎng)絡(luò)概述及連接方式

MVB作為多功能車輛總線，在軌道交通車輛尤其是地鐵車輛上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。MVB總線按照傳輸介質(zhì)可以分為短距離傳輸?shù)腅SD、中距離傳輸?shù)腅MD及用光纖進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸?shù)腛GF。ESD可以支持最大距離20 m、32個(gè)設(shè)備，常用在單節(jié)車設(shè)備的通信，本文不做重點(diǎn)。EMD采用總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和冗余的雙通道連接方式，傳輸距離長(zhǎng)達(dá)200 m，并最大可支持32個(gè)設(shè)備，在軌道交通車輛上獲得了廣泛應(yīng)用。

EMD提供1.5 Mb/s的傳輸速率、最低1 ms輪訓(xùn)周期的高實(shí)時(shí)性、總線式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和冗余的雙通道傳輸方案，可以滿足列車對(duì)多設(shè)備、大數(shù)據(jù)、高可靠性及布線簡(jiǎn)單等要求，得到了廣泛應(yīng)用[1]。

目前，MVB網(wǎng)絡(luò)主要采用兩種布線方式，即單連接器雙通道連接和雙連接器單通道連接。

1.1 單連接器雙通道連接

與MVB設(shè)備相連的兩個(gè)連接器均連接A、B雙通道，線纜的聯(lián)通依靠設(shè)備內(nèi)部的連接，如圖1所示。

圖1 單連接器雙通道連接

優(yōu)點(diǎn)：線纜的分段容易，便于故障查找，成本低。

缺點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性依靠連接器的可靠連接，一旦連接器斷開(kāi)，網(wǎng)絡(luò)的完整性將被破壞。

這種連接方式在南京機(jī)場(chǎng)線上得到了使用。在列車調(diào)試過(guò)程中，出現(xiàn)了由于某些子系統(tǒng)設(shè)備上的MVB連接器接線不可靠，導(dǎo)致該設(shè)備后的電氣系統(tǒng)MVB網(wǎng)絡(luò)丟失，列車控制出現(xiàn)各種故障。經(jīng)過(guò)多次查找和整改，終使得整列車MVB連接器均可靠連接，整列車網(wǎng)絡(luò)不再丟失，列車正常運(yùn)行。圖2、圖3均是網(wǎng)絡(luò)故障現(xiàn)場(chǎng)的圖片。

圖2 網(wǎng)絡(luò)故障1

圖3 網(wǎng)絡(luò)故障2

1.2 雙連接器單通道連接

與MVB設(shè)備相連的兩個(gè)連接器中，每個(gè)連接器僅連接一個(gè)通道，線纜的聯(lián)通依靠連接器內(nèi)部的連接，如圖4、圖5所示。

圖4 雙連接器單通道連接

圖5 雙連接器單通道連接

優(yōu)點(diǎn)：通道的聯(lián)通在連接器內(nèi)部，即使單個(gè)連接器斷開(kāi)與設(shè)備的連接，網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備依舊可以正常通信。

缺點(diǎn)：線纜的分段困難，不利于故障排查，成本高。

在南京四號(hào)線、寧和城際線等后續(xù)線路中，MVB網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行了改進(jìn)。采用這種連接方式，大大提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)因連接器接觸不良導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)故障。

2 MVB信號(hào)的波形類型

理論上，MVB設(shè)備信號(hào)的發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生曼切斯特編碼的方波作為信號(hào)波形，如圖6所示。

圖6 曼切斯特編碼的方波

眾多廠商采用此波形進(jìn)行信號(hào)發(fā)生，如圖7所示。

圖7 信號(hào)波形

信號(hào)傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生衰減，衰減后其上升沿會(huì)被明顯削弱，如圖8所示。

圖8 信號(hào)衰減

因此，部分廠商在設(shè)計(jì)發(fā)生器時(shí)，將信號(hào)的上升沿專門(mén)進(jìn)行了提升，以應(yīng)對(duì)波形在傳輸中的衰減，一定程度上提高了設(shè)備和信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕鐖D9所示。

圖9 優(yōu)化后的波形

3 MVB冗余和冗余在故障診斷時(shí)的應(yīng)用

為了確保通信的可靠性和穩(wěn)定性，作為可選功能，MVB提供了線路冗余的功能。

線路的冗余原理，即假定設(shè)備在A通道和B通道上同步發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，而設(shè)備只從其中的一條傳輸線接收數(shù)據(jù)，這條傳輸線稱做信任線（Trusted_Line）。同時(shí)，設(shè)備監(jiān)視另外一條線，稱做監(jiān)視線（Observed_Line）。每個(gè)設(shè)備通過(guò)它在物理層上產(chǎn)生的信號(hào)或鏈路層的請(qǐng)求來(lái)選擇它的信任線和監(jiān)視線，而與其他設(shè)備無(wú)關(guān)。每個(gè)設(shè)備會(huì)通過(guò)兩個(gè)狀態(tài)位——LAT（Line_A Trusted，信任A通道）和RLD（Redundant_Line_Disturbed備用線干擾），向鏈路管理接口報(bào)告冗余狀態(tài)[2]。

（1）當(dāng)A通道為信任線時(shí)，LAT被置位；

（2）設(shè)備認(rèn)為未使用的傳輸線受到永久干擾，RLD被置位。

該冗余狀態(tài)在日常MVB通信維護(hù)中具有重要作用，可以快速判斷整個(gè)MVB的通道狀態(tài)。當(dāng)前，南京四號(hào)線、寧和城際線等都采用這樣的冗余方式，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定。

4 MVB信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸蛩丶皩?duì)布線工藝的指導(dǎo)

MVB的傳輸速率為1.5 Mb/s。它采用差分式信號(hào)傳輸，以消除噪聲；布線上使用屏蔽絞線的方式，以降低外部的信號(hào)干擾，因此MVB具有較強(qiáng)的抗干擾能力。通信質(zhì)量則主要受以下因素影響。

4.1 通信線纜長(zhǎng)度的衰減（阻抗）

線纜自身帶有阻抗。線纜的特征阻抗會(huì)使信號(hào)在其上傳輸時(shí)不斷衰減，所以需要約束信號(hào)在線纜中傳輸?shù)乃p，要求低于15 dB/km。因此，布線時(shí)需要選擇高質(zhì)量、高可靠性的線纜。

4.2 通信線纜信號(hào)的衰減（容抗）

信號(hào)傳輸電纜可以看成由分布電容、電感和電阻聯(lián)合組成的低通濾波器，如圖10所示。

圖10 低通濾波器

因此，除選用MVB高質(zhì)量、品質(zhì)可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸電纜保證信號(hào)傳輸可靠性外，布線時(shí)除可靠屏蔽外，需要將MVB線纜捆扎在接地金屬的支撐上，盡量減少不捆扎的飛線，以此降低線纜的容抗效應(yīng)。

4.3 通信線纜線對(duì)帶來(lái)的串?dāng)_

近端串?dāng)_是當(dāng)設(shè)備在發(fā)送端傳輸?shù)男盘?hào)耦合到另一對(duì)線的相鄰接收端引起的。這是傳輸速率小于100 Mb/s的最重要串?dāng)_。保持線對(duì)緊密絞結(jié)和線對(duì)間的平衡，可以有效降低串?dāng)_。因此，在布線過(guò)程中可使用標(biāo)準(zhǔn)的彎曲半徑，避免擠壓線纜。

制作連接器時(shí)，需盡量縮短解開(kāi)絞結(jié)的長(zhǎng)度，這是降低近端串?dāng)_的有效方式。因此，在列車生產(chǎn)制造過(guò)程中，工藝部門(mén)需要按照標(biāo)準(zhǔn)細(xì)致規(guī)定線纜操作要求和規(guī)程，并將其落實(shí)到工藝文件中，同時(shí)在過(guò)程中嚴(yán)格檢查，以確保列車總裝完成后的調(diào)試順利進(jìn)行[3]。

4.4 通信線纜中接頭的信號(hào)反射

光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)會(huì)發(fā)生反射，而通信信號(hào)在不同特征阻抗的介質(zhì)中傳播時(shí)也會(huì)發(fā)生反射。為避免反射，需要在電纜末端跨接與電纜特征阻抗相同的終端電阻120(1±10%) Ω，用于信號(hào)傳輸?shù)乃性O(shè)備包括發(fā)生器、接收器、線纜及連接器匹配特征阻抗，保證信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。

4.5 網(wǎng)絡(luò)中MVB設(shè)備對(duì)信號(hào)的影響

MVB設(shè)備接入MVB網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生設(shè)備接入后的插入損耗。為保證信號(hào)的可靠傳輸，需要將設(shè)備的插入損耗控制在0.15 dB。使用雙連接器單通道連接方式布線，可以有效降低設(shè)備插入損耗的影響。

5 結(jié) 論

作為車輛的神經(jīng)系統(tǒng)，MVB對(duì)列車的可靠性具有重要作用，需要通過(guò)以下方式提高M(jìn)VB網(wǎng)絡(luò)的可靠性：

（1）需要選用可靠的設(shè)備供應(yīng)商，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行MVB設(shè)備一致性測(cè)試，以確保設(shè)備級(jí)別的可靠性；

（2）選用高質(zhì)量的線纜和連接器；

（3）提高做線工藝質(zhì)量，確保線纜特征阻抗的連續(xù)性和可靠的屏蔽連通性；

（4）保持和中高壓線纜的間距；

（5）保證一定的過(guò)彎半徑，避免布線時(shí)對(duì)線纜造成擠壓等。

[1] 于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[2] 張?jiān)?列車控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2006，29（4）：1-4.

[3] 陽(yáng)光惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.