適用于動車組制動系統的以太網板卡設計與實現*

華 皛， 程宏明， 楊亦錚,2， 曹宏發,2， 章 陽,2

(1 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081.)

既有動車組列車通信網絡主要采用TCN，由絞線式列車總線WTB和多功能車輛總線MVB組成，適用于需要動態編組的列車車輛，隨著動車組制動系統及其他配套技術的快速發展，數據傳輸的實時性、控制系統的智能化程度越來越高，列車健康管理和全方位、多維度故障診斷和維修技術需要提升，以及各種新的服務需求不斷出現，諸如視頻傳輸、遠程診斷、旅客信息服務等，使得數據傳輸量越來越大，TCN網絡在傳輸業務多樣化、帶寬及傳輸速率、成本和兼容性等方面已不能適應動車組發展新需求。

近年來，網絡技術快速發展，在分布式控制系統中得到了廣泛應用，它具有全球開放性、價格低廉，全球軟硬件支持，共享資源豐富等特點，軌道交通設備采用以太網通訊成為一種趨勢。國際電工委員會IEC在2010年開始修訂IEC 61375標準，增加了以太網列車骨干網ETB(Ethernet Train Backbone)、以太網車輛局域網ECN(Ethernet Consist Network)的規范。日立、西門子、龐巴迪等軌道交通行業巨頭都已經在新一代列車中使用工業以太網技術，國內的相關科研院所也陸續開展工業以太網的技術和應用研究。

因此，研究適用于動車組制動系統的以太網板卡，搭建動車組制動系統以太網控制網絡，有利于提高動車組制動系統的通信帶寬、可靠性和互聯互通性能，在滿足動車組制動系統正常工作的前提下，構建動車組制動系統以太網維護網絡，為更高級的網絡服務提供了可能，能夠有效地降低動車組制動系統的日常維修維護成本。

1 制動系統EBCU網絡拓撲

EBCU也稱為制動控制器，如圖1所示，是面向制動系統功能需求的嵌入式電子控制裝置，EBCU采用模塊化設計，基于接口配置和功能定位，劃分不同類型的控制板，控制板通過前面板連接器與外部系統進行信息交互。

圖1 電子制動控制單元結構

EBCU內部各板卡之間通過背板CAN總線進行通信，各車的 EBCU之間通過以太網通信， EBCU與列車的其他系統通過以太網互聯互通，制動系統服務終端(測試服務設備)通過以太網連接全列所有EBCU，可同時對多個EBCU實現應用程序下載、測量和故障診斷等，如圖2所示，其中，以太網板卡是EBCU實現以太網通信的關鍵部件。

圖2 制動系統EBCU網絡拓撲

2 動車組制動系統以太網板卡功能

2.1 診斷、標定功能

EBCU的診斷功能通過以太網板卡與服務終端連接，以太網板卡可將服務終端的診斷服務請求報文路由至指定EBCU，也可將EBCU的診斷服務響應報文發送給服務終端，從而讀取全列EBCU的故障信息及過程數據、控制EBCU的IO輸出。

EBCU的標定功能通過以太網板卡與服務終端連接，以太網板卡可將服務終端的標定協議請求報文路由至指定EBCU，也可將EBCU的標定協議響應報文發送給服務終端，從而實現對全列EBCU的內部信號進行測量和修改，調試EBCU的運行參數。

2.2 可配置的數據記錄及導出功能

以太網板卡使用SD卡作為存儲介質，當滿足觸發條件時保存帶有時間戳的數據，可通過服務終端上傳配置文件，靈活選擇需要存儲的信號，并通過以太網將存儲信號導出，為故障分析提供數據支持。

2.3 軟件刷寫功能

以太網板卡固化基于以太網的Bootloader程序實現自身程序刷寫，通過路由實現EBCU內其他板卡的應用程序刷寫，這樣，售后維修人員可在任一車輛通過以太網實現整列EBCU的應用程序刷寫，從而極大提高售后人員更新程序的效率。

2.4 以太網控車

以太網代替原有的列車通信網絡TCN，將TRDP(Train Real-time Data Protocol)協議用于列車實時以太網絡，確保延遲時間在50 ms左右，實現以太網控車。

3 動車組制動系統以太網板卡設計

適用于動車組制動系統的以太網板卡，構建了以太網控車網絡，提高制動系統的總線通信帶寬以及可靠性，實現與列車其他系統的互聯互通，也可作為以太網維護網絡，實現制動系統應用程序下載、故障診斷、參數標定、數據記錄和導出等功能，進一步完善了動車組制動系統的可操作性和可維護性。

3.1 硬件電路設計

硬件電路MCU采用Power Architecture technology的32 bit芯片，核心時鐘頻率可達180 MHz。主要實現功能有：四路CAN、一路以太網、一路RS485，大容量存儲及LED指示功能，硬件架構圖見圖3，以太網板卡見圖4。

圖3 硬件架構圖

圖4 以太網板卡

3.2 軟件設計開發

以太網板卡軟件采用模塊化的軟件架構設計，主要分為引導加載程序、基礎軟件、應用程序3部分。

(1)引導加載程序(Bootloader)是運行于以太網板卡的嵌入式軟件，可引導應用程序啟動，實現自身應用程序的刷寫。

(2)基礎軟件以AUTOSAR架構為基礎，將通信協議棧通用功能作為核心代碼，通過配置代碼生成工具，依據不同的項目需求，導入相應的配置文件自動生成配置代碼，再將配置代碼和核心代碼放入開發環境進行編譯和鏈接可生成適配不同需求的應用程序。

(3)應用軟件是以太網板卡軟件的最高層，實現以太網通信參數的設置、可配置的數據記錄及導出、實時以太網控車功能，圖5為以太網板卡軟件架構。

圖5 以太網板卡軟件架構

4 測試驗證

為了驗證適用于動車組制動系統的以太網板卡的有效性和可靠性，在動車組制動系統軟件集成測試臺對其進行了全功能測試，并在試驗室進行了多系統以太網控制功能聯調以及現車應用，測試和應用結果表明，以太網板卡可實現動車組制動系統的應用程序下載、故障診斷及參數標定等功能，可與列車其他系統互聯互通。

4.1 動車組制動系統軟件集成測試臺

動車組制動系統軟件集成測試臺主要由列車制動環境、8個單車制動環境、測試服務系統組成。列車制動環境具有TCN、 CAN、ECN網絡管理，可模擬列車總線控制指令；單車制動環境用于模擬EBCU的外部輸入信號和采集EBCU的輸出信號；測試服務系統可模擬司機室占用、制動試驗、列車速度設定、制動級位設定、停放制動按鈕、緊急制動按鈕、撒沙開關等各種操作，并執行整個系統的管理和配置、數據存儲、生成測試報表等功能。測試過程中，下位機運行實時操作系統，根據上位機指令或仿真模型控制輸出，通過測試服務系統實時監測多個信號狀態。

4.2 測試臺仿真驗證

通過動車組制動系統軟件集成測試臺配置列車環境和單車環境，測試以太網板卡程序下載、標定測量、詳細文件記錄及導出、以太網控車等功能，測試結果符合設計要求，見表1。

表1 仿真驗證結果

4.3 多系統試驗室聯調

CCU(中央控制單元)、TCU(牽引控制單元)、EBCU(電子制動控制單元)、HMI(人機界面)在試驗室進行以太網控車聯調，強制CCU發送列車速度、年月日時分秒、司機室占用信號、主控網段信號、列車聯掛信號等，EBCU可以正確接收；EBCU發送車重、WSP速度、空壓機指令、制動子模式信號、故障信息等，CCU可以正確接收。

4.4 現車應用

以太網板卡的以太網維護功能已在速度350 km/h中國標準動車組、城市軌道、混合動力車等項目應用，運行狀態良好，在列車狀態監控、故障記錄和分析處理等方面發揮了重要作用。

5 結 論

在調研國內外以太網技術發展和研究動車組制動系統使用以太網控制可行性基礎上，搭建了動車組制動系統以太網板卡開發軟硬件平臺，完成了以太網板卡的硬件電路設計和自動生成配置代碼的軟件開發，并在測試臺、試驗室多系統聯調和現車進行了驗證，滿足以太網維護及控車需求，以太網板卡構建了動車組制動系統全新通信技術平臺，為動車組提供了整體數據通信理論基礎和技術支持。