HXD3CA 型機車TCMS 系統地面試驗平臺構建研究

孟子諍

（哈爾濱國鐵科技集團股份有限公司，黑龍江哈爾濱 150028）

0.引言

HXD3 系列機車目前是我國普速鐵路運輸的最重要的車型系列之一，配屬了我國17 個鐵路局，配屬3913 臺，占中國鐵路集團公司總機車配屬的19.35%。

TCMS 系統提供人機交互界面接受操作指令，并將指令轉換并發送給機車的動力、制動、輔助等部件實現操作人員的指令意圖，并根據眾多傳感器及預設參數對操作的合理性、安全性進行判斷，保護機車各設備的安全。目前軟硬件維護主要依賴大連東芝的維護人員，故障處理停留在簡單的更換插件階段。機車運用過程中出現的各類疑難故障幾乎都直接或間接地與TCMS 有關。因些，加深對TCMS 系統的研究，加強故障的判斷和處理能力就成了亟待解決的問題。

通過構建本系統實現目標如下：

（1）對TCMS 系統的工作原理、網絡傳輸協議，各種數字信號、模擬信號的輸入輸出情況有全面充分的了解。

（2）對有疑難故障板卡或整機，可在地面對故障條件進行全面的再現，便于定位和處理。

（3）對機車的特性參數進行研究。比如在車上無法測試的超高超低網壓，單個或多個輪對空轉等情況，可在試驗臺上模擬給出了解TCMS 系統的軟硬件特性。

1.系統設計

1.1 TCMS 系統構成

TCMS 系統由TCMS 機箱和兩臺顯示單元構成。接收司控器（MC）、速度傳感器（TG）、司機操作器（CAB Equip）等設備的控制指令，使用MVB 總線控制牽引變流器（CI1-CI6）、輔助變流器（APU1APU2）、制動單元（BRAKE）、充電機柜單元（PSU1PSU2）、列車供電單元（LG1LG2）、軸溫報警系統（ATM）等，使用數字信號與列車防護系統（ATP）、真空斷路器（VCB）、空調（AIR CON.）、受電弓（PANT.）、空氣壓縮機（COMP）、撒沙單元（SAND）、風機（BLOWER）等設備聯動[1]。

1.2 TCMS 機箱

TCMS 機箱分上下兩層，在內部通過底板與線纜連接。下層為電子插件板，從中間往兩側分布，插有主、輔兩套相同板卡，構成兩套獨立系統，具備雙機熱備功能。上層為矩形連接器構成，與機車各控制部件相連。本試驗平臺用于HXD3CA，分析HXD3CA 機車電路圖及TCMS 系統電路圖，整理對外接口情況如表1 所示。

表1 HXD3CA機車TCMS對外接口情況

1.3 系統設計

TCMS 試驗平臺的設計目標是在地面構建TCMS 設備工作環境，確保TCMS 主機能夠正常工作，TCMS 顯示屏能夠顯示相關部件工作狀態，結合模擬軟件能夠控制相關部件。通過對外接口如表1 分析，系統設計如下：

（1）搭建操作臺：用于模擬司機操作臺，安裝TCMS顯示屏、TCMS 主機箱、司控器、扳鍵開關等輸入輸出單元，用于安裝用戶電腦及控制板卡。

（2）模擬MVB 總線設備：開發網絡轉HDLC 控制器，用于控制牽引變流器、輔助變流器、制動單元、蓄電池充電器和機車遠程診斷系統。

（3）模擬行車條件：開發速度傳感器模擬器，主變電流模擬器。為了模擬效果更加真實，開發網壓模擬器，用于網壓表指示。

（4）創造其他工作條件：其他系統均是通過數字信號與TCMS 接口，相對模擬平臺來說就是數字量輸入輸出，因此采用總線式繼電器板來實現數字量輸出，采用總線式數字量采集板來實現輸入功能。

（5）編寫模擬軟件：模擬軟件主要用于實現牽引、制動控制，各部件工作狀態控制，通信接口測試。

TCMS 試驗平臺效果圖如圖1 所示，TCMS 試驗平臺由操作臺通過連接線與TCMS 機箱連接。在操作臺上放置工控電腦①；TCMS 顯示屏②；狀態顯示模塊③；司控器④；扳件開關組⑤等部件。

圖1 TCMS試驗平臺效果圖

2.部件開發

2.1 網絡轉HDLC 控制器開發

2.1.1 HDLC 協議分析

由于牽引變流器、輔助變流器、制動單元體積龐大，要正常工作還需要牽引電機、主變壓器等大型設備，因此不適合放置到實驗環境使用。但共同點都是與TCMS 系統通過HDLC 總線通信，因此，在本系統中HDLC 控制器開發尤為重要，下面詳細介紹開發過程。

HXD3CA 型機車TCMS 與CI、APU 等設備通信，物理層采用RS485 接口，數據鏈路層采用HDLC 協議，是日本東芝公司借鑒歐洲IEC61375 標準研制的針對日本鐵路機車車輛內部設備互聯協議，信號采用NRZI 不歸零制倒置編碼方式[2]。

HDLC 定義了3 種類型的站，分別是主站、從站和復合站。

主站發出的幀稱為命令幀，用于鏈路控制。其中TCMS主機為主站。

從站發出的幀叫響應幀，用于執行主站的命令。其中CI、APU、PSU、CMD 為被控設備。

復合站既有主站功能也有從站功能。

傳輸控制圖如圖3 所示。

圖2 TCMS試驗平臺框圖

TCMS 試驗平臺框圖如圖2 所示，以TCMS 主機箱為核心，自研網絡轉HDLC 控制器、速度傳感器模擬器、網壓模擬器、主變電流模擬器，集成開關量輸入輸出板，開發模擬軟件。

圖3 傳輸控制圖

T1:20ms(CI)或200ms(APUBCUPSU)或500ms(CMD)

T2:2ms(CI)或10ms(APUBCUPSU)或20ms(CMD)

當TCMS 做為主設備向CI 等從設備發送命令幀（SDR）后，CI 等從設備等待T2 以上時間后向主設備發送響應幀（SD）。

2.1.2 硬件設計

由于在本系統中需要同時對7 路HDLC 信號進行編解碼處理，且對實時性要求較高，傳統單片機與ARM 的處理速度很難滿足要求，因此采用FPGA 作為主控芯片。

選用上海安路科技第三代EF3L40芯片，該芯片采用55nm低功耗工藝。在本控制器中直接采用ELF3L90CG400B_MINI_DEV 型核心板。

HDLC 物理層傳輸層為RS-485 信號，使用ADM2486隔離型半雙工RS-485 收發器。

控制器與電腦通過以太網通信，選用W5500 芯片，它是一款全硬件TCP/IP 嵌入式以太網控制器，內部集成了TCP/IP 協議棧，10/100M 以太網數據鏈路層（MAC）及物理層（PHY），與FPGA 通過高速SPI 接口連接。

下面以一路HDLC 為例，設計原理圖框圖如圖4 所示，其中J2、J3 為TYPE-C 接口，為控制器提供電源，同時作為核心板編程接口。U3 為RJ45 網絡接口，內置網絡變壓器。U4 為以太網控制芯片。U5、U7 為隔離型DC/DC 模塊，為ADM2486 供電。

圖4 網絡轉HDLC控制器原理框圖

2.2 速度傳感器模擬器

2.2.1 技術參數

HXD3CA 速度傳感器采用TQG15C 型DF16S4cnf 型光電式傳感器，查閱國標TB/T 2760.1-2015[2]，光電式傳感器主要技術指標如下：

電源電壓：DC15V±15%或DC24V±15%。

測速范圍：機車0r/min ～1500r/min，動車0r/min ～3000r/min。

負載電阻：≥3kΩ。

性能要求：輸出方波，占空比為（50±10）%。上升沿、下降沿電壓變化率≥3.5V/us(阻性負載)。負載為3kΩ 時，輸出脈沖高電平≥0.8 倍電源電壓，低電平≤2V。

2.2.2 硬件設計

速度傳感器模擬器通常采用兩種方案實現：一是實物傳感器與電機結合產生脈沖信號；二是通過電子元件模擬輸出脈沖信號。在本系統中采用第二種方案。

由于MCU 的PWM 受限于定時器精度，輸出脈沖的準確度通常不高，因此采用DDS 芯片來產生高精度脈沖信號。

DDS 芯片選用AD9833 芯片，該芯片是亞德諾半導體有限公司（Analog Devices）推出的低功耗、可編程波形發生器。無外元件，編程簡單，波形精度高，當時鐘速率為25MHz 時，可以實現0.1Hz 的分辨率，時鐘速率為1MHz時，可實現為0.004Hz 的分辨率。

AD9833 芯片由MCU 控制產生精準速度脈沖信號，其幅值較低，無法滿足輸出通道的技術指標，因此后級采用集成運放LMV321 構成同相比例運放將其信號放大，計算公式為：。再通過光藕將每路信號隔離輸出，最后經集成運放MC34072 構成比較器電路整形輸出。

MC34072 芯片為單運放，選用中國臺灣友順科技股份有限公司（UTC）產品，其特點為高電壓變化率（13V/us）、寬通頻帶（4.5MHz）、寬電壓輸入范圍（2.0V ～44V）。

最終設計電路框圖如圖5 所示。

圖5 速度傳感器模擬器電路框圖

2.3 主變電流模擬器

2.3.1 技術參數

圖6 為HXD3CA 高壓網側電路，主變電流模擬器主要用于模擬TA2 電流互感器，TA2 額定頻率為50Hz，一次額定電流為400A，二次額定電流為5A，變比為400/5。

圖6 HXD3CA高壓網側電路圖

2.3.2 硬件開發

電流互感器原理相當于變壓器，分一次繞組與二次繞組，一次繞組匝數（N1）較少，二次繞組匝數（N2）較多，將大電流（I1）轉換為小電流（I2），計算公式為:I2=(N1/N2)I1。TCMS 采集TA2 輸出電流即可計算出主變壓器電流值，模擬器輸出電流范圍為0A ～5A。

在本系統中設計一程控交流恒流源模擬電流互感器。信號源產生是通過MCU PWM+DAC 功能實現50Hz 正弦波輸出，通過電容去掉直流分量，再經反相比例運放做前置放大，最后送給由功率運放構成的恒流源電路輸出。MCU 接收模擬軟件的控制指令，調節輸出正弦波的幅度，經恒流源電路后，最終調節電流輸出。

功率運放采用Burr-Brown 公司生產的OPA549T，其特點是大電流（連續電流可達8A）、高電壓（雙電源可達±30V），且外圍電路簡單。

模擬部分電路設計圖如圖7 所示。

圖7 恒流源電路圖

其中正弦波信息由MCU 產生信號源，輸入到C2，運放U2 與外圍電阻構成反相比例運放，放大后的信號輸入給U1 實現功率放大，最終通過1、2 腳輸出模擬信號。

2.4 網壓模擬器

2.4.1 技術參數

如圖6 所示，網壓模擬器用于模擬高壓電壓互感器TV1，主要用于給操作臺上狀態顯示模塊PV1 提供電源。

電壓互感器原理是變壓器，特點是一次繞組匝數多（N1），二次繞組匝數少（N2），一次繞組額定輸入為25000V，TV1 變壓比為25000V/100V，額定頻率為50Hz，額定功率30V·A。網壓范圍取值19000V～29000V，因此，對應輸出電壓為76V～116V。

2.4.2 硬件開發

參考TV1 的技術參數，在本系統中設計一程控寬輸出范圍AC/AC 逆變電源用于網壓模擬，輸入AC220V，輸出70V～120V，使用用戶電腦模擬軟件可靈活設置輸出電壓。

核心芯片采用屹晶微電子公司的EG8010 SPWM 單相純正弦波逆變器專用芯片。使用AC-DC-AC 架構，先將AC220V 整流濾波轉換為直流電，再使用EG8010 芯片逆變為工頻交流電，最后接入工頻變壓器隔離輸出。

網壓模擬器的核心在于輸出電壓調節， 設計原理圖如圖8 所示。

圖8 網壓模擬器驅動部分電路圖

其中第13、14、15、16 腳為反饋信號輸入，其中13腳VFB 為電壓反饋，逆變電源需要有穩定的電壓輸出，因此，該引腳用于采集輸出電壓。如果外部電壓升高，正常對應輸出也升高，則VFB 電壓升高，芯片收到信號后將SPWM 發生器占空比變窄，從而降低輸出，反之亦然。最終達到負反饋作用來穩定輸出電壓。

輸出電壓經D3 整流，電容C15 濾波后輸出一低壓直流電壓，輸出到MCU、ADC 引腳。MCU 采集到的電壓值經算法換算后通過DAC 引腳輸出反饋電壓至VFB，以此控制AC 輸出電壓。考慮到安全因素，使用工頻變壓器T1 隔離輸出。

2.5 開關量輸入

根據表1 對外接口情況，HXD3CA 有32+29 路110V數字量輸出，用戶電腦模擬軟件需要采集所有的信號。本系統購買了2 套32 路數字量采集板，用485 采集輸入信號。

2.6 開關量輸出

根據表1 對外接口情況，HXD3CA 有152 路110V 數字量輸入，TCMS 主機需要采集所有的信號。本系統購買了5 套32 路繼電器板，用于485 總線控制110V 輸出給TCMS主機。

2.7 軟件開發

2.7.1 通信協議破解

TCMS 系統主機通過HDLC 總線與CI、APU、BCU等設備通信，由于東芝公司保密的原因，需要對通信協議進行破解。具體方式是使用邏輯分析儀到機車上采集通信數據包，編寫分析軟件輔助分析，通過長期的跟車工作，最終破解了所有的通信協議。

2.7.2 編寫模擬軟件

TCMS 地面試驗平臺模擬軟件采用C#編程語言編寫。功能圖如圖9 所示。

圖9 模擬軟件功能圖

模擬軟件主要由兩大功能模塊：（1）軟件設置，用于設置參數；（2）功能測試，用于模擬TCMS 控制、切換控制及監控和記錄等功能。

3.結論

在本文中詳細介紹了TCMS 地面試驗平臺系統設計與模擬器硬件開發過程，系統與各部件均已做成實物并通過驗證。

在硬件開發過程中走了不少彎路，比如說速度傳感器模擬器第一套方案是采用MCU 發出PWM 波來產生速度脈沖，需要改變機車速度時就通過模擬軟件更改脈沖的輸出頻率，但實際應用中由于頻率變化不連貫造成系統報錯，一直無法正常使用，最終換成DDS 芯片方案才解決問題。

由于TCMS 系統幾乎關系到機車的所有關鍵部件控制，系統龐大，連線復雜，漏布、錯布均會造成測試不完整，所以在系統布線上花費了相當大的精力。

協議破解與軟件開發過程也相當不易，但不是本文討論的重點，所以就簡單介紹。

TCMS 地面試驗平臺軟、硬件可擴展性較強，在各型和諧機車上東芝的TCMS 系統大同小異，因此只需要做微小改動，就可以測試各型和諧機車的TCMS 系統。