（电气工程专业论文）crh2型动车组国产化制动控制单元bcu通信网关的研究.pdf

“ l 学位论文版权使用授权书 l l l i l l i | j l l f 1 1 1 l l | l 删 17 8 0 6 5 1 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 。匆唪 签字日期：加，d 年6 月名日签字日期：扫，秒年占月b 日 k j 一 a 参 c r h 2 型动车组国产化制动控制单元( b c u ) 通信网关的研究 r e s e a r c ho fl o c a l i z a b l eb r a k ec o n t r o lu n i t ( b c u ) c o m m u n i c a t i o ng a t e w a y 作者姓名：李成钢 导师姓名：申萍 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 2 0 2 9 职称：副教授 学位级别：硕士 学科专业：电气工程研究方向：牵引控制与网络 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 j 毒 k 毒 致谢 本论文是在我的导师申萍副教授和王立德教授的悉心指导下完成的，在整个 攻读硕士学位期间，他们言传身教，对工作一丝不苟的态度、严谨的治学作风以 及渊博的学识都是值得我钦佩和学习的。研究生期间，在两位老师的关怀和鼓励 下，实验室形成了一个良好的科研氛围，我在实验室的工作中学到了很多，这在 以后的工作、学习和生活中将是我宝贵的财富，在论文即将完成之际，谨向申老 师与王老师表示衷心的感谢。 感谢聂晓波博士，在她的带领下，项目组里充满了浓厚的学术氛围，她勤恳 的工作作风与科学的工作方法一直影响着项目组里的其他人。项目研发过程中， 每次碰到难以解决的问题，她总是能够给予我极大的帮助，帮助我分析问题，并 耐心的给我讲解与指导，使我能够顺利完成自己的研发工作，在此向聂晓波博士 表示由衷的谢意。 感谢课题组的张良与张巍，他们在课题的完成过程中也给予我很大的帮助， 与他们及时的交流与沟通也使课题得以顺利进展。 另外也感谢我的父母，他们的信任和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 j i j 都是通过列车通 信网络传送的。对于动力分散方式的高速列车，需要由网络传递牵引或制动控制 信息，以保障各单元协调统一的工作。同时，各动车或拖车的工作状态也通过网 络传输给主控车，用以状态监测和故障诊断。 c r h 2 型动车组中的制动控制指令即通过列车通信网络来传送，其中列车信息 终端与制动控制单元( b c u ) 通信的传输介质为光纤，采用h d l c 协议。由于国外 企业不公开列车信息终端与b c u 通信的数据含义，这就给动车组上制动设备的替 换更新带来一定的困难，所以需要对c r h 2 型动车组列车控制网络进行分析，解决 国产化b c u 的联网问题。 本文在阐述c r h 2 型动车组制动系统与通信网络构成的基础上，针对c r h 2 型 动车组列车信息终端与国产化b c u 的联网问题，利用光纤通信技术与s o p c 技术， 设计了一种用于国产化b c u 的通信网关，完成光纤通信模块、u s b 传输模块、f p g a 模块、r s 4 8 5 通信模块以及电源模块等部分的设计。光纤通信模块主要采用 h f b r - 0 4 0 0 系列光纤收发器完成光电转换电路的设计；u s b 传输模块把数据上传到 上位机；f p g a 模块将自定制的b c u 通信控制i p 模块与n i o si i 软核处理器、u a r t 等单元在a l t e r a 公司的f p g a 上完成s o p c 系统的集成；r s 4 8 5 模块则实现通信网 关与国产化b c u 的通信；电源模块为整个通信网关提供5 v 、3 3 v 和1 2 v 的供电 电源。最后在日方n a b t e s c o 制动系统( 列车信息终端) 实验台与国产化b c u 上进 行数据采集实验、双向转发实验和协议转换实验，实现列车信息终端( h d l c 协议) 与国产化b c u ( r s 4 8 5 协议) 的通信，验证了通信网关功能的完整性。 关键词：制动控制系统；列车网络；h d l c ；b c u ；光纤通信；s o p c 分类号：t n 9 1 5 8 5 2 1 h l p j ， l e m u s ，a n di no r d e rt os o l v et h el o c a l i z a b l eb c un e t w o r k i n gp r o b l e mo fc r h 2e m u s ，a c o m m u n i c a t i o ng a t e w a yi sd e s i g n e db a s e do no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n ds o p ct e c h n o l o g y o p t i c a lf i b e rm o d u l ei sd e s i g n e db yh f b r - 0 4 0 0s e r i e s ；u s b m o d u l em a k e sd a t at r a n s m i tt oc o m p u t e r ；f p g am o d u l ei si n t e g r a t e d 、析n lb c ui p m o d u l e ，n i o s l ip r o c e s s o ra n du a i 玎e t c t o g e t h e ri na l t e r af p g a ；r s 4 8 5m u d u l e a c h i e v e sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ng a t e w a ya n dl o c a l i z a b l eb c u ；p o w e rm o d u l es u p p l y s 5 v , 3 3 v ，1 2 vt ot h eg a t e w a y 1 1 1 ee x p e r i m e n tw h i c hi sb a s e do ni m p o r tt e s tb e n c h v e r i f i e st h ei n t e g r a lf u n c t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o ng a t e w a ya n dp r o t o c o lc o n v e r s i o ni s a c h i e v e db e t w e e nt e r m i n a t o r ( h d l c ) a n db c u ( r s 4 8 5 ) 、) i ，i t l lt h e g a t e w a y k e y w o r d s ：b r a k ec o n t r o ls y s t e m ；t r a i nn e t w o r k ；h d l c ；b c u ；o p t i c a lf i b e r c m m u n i c a t i o n ；s o p c c l a s s n o ：t n 9 15 8 5 2 、kr _=叫ljjl 目录 目录 中文摘要v a b s t r a c t 。v i i 1 弓i 言1 1 1 高速铁路发展概况1 1 2 课题背景2 1 - 3 研究内容与目标4 2c r h 2 动车组制动系统。5 2 1 系统组成5 2 2 制动的种类6 2 3 系统的技术特点：7 2 4c r h 2 动车组制动控制系统8 3c r h 2 动车组通信网络。1 1 3 1c r h 2 动车组信息传输系统1 1 3 2 列车总线与列车通信网络1 3 3 2 1a r c n e t 协议1 3 3 2 2h d l c 协议。1 4 3 2 3 列车总线光纤双重环网布线结构1 6 3 3 车辆总线与车辆通信网络1 6 3 3 12 0 m a 电流环标准一1 6 3 3 2 车厢级网络结构l7 4 制动控制单元( b c u ) 通信网关的设计1 9 4 1s o p c 技术简介一1 9 4 1 1i p 、a v a l o n 总线与n i o si i 软核处理器1 9 4 1 2s o p c 开发流程2 0 4 1 3 可编程逻辑设计技术2 2 4 2 通信网关总体设计一2 3 4 2 1 通信网关的技术要求2 3 4 2 2 通信网关的设计方案2 3 4 3 光纤通信模块2 5 4 3 1 常用光纤连接器类型2 5 4 3 2h f b r _ 0 4 0 0 系列光纤收发器2 6 、ll 北京交通大学硕士学位论文 4 3 3 光纤通信模块设计2 7 4 4u s b 传输模块2 9 4 5f p g a 模块3 0 4 5 1 编码器模块3 2 4 5 2 解码器模块3 4 4 5 3 通信存储器模块3 6 4 5 4a v a l o n 总线接口模块3 6 4 5 5 通信网关的s o p c 系统3 7 4 6r s 4 8 5 通信模块4 1 4 7 电源模块与测试接口4 4 4 8 网关板卡布局与实物4 6 5 通信网关现场实验4 9 5 1 数据采集与分析。4 9 5 2 实验环境5 0 5 3 实验方案与实验结果5 1 5 3 1 数据采集实验5 l 5 3 2 通信网关双向转发实验5 3 5 - 3 - 3 通信网关协议转换实验5 5 6 总结与展望5 9 参考文献6 1 作者简历6 3 独创性声明6 5 学位论文数据集6 7 x 1一 引言 1 1 高速铁路发展概况 1 引言 从1 8 2 5 年英国建立第一条铁路以来，铁路以其速度快、运量大、安全可靠的 优势得到了飞速的发展，在全世界辉煌了至少1 2 0 余年。但是，从2 0 世纪5 0 年 代开始，铁路受到新兴交通工具汽车和飞机的激烈竞争，由于在速度和灵活性方 面的劣势而败下阵来，世界铁路网规模急剧减少，铁路运输市场份额大幅度萎缩， 铁路企业普遍亏损，一度曾被人称为“夕阳产业 。2 0 世纪6 0 年代出现的高速铁 路为铁路运输业带来了生机，它以其高速、正点、舒适、安全、运量大、能耗低、 占地少、污染轻等优势，在竞争中取得了巨大的成功，取得了明显的经济和社会 效益。从此以后，这种新型的铁路运输形式得到了蓬勃的发展，至今仍兴盛不衰。 1 9 6 4 年1 0 月1 日，世界上第一条高速铁路，日本东海道新干线投入运营，允 许速度达2 4 0 k m h ，后经改造提高到2 7 0 k m h 。继东海道新干线之后，日本又陆续 建成山阳、东北、上越新干线，这4 挑新干线总长1 9 0 0 多千米，约占日本铁路总 里程的9 ，而完成旅客周转量的3 0 ，在经济和社会效益方面取得了巨大成效。 以后又建成北陆、山形、秋田等新干线，形成了2 1 7 5 k m 的新干线网。 2 0 世纪6 0 年代后期，欧洲的法、德、意等国借鉴日本的经验，开始研究建设 高速铁路，并于8 0 到9 0 年代初，陆续建成自己的高速铁路，并采用和创造了许 多先进技术。法国高速列车t g v h 创造了世界轮轨系铁路5 1 5 3 k m h 的最高速度 记录；德国高速铁路允许商业运行的最高速度达3 3 0 k m h ；西班牙马德里一巴塞罗 那线，最高运营速度可达3 5 0 k m h 。而且，欧洲是最早进行跨国高速铁路网规划和 建设的地区。当今，除了西欧各国正在建设高速路网，东欧、南欧各国也在积极 进行既有线基础设施的提速改造。根据规划，2 0 2 0 年将形成一个新建高速铁路 1 0 0 0 0 k m ，改建既有线1 5 0 0 0 k m ，遍及全欧洲的高速铁路网。 我国经济高速发展，促使人们缩短旅行时间的愿望愈发强烈，进入2 0 世纪9 0 年代以来，我国铁路“买票难、乘车难”的局面日益加剧，同时，随着高速公路 和民航运输的迅速发展，铁路运输的市场占有率急剧下降，运能与运量间的矛盾 空前紧张，铁路提速势在必行。以沪宁线“先行号 快速列车开行为标志，广深、 京秦等线路相继实现准高速运营。自1 9 9 6 年以来的五次大提速使中国铁路产生了 根本性变化，加快了中国铁路高速化的进场。2 0 0 7 年4 月1 8 日，中国铁路进行了 第六次提速，“和谐号”c r h 系列动车组上线运营，中国铁路从此进入高速时代。 作为一种新兴的机车车辆组成与运营形式，动车组与我国传统机车车辆运用 北京交通大学硕士学位论文 检修体制存在一定矛盾，故在我国起步较晚。动车组最早在我国投入运用是四方 厂于1 9 5 8 年设计制造的“东风号”双层摩托动车组。1 9 6 2 年，我国曾从匈牙利 g a n z 工厂进口n c 3 型内燃动车组用于北京一天津间客运运营。此后近3 0 年中，我 国动车组设计制造一直处于停滞状态。 1 9 8 8 年，长春客车厂、株洲电力机车研究所和铁道科学研究院设计、制造了 我国第一列动力分散型动车组，定型为k d z i 型。该动车组于1 9 8 9 年在北京环运 线实验中最高实验速度达到1 4 2 5 k m h ，但未投入运用。 我国首列投入商业运行的电动车组是于1 9 9 9 年投入运用的“春城号”动车组。 为满足1 9 9 9 年昆明世界园艺博览会的需要，长春客车厂联合株洲电力机车研究所 设计了该动车组，最高运行速度为1 2 0 k m h 。 此外，我国机车车辆工业企业还生产了“长白山号”、“中原之星 、“先锋号 动力分散型电动车组和“大白鲨”、“蓝箭 、“中华之星 动力集中型电动车组。 1 9 9 8 年，我国从瑞典a d t r a n z ( 现属b o m b a r d i e r ) 公司引进一列x 2 0 0 0 动力 集中型摆式电动车组，用于广深港城际运输。 为进一步增强设计、制造能力，并满足第六次提速调图列车运行速度达到 2 0 0 k m h 的需要，我国机车车辆工业企业引进技术制造了“和谐号 c r h l 、c r h 2 、 c r h 3 和c r h 5 型动力分散型高速动车组，并已投入运营。2 0 0 8 年我国拥有了第一 条时速超过3 0 0 公里的高速铁路一京津城际铁路，2 0 0 8 年3 月3 1 日，时速3 5 0 公 里的首列国产化c r h 3 高速动车组在唐车下线，2 0 0 9 年又拥有了世界上一次建成里 程最长、运营速度最高的高速铁路一武广客运专线。根据我国中长期铁路网规划， 到2 0 2 0 年，铁路营业里程将达到1 2 万公里，其中客运专线达到1 6 万公里，电 化率达到6 0 ，主要繁忙干线实现客货分线，基本形成布局合理、结构清晰、功能 完善、衔接顺畅的铁路网络，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术 装备达到或接近国际先进水平嵋。 1 2 课题背景 高速列车的关键技术包括大功率电力牵引传动系统、高速转向架、高速制动 技术、高速车体技术、车内环境及排污技术、列车监控与诊断技术等。制动系统 是轨道车辆的关键设备，是运行安全和品质的重要保障，它是体现车辆综合技术 水平的主要指标之一。因此，世界各国在发展轨道交通的过程中，都把提高制动 技术作为一个重要课题进行研究。 随着工业控制网络技术的发展及成熟，其应用场合更加广泛。目前国外引进 的动车组控制系统中，均采用了列车控制网络技术。将工业网络制动技术应用于 2 引言 制动技术后，实现了列车的整列制动而非单车制动，进一步减小了车辆纵向冲动， 提高了制动指令传输的延时和可靠性，使整个系统的安全性和易维护性提高。因 此，列车控制网络已成为现代车辆制动的重要组成部分。 c r h 2 型动车组，全称为和谐号c r h 2 型电动车组( 简称c r h 2 ) 。是我国铁道部 为中国铁路第六次大提速，向日本的川崎重工业和中国南车集团的四方机车车辆 股份有限公司订购的高速电动车组。c r h 2 型动车组技术引进自日本川崎重工业的 新干线列车车型，以日本川崎重工业的e 2 系1 0 0 0 型车为基础，中国南车四方机 车车辆股份有限公司引进技术负责国内生产，并以引进国外技术并吸收的方式逐 步国产化。c r h 2 型动车组列车控制网络的车辆信息总线为光纤环网，连接所有中 央装置与终端装置，采用a n s i a t a 一8 7 8 1 ( a r c n e t ) 协议。b c u 与车辆信息终端装 置之间的通信接口采用高级链路层控制h d l c 协议，n r z i 编码，光纤传送。车辆信 息终端采用轮询方式对b c u 的状态进行查询。图1 1 为c r h 2 型动车组列车控制网 络结构。 车辆信息总线 图1 1c r h 2 犁动车组列车控制网络结构 f i g u r e1 1s t r u c t u r eo fc r h 2e m u st r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k c r h 2 型动车组中列车信息终端装置与电子制动控制单元( b c u ) 网络通信介质 为光纤，采用h d l c 协议。由于国外厂家不公开引进动车组列车网络控制协议，所 以需要我国科研单位对c r h 2 型动车组列车控制网络进行分析，解决国产化b c u 的 联网问题。我国国产b c u 并未设计光纤接口，这就需要为列车信息终端( 采用光 纤接口) 与国产b c u ( 采用r s 4 8 5 接口) 之间的网络通信搭建一个平台，从而需要 对列车信息终端发出的基于h d l c 协议的制动控制指令进行分析，实现对来自列车 北京交通大学硕士学位论文 网络的制动控制指令进行解调制，并将最终的指令和数据传输给国产b c u ； 来自国产b c u 的内部信息也可以传送至列车信息终端。 1 3 研究内容与目标 本课题是北京交通大学电气工程学院牵引控制与网络实验室与南车集 开展的，主要针对实现国产b c u 的联网问题进行相关研究。主要的研究内 以下几个方面： ( 1 ) h d l c 协议的研究。由于在c r h 2 型动车组中，b c u 与列车信息终 的网络通信采用h d l c 协议，所以对h d l c 协议的帧格式组成需要有足够的 进而才能对基于h d l c 协议的制动控制指令进行解调制的相关设计。 ( 2 ) 光纤通信的实现。c r h 2 型动车组中列车信息终端装置与制动控 ( b c u ) 网络通信介质采用光纤传输，从而需要设计电路实现光信号与电信 换，实现对光纤传输数据的采集。 ( 3 ) 采用s o p c 技术，设计h d l c 协议与r s 4 8 5 协议的通信网关。设计h d l c 通信控制i p 模块，利用s o p c 技术，将定制的h d l c 通信控制i p 模块，串口通信模 一 c r h 2 动车组制动系统 2c r h 2 动车组制动系统 动车组运行速度高，给列车的制动能力、运行平稳性等方面提出一系列问题。 因此，高速动车组必须装备高效率和高安全性的制动系统，为列车正常运行提供 调速和停车的保障，并保证在以外故障或其他必要情况下，有尽可能短的制动距 离。此外，高速运行的动车组对制动系统的可靠性和制动时的舒适度也提出了更 高的要求u 一1 。 制动系统通常由电制动系统、空气制动系统、防滑装置和制动控制系统等部 分组成。本章主要介绍c r h 2 动车组的制动系统。 2 1 系统组成 c r h 2 动车组的制动系统主要由电制动系统、空气制动系统、防滑装置和制动 控制系统组成。 动车组采用电制动与空气制动联合作用的方式，且以电制动为主。应用在动 车组上的电制动有电阻制动和再生制动两种，它们都是让列车的动轮带动动力传 动装置( 牵引电动机) ，使其产生逆作用，将列车的动能转变为电能，再变成热能 消耗掉或反馈回电网的制动方式。电阻制动和再生制动习惯上也称为动力制动。 虽然电制动可以提供强大的制动力，但空气制动目前对于高速动车组来说仍 然不可缺少。这是因为：直流电机的制动力随着列车速度的降低而减少；而交流 电机虽然可通过改变转差来控制制动力的大小，理论上可使制动力不受列车速度 的限制，但从高速到停止均能有效作用的、可靠的电制动装置尚处于研究阶段。 滑行就是由于车轮被“抱死 而导致传动速度急剧减小的现象，轮轨之间的 滑动会延长制动距离并使车轮踏面擦伤。踏面擦伤后，不仅降低乘车的舒适性， 也会给转向架零部件带来附加的冲击力，使其寿命缩短；所以，应尽可能防止滑 行现象的发生。防滑装置主要有机械式防滑器、电子式防滑器和微机控制的防滑 器等。 制动控制系统是制动系统中由司机或列车自动控制系统a t c 控制、产生、传 递制动信号，并对制动力进行计算和分配的部分。 如图2 1 所示，c r h 2 - a ( 0 7 年运行的首批标称时速2 0 0 k m h ，最高时速2 5 0k m h 级别动车组命名为c r h 2 - a ) 动车组包括4 辆动车( 以m 表示) 和4 辆拖车( 以t 表示) ，动车的每根轴上有电制动和空气制动装置，拖车的每根轴上只有空气制动 装置。 北京交通人学硕士学位论文 图2 1c r h 2 - a 动车组编组 f i g u r e2 1c r h 2 - ae m u sc o m p o s i t i o n c r h 2 一a 动车组的制动系统分为4 个控制单元，1 m 1 t ( 1 动l 拖) 构成一个单 元，采用再生制动和空气制动联合作用的复合制动模式。在单元内再生制动优先， 空气制动实行延迟控制，以减少机械制动零部件的磨损；当列车速度较高时实施 电制动，低速区域电制动不足或故障时由空气制动补充。制动方式的转换由微机 系统控制完成。 c r h 2 一a 动车组的制动系统在列车伤的布置如图2 2 所示。司机制动控制手柄 安装在驾驶室内便于操纵的位置，空气压缩机、干燥装置、制动控制装置和制动 缸等布置在车下。 司机制动 控制手牺 2 2 制动的种类 学 1 ? 图2 2 制动系统在列车上的位置 f i g u r e2 2l o c a t i o no ft h eb r a k es y s t e m 压缩机 ( 1 ) 常用制动 c r h 2 动车组的常用制动设1 - 7 级，制动指令信号为数字式，采用光纤传输。 当列车制动初速在7 5 k m h 以上时，以1 m 1 t 为单元对电制动力和空气制动力进行 控制，动车的电制动优先，拖车的空气制动延迟作用，动车的再生制动负担拖车 的部分空气制动。初速在6 5 k m h 以下时，切换成各车制动力独立控制的模式。 6 乒， 常 备 的备用制动是通过电压控制的电气指令式空气制动，能产生相当于3 级、5 级、7 级常用制动及非常制动的制动力，但每个级位的制动力为定值，与列车速度和载 重无关。 ( 5 ) 耐雪制动 耐雪制动的作用方式与常用空气制动相似。降雪时，为防止冰雪进入制动盘 和闸片之间的空隙，可使闸片推出，无间隙地轻轻接触制动盘。耐雪制动于时速 1l o k m 以下，在耐雪制动开关置于作用位并操纵制动控制手柄时动作。 ( 6 ) 停放制动 c r h 2 动车组无专门的停放制动装置。再坡道上停放时，是通过在最上方的3 个轮对下放置6 个铁鞋，来防止列车因重力或风力作用而溜逸。 2 3 系统的技术特点 ( 1 ) 常用制动采用电、空结合的复合制动方式， 能量约占全部制动能量的9 7 0 3 。 ( 2 ) 常用制动按速度一黏着特性曲线进行控制， 制动力的大小。 电制动优先，所承担的制动 并可根据载荷变化自动调整 ( 3 ) 基础制动装置采用液压夹钳装置，体积小，响应迅速。 ( 4 ) 具有与列车运行控制系统a t p l k j 2 0 0 0 的接口，可施行安全制动。 ( 5 ) 具有故障诊断和相关信息保存功能。 7 北京交通大学硕士学位论文 2 4c r h 2 动车组制动控制系统 c r h 2 动车组的制动控制系统包括制动信号发生装置、制动信号传输装置和 动控制装置三部分。制动控制系统能够实现制动指令的发生及传输、常用制动 非常制动、紧急制动、辅助制动和耐雪制动的控制、a t p l k j 2 0 0 0 参与的速度控制、 防滑控制、主空气压缩机起停控制、系统状态记录和故障诊断等一系列功能。 图2 3 为c r h 2 动车组制动控制系统的典型结构。 制动控制手柄 ，j 1 c r h 2 动车组制动系统 另一种来自a t p 或l k j 2 0 0 0 设备，由a t p 或l k j 2 0 0 0 与制动系统的接口发出。司 机控制手柄位于1 、8 号( t l c 、t 2 c ) 车的司机室操纵控制台，其外形如图2 4 所 不。 图2 4 制动控制手柄外形 f i g u r e2 4s h a p eo ft h eb r a k ec o n t r o lh a n d l e ( 2 ) 制动信号传输装置 制动信号传输装置即列车线，它借助列车信息控制系统( 包括中央装置、车 辆信息终端装置) ，不但负责将制动信号发生装置发出的制动指令传送给列车中所 有车辆，还负责将各车的信息传递给司机室。 列车线有普通金属线和光缆两大类。为提高信号传输的质量和速度，减轻信 号传输系统的重量，动车组中的列车线往往采用光缆。 制动控制系统中传输的信号有模拟信号和数字信号两种。模拟信号是以电压、 电流、频率、脉宽等模拟量的大小表示不同的制动要求；数字信号则是以若干指 令线不同的通、断组合来表示。模拟信号系统的优点是便于实现无极精确控制， 而数字信号系统的优点在于反应迅速、可靠性高。虽然数字信号系统只能进行有 级操纵，但实践证明：当常用制动设置7 级时，已能保证运用中足够的精确度， 且由于数字信号系统的显著优点，信号传输系统中多采用数字信号。 ( 3 ) 制动控制装置 制动控制装置也称电子制动控制装置、电子制动控制单元( b c u ) ，它是制动 控制系统中接受制动指令，并根据指令对制动力进行计算和分配的装置。c r h 2 动 车组中的所有车辆均装有b c u ，吊装在每辆车的地板下，内部集成了制动控制单元 b c u 和各种空气控制阀类等，其核心为b c u ，它根据输入的制动指令信号、速度信 号和载荷信号输出决定电制动力和空气制动力的制动信号。b c u 通过微机处理器， 采用数字运算处理方式，并与传输终端之间进行信息传输，实时的输出各种控制 数据，b c u 的功能可归结为制动控制、防滑控制和辅助控制( 如空气压缩机的控制 9 备有无异常的 为保证发 c r h 2 动车组通信网络 3c r h 2 动车组通信网络 在引言部分简要介绍了c r h 2 动车组列车控制网络结构，本章将对c r h 2 动车 组通信网络进行详细的介绍。 为了实现列车中分散于各车辆中设备的协调工作，列车通信网络在初期串行 通信总线的基础上逐步发展起来，它能够实现列车中所有设备的信息共享、协调 工作、以及故障的远程诊断和维护，为旅客提供信息服务等功能。 世界各国铁道机车车辆生产企业在各自发展过程中使用了不同的列车通信网 络技术。目前广泛使用的列车通信网络有符合i e c 标准的t c n 网络( i e c 6 1 3 7 5 ) 、 符合i e e e 标准的列车通信网络( i e e e l 4 7 3 ，包括t c n 网络和l o n w o r k s 网络) ，以 及其他工业控制网络，如应用于t g v 高速列车a r g a t 控制系统的w o r l d f i p 网络、 应用于日本新干线高速列车的a r c n e t 网络等。本章主要介绍c r h 2 型动车组的列 车通信网络及相关的信息传输协议。 3 1c r h 2 动车组信息传输系统 c r h 2 型动车组信息传输系统通过贯穿列车的总线传输信息，并且对列车运行 状况及车载设备动作的相关信息进行集中管理，可以有效地实现对司机和乘务员 的辅助作用，加强对设备的保养和提高对乘客的服务质量。传输的信息主要包括 控制指令、设备状态数据和故障诊断数据三大信息。对控制指令等要求有应答的 重要数据，中央装置光节点同时向环路的两个方向发送信息，以便及时避开故障 点。对于监控信息等其他的数据，采用单方向传输，如果发信源的光传输节点没 有检测到应答，则向另一方向的传输回路发送信息。 信息传输系统主要由列车信息中央装置( 简称中央装置) 、列车信息终端装置 ( 简称终端装置) 、列车信息显示器、显示控制装置、i c 卡读写装置以及乘客信息 显示器等组成。头车中设置由控制传输部和监视器部组成的中央装置，具有列车 信息管理和向列车信息终端装置传输数据的功能。各车厢分别设置有一台终端装 置，实现各车厢中车载设备的信息传输。图3 1 所示为c r h 2 型动车组信息传输系 统的构成。 北京交通大学硕士学位论文 7 嘲雾 列车总线 嚣皂啊 严鳓 l l “”“1 0 瞄翰绷耀j黛鞠潮j 德蝴噬 鼢 懿五，：鞫凝。晶- ：鬻 孙 ll- 孽匾副飞渤 嘲嵩 层 局部总线 0 。o 。o 。o ，；，i ， m3 。， mm+p “ ， i 图3 1 信恩传输系统的构成 f i g u r e 3 1s t m c t u r eo fi n f o r m a t i o nt r a n s f e rs y s t e m 传输线有列车信息传输线( y 6 纤) 及自我诊断信息传输线( 双绞线) 两种。 列车总线采用光纤技术，其使用规格为a n s l 8 7 8 1 a r c n e t ，传输速度为 2 5 m b i t s ，拓扑结构为双重环形。其中，牵引变流器和制动控制装置的传输适合 使用光纤方式，采用2 0 m a 电流环形方式。一部分设备的传输采用高级数据链路控 制h d l c 方式，拓扑结构为点对点。自我诊断传输线采用双绞线，以总线方式连接 中央装置与终端装置，采用h d l c 作为数据交换协议，传输速度为3 8 4 k b i t s 。图 3 2 为c r h 2 型动车组的通信网络结构。 厶 u 畿j l 蝴k 手盛掰触li 【呻鬻私黯 囝? 觥蝴躺器恙 囝删蝴 网恼两瓯 图3 2 通信网络结构 f i g u r e 3 2s n u c n j r eo f c o m m u n i c a t i o nn t e w o r k 1 2 h d l c ( - 与b c u ，光纤) ： 2 0 m a 电流环；3 0 m a 电流环 ( 电流环传输线) 嘉 _fzil c r h 2 动车组通信网络 3 2 列车总线与列车通信网络 列车级总线有两种类型。其一为光纤，对应的列车级网络为光线环网，连 所有中央装置与终端装置，采用a n s i a t a 一8 7 8 1 a r c n e t 协议；其二为自我诊断 输线，对应的列车级网络为自我诊断传输网，以总线方式连接中央装置与终端 置，采用h d l c 作为数据交换协议。 3 2 1a r c n e t 协议 a r c n e t 协议最初由美国d a t a p o i n t 公司于1 9 7 7 年成功开发并用于办公局域 中，后来a r c n e t 协议的时间确定性、数据传输的可靠性和组网的灵活性，使其 工业实时控制系统中找到了新的应用途径。 a r c n e t 可以使用的通信介质有r g - 6 2 同轴电缆、双绞线与光纤。新型的a r c n 传输速度已从原来的2 5 m | b i t s 增加到1 0 0 m b i t s ( 使用光纤时) 。这种网络采用 的媒体访问方法为令牌总线。从o s i 参考模型来看，它提供了网络的物理层和数 据链路层服务，说明a r c n e t 能方便地在两个节点之间实现数据包的发送和接收。 a r c n e t 有令牌帧( i t t ) 、空闲缓冲查询帧( f b e ) 、确认帧( a c k ) 、否认帧( n a k ) 及数据传输帧( p a c ) 。各帧结构如下表所示： 表3 1a r c n e t 的帧结构 r l b l e 3 1s t r u c t u r eo f a r c n e tf r a m e i t ta l e r te o ts l dd i d f b ea l e r te n qs i dd i d p a ca l e f u 、s o hs i dd i dc o u n td a 舱c r c c r c a c ka l e r ta c k n a ka l e f 订、 n a k 在a r c n e t 网络中，每个节点均有唯一的m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 地址， 其取值范围为0 2 5 5 ，其中o 是网络广播地址。每个节点在系统初始化或重构时 确定它在逻辑环中的下一个节点，并将下一个节点的i d 值保存在各自专用的寄存 器n i d ( n e x ti d ) 中，并按m a c 地址从小到大的顺序构成一个逻辑环路。 令牌( i t t ) 是一个独特的信号序列，会在网上所有有效节点以有效方式通过， 当一个独特的节点接收到令牌，它拥有独一无二的权力进行初始化传送序列或它 必须把令牌交给逻辑上相邻的节点。这个节点在物理上可以位于网络上的任何地 方，它的地址仅高于拥有令牌的节点。令牌一旦传递过来，接收方同样地拥有进 行初始化传送的权力，这个令牌传送序列以逻辑环方式对等地光顾到每一个节点， 节点地址必须唯一，自1 - - - 2 5 5 ，0 保留为广播信息。 北京交通大学硕士学位论文 当一个节点加电或8 4 0 m s ( 2 5 m b p s 速率下) 没有收到令牌时，它即发出一个 重构脉冲，使总线终止一切活动，造成令牌丢失，从而引发系统重构。经过重构 形成新的逻辑环，新节点也就加入到网络中。重构时间的多少取决于网上节点的 多少和数据传输速率的大小，通常为2 0 3 0 m s 。当一个节点由于故障或断电而退 出网络时不需要进行整个逻辑环的重构，因为当逻辑环的上个节点( 存有退网 节点的i d 值) 向它发送令牌时，不可能收到它的响应，因而令牌发送者将它的 n i d 值自动加1 ，重发令牌，直到收到响应，即找到逻辑环中新的下一个节点为止 ( 实际上新的下一个节点就是故障节点在原逻辑环的下一个节点) ，节点的退网也 就完成。 在数据传送的过程中，一旦源节点将待发的数据写入协议控制器的内部r a m ， 在该节点持有令牌时，相当于接收到令牌传送帧( i t t ，i n v i t a t i o nt ot r a n s m i t ， 简称令牌) ，首先向目的节点发送一个空闲缓存查询帧( f b e ，f r e eb u f f e r e n q u i r y ) ，查询目的节点是否有足够的接收缓存，目的节点如有，则回答一个确 认帧( a c k ，a c k n o w l e d g e m e n t ) ，否则回答一个否认帧( n a k ，n e g a t i v e a c k n o w l e d g e m e n t ) 。源节点只有收到来自目的节点的a c k 帧后才向其发送一个含 有用户数据的数据帧( p a c ，p a c k e t ) 。如果目的节点收到了数据，且通过了c r c 校 验，则回送一个a c k 帧，告诉源节点数据接收成功，否则目的节点不回发任何信 息，导致源节点超时，源节点认为数据发送失败，等下一次收到令牌时重发该数 据帧，至此节点传输过程结束，令牌被传递给下一个节点。 3 2 2h d l c 协议 h d l c 高级数据链路控制( h i g h l e v e ld a t al i n kc o n t r 0 1 ) ，是一个在同步网 上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织( i s o ) 根据i b m 公司的s d l c ( s y n c h r o n o u sd a t al i n kc o n t r 0 1 ) 协议扩展开发而成的。七十年代初， i b m 公司率先提出了面向比特的同步数据链路控制规程s d l c ( s y n c h r o n o u sd a t a l i n kc o n t r 0 1 ) 。随后，a n s i 和i s o 均采纳并发展了s d l c ，并分别提出了自己的 标准：a n s i 的高级通信控制过程a d c p ( a d v a n c e dd a t ac o n t r o lp r o c e d u r e ) ，i s o 的高级数据链路控制规程h d l c ( h i g h - l e v e ld a t al i n kc o n t l ) u 1 。 在h d l c 协议中，数据和控制报文均以帧的标准格式传送h d l c 帧结构。表3 2 为h d l c 帧结构。 表3 2h d l c 帧结构 t l b l e3 2f r a m es t r u c t u r eo fh d l c l 起始标志l 地址ai 控制cl 信息ii 帧校验l 结束标志l 1 4 c r h 2 动车组通信网络 h d l c 的完整的帧由标志字段( f ) 、地址字段( a ) 、控制字段( c ) 、信息字段 ( i ) 、帧校验序列字段( f c s ) 等组成 标志字段( f ) 标志字段为0 1 1 1 1 1 1 0 的比特模式，用以标志帧的起始和前一帧的终止。标志 字段也可以作为帧与帧之间的填充字符。通常，在不进行帧传送的时刻，信道仍 处于激活状态，在这种状态下，发方不断地发送标志字段，便可认为一个新的帧 传送已经开始。采用“0 比特插入法 可以实现数据的透明传输。 地址字段( a ) 地址字段的内容取决于所采用的操作方式。在操作方式中，有主站、从站、 组合站之分。每一个从站和组合站都被分配一个唯一的地址。命令帧中的地址字 段携带的是对方站的地址，而响应帧中的地址字段所携带的地址是本站的地址。 控制字段( c ) 控制字段用于构成各种命令和响应，以便对链路进行监视和控制。发送方主 站或组合站利用控制字段来通知被寻址的从站或组合站执行约定的操作；相反， 从站用该字段作对命令的响应，报告已完成的操作或状态的变化。该字段是h d l c 的关键。控制字段中的第一位或第一、第二位表示传送帧的类型，控制字段的第 五位是轮询终止( p o ll f i n a l ) 位。 信息字段( i ) 信息字段可以是任意的二进制比特串。比特串长度未作限定，其上限由f c s 字段或通信站的缓冲器容量来决定，目前国际上用得