（控制理论与控制工程专业论文）高速磁浮列车通信网络研究.pdf

国随挝堂挂苤盍堂硒氯生院堂焦迨塞 摘要 本文以一种新型轨道交通运输工具高速磁浮列车为应用背景，在深入了解磁浮列 车原理、结构的基础上，对高速磁浮列车车载通信网络进行了系统地研究，并着重探讨和 研究了车载通信网络的硬件软件系统设计、实现以及c a n 网络和工业以太网的实时性能等 问题，从而为最终采用工业以太网和c a n 总线独立实现磁浮列车车辆控制系统奠定了基础。 本论文研究的列车总线则采用高带宽的以太网，车辆总线采用强实时性的c a n 总线， 二者通过自行设计的嵌入式透明网关进行无缝连接；该网关模块采用d s p 加m c u 的双处理 器架构，并通过c 语言编程实现了标准c a n 协议和经裁剪的t c p i p 协议；利用v c 进行 w i n s o c k 编程，在列车诊断计算机中实现了全列车范围的设备监控。 接着针对具体的悬浮控制系统，对c a n 网络的实时性能进行了详尽的分析和测试，论 证了c a n 应用于悬浮控制系统设备总线的可行性；对工业以太网的关键性技术进行了分析 和论述，并对提升工业以太网实时性能的方法和途径进行了探讨。 关键字：磁浮列车通信网络、c a n 、以太网、网关、工业以太网、网络实时性能、t c n 第1 v 页 国防抖堂拄盛太堂妞窥生隧堂焦淦塞 一一一 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e st h ea p p l i c a t i o no fh i g h s p e e dm a g n e t i cl e v i t a c i o n ( m a 9 1 e v ) t r a i n ，w h i c h i san e wt y p eo fr a i lt r a n s i tv e h i c l e ，a st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k so f t h em a g l e vt r a i ni ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yw i t ht h ep r i n c i p l ea n da r c h i t e c t u r ec o m p r e h e n d e d ， e s p e c i a l l y , q u e s t i o n sa b o u td e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m ，a sw e l l a st h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft h ec a na n di n d u s t r i a l e t h e m e t ，a r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d d e t a l l e d l y s u c hw o r kl a yaf o u n d a t i o nf o ru s i n gc a n a n di n d u s t r i a l e t h e r n e tt oe s t a b l i s ht h e m a g l e vt r a i nc o n t r o ls y s t e mj o i n t l y t h et r a i nb u so fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si sr e a l i z e db yu s i n ge t h e m e t ，w h o s ep r o m i n e n t a d v a n t a g ei st h eh i g hb a n d w i d t h t h ev e h i c l eb u si sr e a l i z e dw i mc a nb u s w h i c hp o s s e s s e s s t r o n gr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e t h ef o r m e rt w ob u s e sa r el i n k e dw i t hae m b e d d e dt r a n s p a r e n t g a t e w a y , w h i c hi sd e s i g n e di nd u a l p r o c e s s o rf r a m e w o r k ( d s p + m c u ) ，a n dt h es t a n d a r dc a n b u sp r o t o c o la n dc o m p a c tt c p i pp r o t o c o la r ea c h i e v e di nt h eg a t e w a ym o d u l e f i n a l l y , t h e m o n i t o ra n dc o n t r o lf u n c t i o nf o rt h ew h o l em a g l e vt r a i ni sa c h i e v e db yt h ea p p l i c a t i o n p r o g r a m m e di nv ca n dw i n s o c k i nt h em a s t e rc o m p u t e r a f t e r w a r d ，t h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo ft h ec a n i sa n a l y z e da n dm e a s u r e dp r e c i s e l y , a n d t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gi ta sd e v i c eb u si n d e p e n d e n t l yi sp r o v e n t h ek e yt e c h n i q u e so ft h e i n d u s t r i a l e t h e m e t ，a sw e l la st h ew a y sa n dm e a n st oi m p r o v er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo fi t ，a r e r e s e a r c h e d k e y w o r d s ：m a g l e v t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s 、c a n 、e t h e m e t 、g a t e w a y 、 i n d u s t r i a l e t h e m e t 、r e a l t i m ep e r f o r m a n c e 、t c n 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：壹运熊翌到主i 重篮圆盟窀 学位论文作者签名：亟一经 日期：勿吖年f 7 月f - 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阕；可以将学位论文曲全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 商i 塞垡受到主i 重笸圆缝煎冠 学位黻作者签名：羔垦 作者指导教师签名：妇 日期：竹争年r f 月，9 日 日期：二4 年1 1 月孰日 国随魁堂技盔盍堂盟塞生随堂位论塞 第一章绪论 1 1 研究背景及课题概述 列车通信网络是应用于列车这一流动性大、实时牲强、环境恶劣、可靠性要求高、与 控制系统紧密相关的特殊计算机网络，是一种面向控制、连接车载设备的数据通信系统， 是分布式列车控制系统的核心。其集列车控制系统、故障检测与诊断系统以及旅客信息 服务系统于一体，以车载微机为主要技术手段，并通过网络实现列车各个系统之间的信息 交换，最终达到对车载设备的集散式监视、控制和管理目的，实现列车控制系统的智能化、 网络化与信息化。 现代列车可以是动力集中型，即首尾为机车、中间为客车；也可以是动力分散型，即 动力分散布置在若干动车上，全列车由若干动车和拖车组成，动车和拖车都是载运旅客的 客车。列车不仅需要实现对各动力车牵引动力的重联控制，而且也需要对全列车的空气制 动、门、空调等进行监测与控制，司机需要了解全车各个重要部件的状态，在发生故障的 条件下采取相应的对策，为此，需要把全列车各个计算机控制的部件联网通信，构成列车 通信网络，并通过安装在司机室的显示屏、语音提示等把情况告知司机。 在列车通信网络研制的早期阶段，列车通信网络与列车控制系统是相对独立的。它的 任务主要是收集全列车各部件的状态、数据，以便进行监视和诊断。列车控制系统主要通 过硬连线把命令传送到各节车厢，从而实现对全车的重联控制。控制的命令是不经网络传 送的所以在列车网络通信失效时，列车控制不会跟着失效。这样做的主要原因在于初期 列车通信网络的可靠性还远未达到可信赖的程度。此时的列车通信网络在列车控制中并不 是不可缺少的，它属于锦上添花。日本3 0 0 系列电动车组就是这样的，它装有车辆情报管 理系统t i s ，所提供的信息一是为乘务员决策提供依据，二是便于维修。控制的级位和命 令采用硬连线直接传送，因而贯通全列车的硬连线比较多。 随着列车通信网络技术的发展，其可靠性程度得到提高，其功能也在不断增强。它已 不仅具备监视、诊断功能，而且可传递控制所必需的信息，如各种控制命令都可通过网络 传送到各车的各个设备，执行的结果也可通过网络返回给司机。采用列车网络控制不仅可 省去大量的重联线，而且也可使全车各部件控制更加协调、精确和合理，从而整体上提高 控制的技术水平。而控制与监视、诊断合二为一，将使信息更加丰富，并避免重复取信号， 从而也提高了监视和诊断的水平。 第1 页 国随抖黧技丕态堂盟究生陆堂焦监塞 虽然在现代列车上采用列车控制通信网络是发展的必然趋势。但是随着现代列车在速 度、可靠度、舒适度等方面的迫切需求，新技术得到广泛的应用，进而导致列车系统内部 的信息量剧增，系统各部分的有机联系大大增强，使得大量相关信息需要在机车车辆各计 算机之剐互相传输与交换。因此，如何将这些信息安全、可靠、快速、准确地在整部列车 l 二传输，已经成为现代列车研制中面临的一个关键性课题。 与此同时，随着社会发展对高速轨道交通工具的迫切需求，磁浮列车作为一种新型轨 道交通工具，不但明显具有速度快、选线灵活、无污染和乘坐舒适等优点，还具有很强的 加速、制动以及爬坡能力，符合现代交通工具要求。在1 9 7 9 年，德国蒂森亨舍尔公司研 制出世界第一列有载客许可的常导磁浮列车t r 0 5 。2 0 0 2 年在上海j 下式投入运营的世界首 条磁浮列车商业运营线路采用的即是t r 0 8 的改进型，其设计的最高运行速度为5 0 5 公里 小时，实际最高运营速度为4 3 0 公罩小时，全程3 1 5 公里运行时间为8 分钟。 在我国，国防科学技术大学和西南交通大学也先后独立自主地开展了磁浮列车技术研 究，并逐步走向工程应用。 由于磁浮列车系统组成较复杂，包括悬浮导向、牵引制动、供电、运行控制( 包括a t o 、 a t p 、a t s ) 、列车控制( 包括c c u 和v c u 等等) 、在线诊断、过程监视、乘客信息与通话、 测速定位等子系统；且相对于常规列车，磁浮列车具备动力完全分散的特性，即列车中每 辆车都是动车，因此每辆车的电气设备相当分散，也相对较多。为了实现整个列车的安全 运行，充分发挥磁浮列车的优越性，并实现控制的分散、管理的集中，数据管理的一元化 和整体的最佳控制，必须在各辆车之问通过磁浮列车通信网络连接起来，以达到共享信息、 减少布线、降低成本和提高总体可靠性的目的。 此外，由于磁浮列车系统设备的数量以及复杂度均大大增加，相应导致系统的检测、 控制、故障诊断和旅客服务等信息容量倍增，同时在磁浮列车运行过程中存在着强电磁干 扰等，这些因素均对磁浮列车控制通信网络的设计提出了很高的要求。 本课题就是在原国防科技大学中低速磁浮列车通信网络的基础上，进一步对高速磁浮 列车通信网络进行研究，为列车系统的信息化控制打下基础。考虑到磁浮列车是一种动力 高度分散的复杂系统，而且运行在高速、强磁的恶劣环境，加上现存控制网络技术和设备 纷杂，性能不一，所以正确选择通信协议和网络设备，并合理构建与配置一个磁浮列车通 信网络系统，成为本课题研究的重点和难点。 第2 页 国随抖堂拄丕厶堂婴究生院堂焦i 金塞 1 2 列车通信网络发展概况 计算机在轨道交通工具上的应用随着7 0 年代后期微处理器技术的普及而迅速发展。最 初微处理器主要应用于机车车辆单个设备的控制，如西门子、b b c 于8 0 年代初把8 0 8 6 微处 理器应用于机车或动车的传动控制，株洲电力机车研究所于8 0 年代前期开展了用z 8 0 微处 理器控制静止劈相机的研究、试验。 随着微处理器控制、服务对象的增多，人们引入了铁路控制系统层次划分的思想，并 将铁道系统依次划分为6 个层次：公司管理、铁路运营、列车控制、机车车辆控制、传动 控制和过程驱动，于是列车通信网络在初期的串行通信总线的基础上应运而生，产生了基 于串行通信的、用于较为独立的控制设备或层次间信息交换的总线与企业标准，如b b c 连 接机车控制层与传动控制层的串行控制器总线，该总线后来发展成为用于连接机车内的所 有智能设备的m i c a s 车辆总线。1 。9 0 年代初，为满足机车和动车组重联控制的需要，产生了 列车总线，如西门子的d i n 4 3 3 2 2 列车总线。至此，一些大的铁路公司以牵引控制系统为基 础、以列车通信系统为纽带、以新器件和新工艺为载体，相继推出广泛覆盖牵引、制动、 辅助系统、旅客舒适设备控制和显示、诊断等的列车通信与控制系统，在欧洲般简称为 t c c 。在北美，类似的系统被称为基于通信的列车控制系统，简称c b t c ，该系统中的列车 通信网络部分也达到了相当高的水平”1 。 在列车通信网络发展的早期阶段，由于各个国家的铁路发展阶段和要求的差别，导致 各个国家在制定适合自身发展的列车通信标准的差异较大，各个大公司的系统均自成体 系，互不兼容，为产品的开发造成一定的困难，对今后列车通信网络的发展设置了障碍。 纵观全球的列车通信网络，技术比较成熟、并具较大发展潜力的列车通信网络标准可 以分为以下两类： 1 t c n 1 9 8 8 年，i e c 第9 技术委员会t c 9 成立了第2 2 3 2 作组w g 2 2 ( 即t c 9 - w c 2 2 ) ，其任务是制 订一个开放的列车通信系统( t c n ) ，从而有利于铁路运营部门、装配厂和设备供应商实现 世界范围内车辆间的相互操作和插入式设备的联接，最终使得各种铁道机车车辆能够互 联，车上的可编程电子设备能够互换。 i e c 在$ 4 l t t c n 标准时，首先考虑的是用户，特别是u i c 的需求。为此，把列车区分为 在运营中不改变编组的列车和在运营中可以改变编组的列车。标准的重点应放在后者，但 也可以用于前者。当然在标准的制订过程中，更重要的是其必须要建立在已被实践验证的 第3 页 鱼随抖堂撞本厶堂鳃窥生医堂僮i 金塞 技术的基础上，并能得到大部分铁路公司的支持。 1 9 9 2 年6 月，t c 9 一w 6 2 2 以委员会草案c d ( c o m m it t e ed r a f t ) 的形式向各国发出列车通 信网t c n 的征求意见稿。该稿分成4 个部分：第l 部分总体结构；第2 部分实时协议：第3 部 分多功能车辆总线w b ；第4 部分绞式列车总线w t b 。 1 9 9 8 年1 1 月，在中国湖南株洲召开i e c t c 9 年会。1 9 9 9 年6 月，t c n 标准草案6 1 3 7 5 一l 萨式成为国际标准。在6 1 3 7 5 1 中，除了以上4 个部分外，还包括第5 部分( 列车网络管理) 、 附录a ( 列车通信网导引) 和附录b ( 一致性测试导则) 。 w t b 与j l f v b 一起构成了i e c6 1 3 7 5 1 1 9 9 9 国际标准的主体。t c n 标准中的w t b 以d i n 4 3 3 2 2 和c d 4 5 0 为基础；m v b 则以m i c a s 为基础，由a d t r a n z ( 已被b o m b a r d i e r 收购) 和s e m e n s 等公 司率先歹| 发出来。国际上一些大的铁路工业公司，以t c n 标准为依据，正推出符合该标准 的地铁、动车组等轨道交通车辆产品。 t c n 总体结构把列车通信网规定为由多功能车辆总线( m v b ) 和绞式列车总线( w t b ) 组成。m v b 的传输介质可以是双绞线，也可以是光纤。在后一种场合中，其跨距为2 0 0 0 m ， 最多可连接2 5 6 个智能总线站。数据划分为过程数据、消息数据和监管数据。对过程数掘 的传输作了优化。发送的基本周期是1 m s 或2 m s 。w t b 的传输介质为双绞线，最多可连接3 2 个节点，总线跨距8 6 0 m 。w t b 具有列车自编组和接触处防氧化功能。发送的基本周期是2 5 m s 。 出于t c n 标准已被 e e e1 4 7 3 2 1 9 9 9 和我国铁道行业标准t b w3 0 3 5 2 0 0 2 列车通信网 络所采纳，成为我国列车通信网络发展的事实标准，并成为现有列车新产品开发的基础。 2 l o n w o r k s 1 9 8 8 年在美国成立的e c h e l o n 公司于1 9 9 0 年1 2 月向全世界推出t l o n w o r k sn e t w o r k s 全分布智能控制网络技术，并于1 9 9 4 年公布了第l 套l o n m a r k 互l 操作性设备规范，形成了 l o n t a l k 协议，分别被a n s i 、i e e e 、a a r 、a s h r a e 、i f s f 等标准组织所采用”1 。l o n w o r k s 作 为实时过程控制通信协议，其许多性能都符合t c n 标准的要求，具体表现在以下几个方面： 1 ) 突出的统一性、开放性及互操作性：l o n w o r k s 网络协议符合国际标准化组织( i s o ) 定义的开放互联( o s i ) 模型，任何制造商的产品都可以实现互操作。协议对外开放， 对任何用户平等。该特性完全符合t c n 关于实现世界范围的车辆问的相互操作和插 入式设备连接的要求。 2 ) 通信媒介的多样性：可用任何媒介进行通信，包括双绞线、电力线、光纤、同辅电 缆、无线电波、红外等，为开发列车通信网络时选择通信媒介提供更多的选择余地。 3 ) 多种型式的网络拓扑结构：有星型、总线型、环形及自由拓扑型；网络结构可以是 第4 页 围随抖生螳苤厶堂卿究生隆堂僮论塞 主从式、对等式或客户n 务式结构。 4 ) 通信速率高：通信速率可达1 2 5 m b s ，此时有效距离为1 3 0 m ；7 8 k b s 的双绞线，直 线通信距离可达2 7 0 0 m 。这种通信速率及通信距离基本上符合列车通信网络的要求。 5 ) 主要元器件的工作温度范围宽：其神经元芯片的协议控制器和总线收发器的工作温 度范围为一4 0 8 5 。c ，符合机车车辆行业对环境温度的特殊要求。 l o n w o r k s 作为一种性能优越的工业现场总线，被广泛用于航空航天、建筑物控制、 工厂自动化等领域。在全球工业控制节点中，l o n w o r k s 占有率达5 1 。 l o n w o r k s 在铁路工业中也有广泛的应用。在国外，l o n w o r k s 网络已经在列车制动、门 控、辅助电源控制、监控、空调及通风、旅客信息、信号、故障记录、到站显示、照明等 方面有应用实例，如美国新泽西轻轨c o m e ti v 项目、旧金山湾区地铁( b a r t ) 制动系统监视 器和自动列车控制系统、a l s t o m 公司的牵引力系统、d b 的照明、供暖和空调控制系统等。 1 9 9 7 年，美国铁路协会( a a r ) 已经把l o n w o r k s 技术作为a a r 标准( s - 4 3 2 0 ) 。1 9 9 9 年8 月， l o n w o r k s 控制网络技术正式成为在列车通信方面新的i e e e1 4 7 3 2 1 9 9 9 标准的一部分，即 i e e e l 4 7 3 2 一l ( l o n w o r k s ) 。它和前述的i e e e l 4 7 3 2 一t ( t c n ) 共同形成列车网络控制的标准。 目前，正在开发相关的网关，以使两项标准网络可以互联。 1 3 磁浮列车通信网络 1 3 1 德国磁浮列车通信网络结构 随着上海高速磁浮列车线路的正式运营，标志着磁浮列车技术进入了实用阶段；而通 过这两年来运营的良好安全记录，标志着该系统中负责全车监控、诊断和控制的通信网络 具备高稳定性和高可靠性，具备较强的借鉴性。 德国高速磁浮列车的通信网络系统采用的是“三级两线”方式，三级即采用列车控制 级、车厢控制级和设备控制级；两线是指采用列车总线加车辆总线的分层控制方式。此外， 该磁浮列车控制通信网络还另外设置一i b u s 总线，用以调试列车通信网络时在线下载更 新应用程序。 1 3 2 国防科技大学磁浮实验车的通信网络 国防科技大学研制成功的c m s 一3 型中低速磁浮列车采用了自主研发的通信网络( 监控 网络) ”1 ，主要完成系统设备的连接、监视和诊断。该通信网络具体分为车辆级控制层和 列车级控制层。在车辆级控制层，车厢内部的设备通过c a n 总线互联”1 ，有关设备的详细 工况数据均通过该总线传递。列车级控制层主要通过p r o f i b u s 总线进行连接，主要包括 第5 页 园陵抖堂控丕厶堂班究生瞳堂焦途塞 首尾的列车级监控计算机系统、安全监控计算枫系统、液晶显示微机以及p r o f i b u s 总线 设备1 。二者最后通过基于s p c 3 的网关模块进行连接。也就是说在该通信网络中，列车总 线采用p r o f i b u s 总线，车辆总线采用c a n 总线。“”1 。该系统总体运行性能良好，但是存在 列车编组自适应等问题m 。 此外国防科技大学和株洲电力机车研究所合作，正将t c n ( w t b 和m v b ) ，移植到中低 速磁浮歹u 车通信网络，但是此种网络技术相对封闭，投资也相对较大，造成我单位设备连 网困难( 目前考虑采用c a n 转m v b 连接板) 。 1 3 3 本文研究的磁浮列车通信网络 本设计即以国防科大原有磁浮列车通信网络为基础，并借鉴德国磁浮列车通信网络的 成功经验，在通信网络上采用分层网络架构，即列车总线采用目前普遍应用的以太网络， 牟辆总线采用汽车上广泛应用c a n 总线。磁浮列车通信网络和车载诊断计算机一起构成车 载诊断系统，主要传输检测与诊断信息，负责系统的诊断、调试任务。 列车系统的控制功能由独立的车载控制系统完成，其和车载诊断系统一起构成磁浮列 车车辆控制系统。车辆控制系统以车辆为基本单元，完成对车辆内部的控制、监视、故障 诊断等功能。本设计主要针对具有首、中、尾三节车厢的磁浮列车进行设计，多节车厢的 磁浮列车可以在此基础上根据级联的原理进行扩展。 下图为磁浮列车车辆控制系统结构示意图。 首车中车尾车 硬连线。 车载控制车载控制 一鬻“ 1 一 子系统子系统 h 生 穗娃彘自 毒毒 奎 辆辆 安l 设 设l 安 全 全 倒p i t 计 计 算 事c a n 事| 列车i 算 机l 垮堕+ j 车熹断j 懈 机 ba l 寸算【车辆谤断l l 车辆诊断l l 子系统l 肾l 咿l 丁l 。i l | 子系统 一f 丁tt 图1 3 i 磁浮列车车辆控制系统结构示意图 从上图可知，车载控制系统部分是通过1 0 芯硬连线进行连接，其中每节车厢的被控 设备均与车载控制子系统进行连接，而多个车载控制子系统进行级联，最后均连接到安全 第6 页 国陵越鲎茧盔盍堂蛆宜生医堂位论塞 一一 汁算机，构成一个完整的车载控制系统。 车载诊断系统则是通过总线连接，并采用分层网络架构。其车辆总线采用c a n 总线 连接，而列车总线采用以太网连接。车辆诊断子系统具备对本车厢设备的监控、诊断功能， 同时还兼具网关的功能，而列车诊断计算机需完成对全列车设备的监控和诊断，并为车辆 安全计算机提供决策参考。 1 4 本文研究意义及工作安排 本文以高速磁浮列车为课题背景，研究如何构建一套软硬件资源完整的磁浮列车控制 通信网络，并在实时性和稳定性方面满足控制系统的要求。下面是各章的内容梗概； 第一章：对列车通信网络的重要性和发展历史进行了简介；论证了发展高速磁浮列车 通信网络的必要性；最后对几种典型的磁浮列车的通信网络进行了介绍，并 确定了本设计的总体结构和方案。 第二章：磁浮列车通信网络硬件平台设计。该通信网络包括车辆总线和列车总线两部 分：车辆总线采用c a n 网络，并通过设计底层设备的c a n 接口，实现所有待 诊断设备的互联；列车总线采用标准以太网；最后通过自行设计的网关模块， 将上层的以太网和底层的c a n 网络进行无缝连接。 第三章：针对上面设计的硬件平台，编制对应的应用程序。在车辆总线中，主要是各 c a n 接口单元的程序编制；在网关节点中主要实现t c p i p 协议与c a n 协议的 转换：同时在最上层的诊断计算机中，通过w i n s o c k 网络编程，实现了对整 个列车总线的控制和管理，同时实现主机的热备份功能。 第四章：对应用于磁浮列车控制系统的c a n 网络进行实时性能分析，从网络延时大小 和延时变化大小两个方面论证了其应用于磁浮列车设备总线的可行性。 第五章：针对可应用于列车总线的工业以太网进行了介绍和分析。首先从普通以太网 开始，介绍了以太网络运行的原理和特点。然后重点针对应用于工业控制领 域的工业以太网，对其关键技术进行了研究，并对提高工业以太网性能进行 了探讨，为最终使用工业以太网和c a n 总线构建独立的车辆控制系统打好了 基础。 第六章：总结和展望。 第7 页 围随型堂撞苤盍堂盟窥生蓝堂焦j 盆塞 第二章磁浮列车通信网络硬件平台设计 2 1 引言 列车通信网即列车控制、诊断信息数据通信网络，其将列车微机控制系统的各个层次、 各个单元之间连接起来，作为系统信息交换和共享的渠道，从而实现全列车环境下的信息 交换。高速磁浮列车速度快、运行环境恶劣、信息容量大，必须设计合理高效的通信网络 进行连接、通信，才能满足了系统的苛刻要求。由于本磁浮列车通信网络主要传送诊断、 监控和调试信息，担当诊断网络的任务，本章将主要针对车载诊断系统，设计并实现通信 网络的硬件平台。 2 2 系统总体方案设计 2 2 1 车载诊断系统原理结构 磁浮列车的车载诊断系统主要用于自动报告车辆电气设备的故障，为维护人员提供可 用的信息，确保列车运营的高效性并减少维护时间、降低维护成本等；此外，在线诊断系 统也可用于控制与列车安全无关的设备，以及在运行控制释放的条件下，提供与列车安全 相关的设备功能的操作命令入口。 本磁浮列车的车载诊断系统采用车辆总线加列车总线的分层网络架构，以满足诊断网 络在车厢级诊断和列车级诊断两个层面中不同的要求。 在车厢级诊断中，诊断计算机单元与待诊断设备通过c a n 总线连接，一般每节车厢拥 有一个诊断计算机单元，该诊断计算机单元不但实现车厢级的诊断功能，还担当网关的作 用，实现列车总线和车辆总线的互联通信。 在列车级诊断中，列车所有的中央诊断计算机、显示和键盘计算机都连接到以太网 。 各节车体间传输的诊断数据、在驾驶员座舱显示的数据都储存在列车诊断计算机上。 图2 2 1 即磁浮列车诊断网络的结构示意图，其每节车厢均有独立的诊断子系统，每 个子系统都配有车载诊断计算机模块。在本设计中，该车载诊断计算机模块为一个具备双 处理机架构的网关模块，兼有诊断和网关功能。 各节车之间传输的诊断数据以及在驾驶舱显示的诊断数据都储存在列车诊断计算机 上；各节车之间传输的操作数据以及在驾驶舱显示的操作数据都储存在列车操作计算机 上。与此同时，这些数据也将上传到无线移动站，并由无线移动站进一步传送到地面的运 第8 页 国随魁堂攮盔盍堂盟宣生随堂位j 金塞 ! 行控制中心和维护中心等。 车辆安全计算机a 无线移动站 车辆安全计算机b 塑磐刈掣以太网( 列车总线)单l 塞掣 车辆诊断计算机 设 各 车辆诊断计算机 c a n ( 车辆总线)tc a n ( 车辆总线) 设 备 设 备 设 备 设 备 设 备 车辆诊断计算机 一j 蕊( 车辆总线) 设 备 设 备 设 各 图22 1 磁浮列车车载诊断系统的系统结构 此外，诊断系统还与车辆运行控制系统相连。其意义在于：当列车进入维护模式或运 行控制系统处于释放状念的自动运行模式时，由列车前台桌面操作键盘输入的与安全有关 的操作命令可以通过车辆运行控制系统传递到车辆控制单元；同时，运行控制中心或分散 运行控制系统的有关信息可以传输到操作显示板上。 2 2 2 车载诊断网络系统的网络规范 车载诊断系统采用c a n 总线和标准以太网作为网络的基础，其网络规范分别为： l c a n c a n 协议规定的网络结构模型咀国际标准化组织规定的开放系统互联模型( i s 0 0 s i ) 为基础。考虑到现场总线的应用特点，c a n 协议规定的网络结构由i s 0 0 s 1 7 层结构中的物 理层、数据链路层和应用层组成，并具备如下特点： 1 ) 可靠性采用循环冗余校验c r c ( c y c l er e d u c t a n tc h e c k ) 和独特的数据通信表示方 式，并且具有错误识别和数据重发功能； 2 ) 实时性数据传输速率高，可达1 m b p s ，优先级高的数据享有占用总线的优先权； 3 ) 灵活性多主总线结构，各总线节点问可直接通信，采用短帧结构，每帧数据8 个 字节，通信介质采用双绞线、光纤或同轴电缆。 2 以太网 以太网是采用t c p i p 协议的物理网络，由于t c p i p 先于o s i 模型开发，故并不符合 o s i r m 标准，而是成为一个独立的网络体系结构。t c p i p 协议族除作为传输控制协议的 t c p 和网际协议l p 外，还包括许多工具、管理和应用协议。 国随疆生拉丕态璺蛆殛生陆鲎焦监塞 以太网具有开放性好、通信速率高、软硬件资源丰富和可持续发展潜力大等显著优点， 以太网及t c p i p 技术逐步在自动化行业中得到应用，并发展成为一种新的技术潮流。 本磁浮列车车载诊断网络使用的以太网是一种交换式以太网，主要特点有： 1 ) 采用交换机，接入网络的节点各自独占一条线路，避免了冲突。 2 ) 采用高速背板交换或微处理器交换，响应时问是确定的。据a r c 公司分析，1 2 6 个 节点的1 0 0 m 交换式以太网的响应时间是2 - 3 m s ，几乎可以满足各种控制或诊断系统 的要求。 3 ) 现代以太网采用非屏蔽双绞线，其抗干扰能力与4 - 2 0 m a 模拟线路相当，如果需要 更强的抗干扰能力可以采用屏蔽双绞线或光纤。 此外在选择交换机时，除了考虑端口速率参数会影响交换速度外，还有：( 1 ) 背板带 宽：当然是越宽越好，从而保证交换机在高负荷下进行高速交换；( 2 ) 包转发率：即交换 机每秒转发数据包的数量。 2 2 3 诊断网络系统的工作层次 磁浮列车的诊断过程从设备、车辆、列车三个层次实现。 1 ) 设备级 在诊断循环中，设备的诊断分为两步。第一步为各设备自检，以判断其是否正常； 第二步是在判断当前运行模式下设备的信号是否有意义，并将其与预先按照一定算 法所得的估计值进行比较，该自检功能主要由设备中c a n 接口自带的徽处理器实现。 2 ) 车辆级 完成设备级诊断任务后，诊断数据将在车辆诊断计算机进行归纳和过滤。诊断信息 将进一步添加某些信息，比如车辆编组号等。所有的诊断信息都经过缓存送入列车 诊断计算机。 3 ) 列车级 列车诊断计算机是整个车辆诊断系统的主机。中央缓冲器存储列车的每一个诊断信 息，同时存有列车的速度、位置等信息。诊断信息一方面按照定的格式在车载诊 断显示面板上显示出来，另一方面通过列车无线移动站发送给运行控制系统的有关 数据库。 2 3 试验系统硬件平台设计 下面将设计并构建一个磁浮列车诊断网络的试验平台。通过上面的分析可知，磁浮列 第l o 页 国陵挝堂拉鲞态堂讶塞生瞳堂僮谂塞 车的车载诊断系统工作在设备级、车辆级和列车级三个层面，相对应的，该诊断网络试验 系统的硬件平台也主要由智能c a n 节点、嵌入式透明网关、列车诊断计算机和网络连接 构成。下面是该试验系统的原理框图。 首车中车尾车 图2 3 1 车载诊断系统的试验系统原理框图 2 3 1 智能c a n 节点 为了保证对列车状态作正确、全面的诊断，诊断计算机必须尽可能充分地获取系统设 备的运行状态，因而必须将相关系统设备接入诊断网络。但是列车系统中的底层设备种类 繁多，且接口不一。为了将其接入诊断网络，必须使其具备c a n 总线接口。 磁浮列车设备根据通信接口的功能和特点，可以分为两大类： 1 集成有c a n 总线接口的设备 主要包括那些自身提供c a n 总线接口的设备，例如悬浮控制器，由于其内部即集 成有c a n 总线接口部分，可以直接接入c a n 诊断网络，直接向车辆诊断计算机( 网关) 发送悬浮控制器的状态信息，并接收与安全无关的控制命令。 该类集成有c a n 接口的设备的自检功能一般可由设备自带的中央处理单元自行完 成，无需另加诊断模块。 2 具备非c a n 接口的设备 由于市场上的许多设备并不提供标准的c a n 总线接口，却提供标准的工业控制接 口，诸如r s 一4 8 5 、r s 一2 3 2 等，对如此类设备，必须通过设计适当的接口转换模块，将 r s - 4 8 5 、r s 一2 3 2 等接入c a n 诊断网络。磁浮列车中的车门、空调等即属于此类情况。 下图是将r s 一4 8 5 接入c a n 总线的接口模块原理示意图，其中r s 一4 8 5 接口部分由 m a x l 4 8 0 b 实现，m a x l 4 8 0 b 将微控制器的s p i 数字信号转换为r s 一4 8 5 的差动信号，大 围陵抖生撞苤盍堂盟冠生瞳生僮逾童 大提高了信号的抗干扰性。而且该芯片内部集成有非共地电压转换模块，可以给r s 一4 8 5 接口部分单独供电；再结合该芯片中集成的光电隔离模块，可以实现信号的完全光电 隔离目的。该模块中的c a n 接口实现方式，请参见下面一节中的透明网关的c a n 接口 实现方式，二者原理基本一致。 完全光 m a x1 4 8 0 b 微控独立c a n电隔离 制器控制器的c a n 芯片 8 9 c 5 1 s j a l 0 0 0收发器 模块 图2 3 2r s 一4 8 5 转c a n 模块原理示意图 对此类设备的自检，如果其内部集成有微处理器，则可由设备自行完成，否则可 由该上述接口模块中的微处理器完成。 2 3 2 嵌入式透明网关 嵌入式透明网关处于整个诊断网络系统的核心地位，其实现了以太网和c a n 总线的无 缝连接，达到了协议转换和信息交换的目的，同时通过自带的诊断应用程序，还完成了车 厢级别的诊断功能。 总体结构上，本网关系统设计采用d s p + 单片机的双处理器架构，其中d s p 芯片结合 以太网控制器及其外围芯片构成以太网接口模块，从而利用数字信号处理器的高速运算特 性，可以解决实现t c p i p 协议时需要进行大量数据处理的问题；而单片机结合独立c a n 控制器及其相关外围芯片构成的c a n 接口模块，可以利用单片机灵活的控制功能实现 c a n 协议、d s p 程序的加载、简单的人机交互和车厢故障诊断等功能；最后两种网络模块 利用专用通信接口实现互联通信。 透明网关总体上可以分为三大部分：以太网络接口、c a n 总线接口和上述两大接口的 通信连接部分。下面将对各部分设计加以详述： 以太网网络接口 以太网接口部分采用的主控器为t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 数字信号处理芯片。采用的 以太网控制器芯片为r t l 8 0 1 9 a s “。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是1 6 位的定点d s p ，该芯片最高工作主频可达i o o m h z ，而且内部集成 的并行乘法器等功能模块，使代码执行效率大大提高；同时芯片具备先进的多总线结构， 其中包括三个1 6 位宽的数据总线和一个1 6 位宽的程序总线；具备片内锁相环p l l ，用于 产生工作时钟，可大大降低对外接晶振的要求，提高系统的稳定性；芯片具有8 位增强型 国随抖堂照苤盍堂盟塞生隆堂位途塞 并行h p i 接口，可以方便地与外接控制芯片接口，并进行高速、灵活的数据交换；芯片采 用双电压供电方式( 1 8 v 3 3 v ) ，辅以多种省电、掉电工作模式，可以极大的减少芯片能 耗；该芯片内具有4 k x1 6 一b i t 的r o m ，用于程序的上电自举加载等操作，片内含有1 6 k x 1 6b i t 的双访问随机存储器d a r a m ，再辅以6 4 k b 的外接s r a m 芯片i s 6 1 l v 6 4 1 6 ，能够顺利 实现功能复杂的工业以太网通信协议，完成普通单片机所无法胜任的工作。 以太网接口采用的以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 是r e a l t e k 公司生产的一种全面支持 i e e e 8 0 2 3 标准的以太网络控制器，其在软件上完全兼容n e 2 0 0 0 芯片，并支持微软公司的 p n p 规范；该以太网络控制器适应于e t h e r n e t i i 、i e e e 8 0 2 3 、1 0 b a s e 5 、l o b a s e 2 、1 0 b a s e t 标准；具备全双工工作模式，收发可同时达到l o m b p s 的速率；芯片具有睡眠模式，可降低功 耗；芯片内置有1 6 k b 的s r a m 用于收发缓冲，可大大降低对主处理器的速度要求。 r t i 盘0 1 9 a s 实现以太网媒体介质访问层( m a c ) 和物理层( p h y ) 的功能，包括m a c 数 据帧的组装拆分与收发、地址识别、c r c 编码校验、曼彻斯特编码、接收噪声抑制、输 出脉冲成型、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等功能，主处理器 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 需要做的仅仅是在r t l 8 0 1 9 a s 的外部总线上对m a c 帧进行读写。 通过将r t l 8 0 1 9 a s 的j p 引脚接高电平，使其工作在最简单的跳线模式，即芯片的w o 端口和中断分配分别由i o s 3 i o s o 和i r q s 2 i r q s o 引脚决定，具体实现中，将上述引脚 均悬空即可得到i o 基址为o x 3 0 0 h 和中断输出为i n t o 的芯片配置( r t l 8 0 1 9 a s 引脚内部接 有一1 0 0 k 的下拉电阻，引脚悬空即等同于输入低电平) 。 r t l 8 0 1 9 a s 的a u i 引脚设置决定使用a u i 还是b n c u t p 接口方式，而p l l 、p l 2 引脚 决定具体的媒体介质类型，具体实现中，将a u i 、p l l 、p l o 全部直接悬空( 置低) ，使其 具备自动检测u t p 并正常工作。r t l 8 0 1 9 a s 的u t p 接口经滤波隔离变压器以加固型的r j 4 5 接头或增强型的d b 一9 接头接入以太网。 r t l 8 0 1 9 a s 的外部总线是i s a 规范标准，而d s p 却不是标准i s a 总线，但经仔细分析， 发现两者的读写操作时序完全兼容，且接口简单方便，实际设计可以直接将r t l 8 0 1 9 a s 作 为d s p 芯片的一个慢速外设进行操作。 下面图2 3 3 是以太网络接口部分的连接原理图。 第1 3 页 国陵抖堂撞苤厶堂婴冠生医堂焦途童 a o a 1 5。4 a 0 a 4 a o a 1 5 s a 0 s a 4 d o - - d 1 5、 d o d 1 5 n 一 。d 0 d 1 5、 s d o s d l 5 f ，1 r w i s 1 0 r d 1 0 s t r b _ g a l l 6 1 0 w r m s c l v t h 刊v s dt x + 懈t r b 1 6 2 4 5 i n t o i 掣n t o 慧t x - r e a d y 徭c e p 1 1 图2 3 3 嵌入式透明网荚中以太网接口部分连接原理图 从上图可以看到，由于t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的i o 接口电压是3 3 v 的，而r t l s 0 1 9 a s 的标 称工作电压为5