基于MVB通訊有軌電車多功能控制面板設(shè)計(jì)

中國(guó)中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 劉 英 徐 軍 張 坤 姚正斌

常州小糸今創(chuàng)交通設(shè)備有限公司 胡豐偉

基于MVB通訊有軌電車多功能控制面板設(shè)計(jì)

中國(guó)中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 劉 英 徐 軍 張 坤 姚正斌

常州小糸今創(chuàng)交通設(shè)備有限公司 胡豐偉

本文提出了一套基于嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)以及MVB總線接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)的有軌電車多功能控制面板，并從系統(tǒng)功能、軟硬件設(shè)計(jì)角度對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，多功能控制面板具有集成度高、操作性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，在完成司機(jī)的各種操作進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)的同時(shí)，能夠利用MVB通訊與整車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)整車網(wǎng)絡(luò)、多功能控制面板以及受控部件系統(tǒng)的一體化構(gòu)成。

有軌電車；MVB通訊；控制面板

1　引言

傳統(tǒng)的有軌電車起源于柏林，興建初期成為了城市交通的有效工具，被廣泛運(yùn)營(yíng)于多個(gè)西歐國(guó)家[1]；但隨著科技的發(fā)展、能源戰(zhàn)略的啟動(dòng)以及人類對(duì)于生活品質(zhì)需求的提高，傳統(tǒng)有軌電車的高噪聲、大功耗、低性能的缺點(diǎn)逐漸凸顯，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其運(yùn)行速度、舒適度、客運(yùn)量和靈動(dòng)性上均受到了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，有軌電車技術(shù)的革新勢(shì)在必行。20世紀(jì)90年代末，新一代有軌電車率先面世于法國(guó)，吸引了大量國(guó)家城市交通管理部門的關(guān)注；直至21世紀(jì)初期，我國(guó)一些城市也加入其中，上海、天津、蘇州等城市率先引入了相應(yīng)技術(shù)，有效的解決了現(xiàn)代城市交通面臨的多種問(wèn)題。比如環(huán)境污染問(wèn)題，由于現(xiàn)代有軌電車采用電力供電，因此能夠減少污染氣體的排放和改善空氣質(zhì)量，目前現(xiàn)代有軌電車還可采用氫能源驅(qū)動(dòng)技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)更為節(jié)能環(huán)保，無(wú)任何污染物排放；現(xiàn)代有軌電車還具有開(kāi)發(fā)周期短，建設(shè)成本低的優(yōu)勢(shì)，由于其采用地面軌道運(yùn)行方式，只需在地面鋪設(shè)相應(yīng)軌道，相比輕軌、地鐵的施工方式更為簡(jiǎn)單，建設(shè)周期也能縮短；在同等運(yùn)量上，輕軌的建設(shè)費(fèi)用只約為地鐵的1/10，輕軌交通的1/3，被評(píng)為最經(jīng)濟(jì)的一種交通系統(tǒng)[2]；在靈活性上現(xiàn)代有軌電車也存在著較大的彈性空間，它可依據(jù)不同時(shí)間的旅客流量來(lái)調(diào)整列車的編組數(shù)，從而提高現(xiàn)代城市交通的運(yùn)營(yíng)效率。

現(xiàn)代有軌電車技術(shù)的引入讓我國(guó)軌道交通運(yùn)行系統(tǒng)變得更加多元化。目前，我國(guó)也在致力于現(xiàn)代有軌電車技術(shù)的創(chuàng)新工作，包括車體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式等，當(dāng)然也包括車體網(wǎng)絡(luò)。為列車網(wǎng)絡(luò)定制的MVB總線開(kāi)始被應(yīng)用于有軌電車，以滿足用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性、性價(jià)比、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的多樣性和靈活性等方面提出的更高的要求, MVB總線在地鐵列車控制系統(tǒng)[3]等列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中已有廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，為了匹配網(wǎng)絡(luò)以及滿足技術(shù)升級(jí)需求，車體內(nèi)各類控制器件也需要完成即時(shí)的升級(jí)換代，傳統(tǒng)的司控臺(tái)機(jī)械式操作按鈕就是其中一種，除了壽命、操作舒適度等難以滿足整車技術(shù)提升的需求外，與網(wǎng)絡(luò)的通訊上實(shí)現(xiàn)整車實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控更是迫切需要提升的重點(diǎn)，因此，實(shí)現(xiàn)一種能夠?qū)崿F(xiàn)基于MVB總線通訊的集成式多功能控制面板是十分有必要的?；诖耍疚牟捎昧饲度胧介_(kāi)發(fā)平臺(tái)以及MVB總線接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了上述多功能控制面板，此多功能控制面板連接至列車受控部件以及列車控制與監(jiān)視系統(tǒng)（TCMS），可以通過(guò)按鍵結(jié)合外部采集信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)列車司機(jī)的各種操作進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，并通過(guò)內(nèi)部集成的控制節(jié)點(diǎn)對(duì)列車相應(yīng)部件進(jìn)行控制，同時(shí)自帶的MVB的通訊接口與列車整車網(wǎng)絡(luò)建立連接，能夠與整車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，實(shí)時(shí)接受列車網(wǎng)絡(luò)控制信息以及反饋被控部件狀態(tài)，有效的解決了傳統(tǒng)司控臺(tái)機(jī)械式操作按鈕的各種不足, 這將對(duì)我國(guó)列車網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備的自主研發(fā)起到推進(jìn)作用，此外也為應(yīng)用在我國(guó)軌道交通領(lǐng)域的總線技術(shù)提供多元化的發(fā)展方向。

2　總體設(shè)計(jì)

基于MVB通訊的多功能控制面板屬于MVB“1”類設(shè)備，涉及到控制系統(tǒng)中過(guò)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通訊[2]，是列車控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，系統(tǒng)的功能需求主要包括列車受控部件的按鍵操作、面板狀態(tài)顯示以及網(wǎng)絡(luò)通訊功能，相應(yīng)的列車受控部件主要包括：列車的司機(jī)室狀態(tài)、蓄電池、受電弓、運(yùn)行方向、車內(nèi)外照明燈、車門、緊急制動(dòng)、遮陽(yáng)簾、雨刮器等。根據(jù)上述系統(tǒng)功能需求構(gòu)建系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

3　硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求以及空間布局對(duì)圖1系統(tǒng)原理框圖的整個(gè)功能區(qū)域進(jìn)行劃分， I區(qū)中主要包括按鍵/鎖開(kāi)關(guān)以及指示燈功能模塊，II區(qū)中主要包括主控制器MCU、通訊網(wǎng)卡模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊以及輸入輸出隔離電路，III區(qū)中主要包括電源/信號(hào)輸入、輸出模塊以及通訊接口。分別將上述三個(gè)區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立的硬件設(shè)計(jì)，可制作出三種硬件模塊，分別命名為按鍵板、主控板、輸出板。主控板為整體功能區(qū)域中的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及MVB通訊等重要任務(wù),本設(shè)計(jì)即圍繞此硬件板對(duì)系統(tǒng)展開(kāi)具體介紹。

3.1主控板硬件設(shè)計(jì)

主控板采用MCU作為運(yùn)算核心部件，結(jié)合外圍存儲(chǔ)模塊、通訊模塊、IO擴(kuò)展模塊以及輸入輸出端口等進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

除電源輸入外，主控板硬件結(jié)構(gòu)中共設(shè)有4路輸入輸出接口，其中包括3路通訊接口以及1路標(biāo)準(zhǔn)IO接口。SPI通訊接口負(fù)責(zé)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，用于系統(tǒng)故障時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)的提取，保障系統(tǒng)在出現(xiàn)故障后恢復(fù)正常運(yùn)行。標(biāo)準(zhǔn)異步串行通訊接口與MVB通訊網(wǎng)卡完成通訊，并通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)接口連接到MVB總線，實(shí)現(xiàn)MVB通訊功能；I2C通訊接口連接IO擴(kuò)展芯片，用于實(shí)現(xiàn)IO的擴(kuò)展以解決IO口數(shù)量要求較大的問(wèn)題，擴(kuò)展后的IO口經(jīng)隔離電路后連接到輸出板，用于對(duì)列車受控部件的控制以及列車車體信號(hào)的采集；1路標(biāo)準(zhǔn)IO接口經(jīng)隔離電路后連接按鍵板，負(fù)責(zé)按鍵信號(hào)的采集以及指示燈的控制。

隔離電路的主要目的是通過(guò)隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達(dá)到抑制噪聲干擾的效果。本設(shè)計(jì)為數(shù)字電路系統(tǒng)，且運(yùn)營(yíng)在有軌電車干擾源復(fù)雜的環(huán)境下，因此構(gòu)建一個(gè)優(yōu)良的數(shù)字隔離電路系統(tǒng)是十分必要的?；诖?，本設(shè)計(jì)分別針對(duì)輸出和輸入采用了光耦隔離電路。

3.2通訊接口電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用MCU+網(wǎng)卡的通訊設(shè)計(jì)方式，此方式硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可移植性好，是一種實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備MVB通訊接口設(shè)計(jì)技術(shù)。網(wǎng)卡支持4096個(gè)16位-256位可配置的過(guò)程變量端口（源端口或宿端口)，還具備多種通訊模式選擇功能，與MCU的通訊接口還配有并口（Parallel Interface）、標(biāo)準(zhǔn)異步收發(fā)接口（UART）以及SPI口，此外，網(wǎng)卡還具有1200bps—115200 bps UART波特率配置功能以及電的短距離傳輸介質(zhì)（ESD/ESD+）和電的中距離傳輸介質(zhì)（EMD）選擇設(shè)定功能。

通訊接口電路主要涉及MCU與網(wǎng)卡電路的連接設(shè)計(jì)以及網(wǎng)卡的接口配置設(shè)計(jì)，因主控板和網(wǎng)卡分別采用5V和3.3V電源系統(tǒng)，故MCU與網(wǎng)卡電路的連接采用了雙向電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了耦合處理，具體涉及UART的收發(fā)接口RXD和TXD以及網(wǎng)卡的復(fù)位RESET口。

本設(shè)計(jì)選取電的中距離傳輸介質(zhì)（EMD）連接至整車網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，多功能控制面與TCMS共需3個(gè)公共數(shù)據(jù)口，3個(gè)宿端口（SINK），3個(gè)源端口（SOURCE），且通訊周期應(yīng)滿足64ms-256ms的范圍要求，基于此，設(shè)計(jì)結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜性選取UART作為通訊接口方式，通訊速率選擇115200 bps，很好的滿足了標(biāo)準(zhǔn)PD（Process Data）口的數(shù)量以及通訊周期需求。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

多功能控制面板要求具備網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)急兩種工作模式，即需保證多功能控制面板在有無(wú)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下均可運(yùn)行，另結(jié)合上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，系統(tǒng)按功能主要構(gòu)建有如下三大模塊：系統(tǒng)初始化模塊、網(wǎng)絡(luò)模式處理模塊以及應(yīng)急模式處理模塊。

圖2　系統(tǒng)主循環(huán)軟件流程圖

系統(tǒng)初始化模塊主要涉及MCU和網(wǎng)卡初始化以及面板（PANEL）初始化操作，在通電瞬間，MCU則進(jìn)入系統(tǒng)初始化程序，對(duì)內(nèi)部寄存器、I2C、SPI、UART等各功能模塊進(jìn)行初始化處理，同時(shí)，網(wǎng)卡內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行自啟動(dòng)初始化處理，整個(gè)初始化過(guò)程由網(wǎng)卡自行完成，無(wú)需外界的干預(yù)。由于網(wǎng)卡每次上電都需對(duì)PLD進(jìn)行裝載工作，因此其啟動(dòng)初始化的時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于MCU,為了避免MCU的過(guò)早配置操作破壞網(wǎng)卡正常啟動(dòng)，此部分需要增加延時(shí)處理程序。上述操作完成后，系統(tǒng)即需進(jìn)行PANEL初始化操作，用于對(duì)PANEL各輸出初始化控制以及PANEL啟動(dòng)完成燈光提示，提示方式設(shè)置為PANEL按鍵板指示燈點(diǎn)亮1S，當(dāng)指示燈熄滅時(shí)即表示系統(tǒng)初始化完成。

網(wǎng)絡(luò)模式處理模塊即為框圖中I區(qū)域，用于處理網(wǎng)絡(luò)正常狀態(tài)下系統(tǒng)的信息處理，包括網(wǎng)絡(luò)心跳檢測(cè)、按鍵和車體狀態(tài)信息采集、PANEL狀態(tài)顯示和控制輸出以及與TCMS的通訊。網(wǎng)絡(luò)心跳檢測(cè)用于判定車體網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，依此確定車體運(yùn)行模式，網(wǎng)絡(luò)心跳存在，系統(tǒng)切換至網(wǎng)絡(luò)模式下，PANEL開(kāi)始進(jìn)行TCMS網(wǎng)絡(luò)控制指令的接收操作，采集按鍵和車體狀態(tài)信息，各數(shù)據(jù)信息經(jīng)邏輯運(yùn)算處理后執(zhí)行PANEL狀態(tài)顯示和控制輸出，然后系統(tǒng)將PANEL狀態(tài)、故障信息等發(fā)送至TCMS網(wǎng)絡(luò)，循環(huán)執(zhí)行上述操作即構(gòu)成I區(qū)域所示的網(wǎng)絡(luò)模式處理模塊。

應(yīng)急模式處理模塊即為框圖中II區(qū)域，主要用于車體網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的緊急情況下，與網(wǎng)絡(luò)模式的區(qū)別主要在于通訊功能部分，此外，當(dāng)應(yīng)急模式初次進(jìn)入時(shí)，將會(huì)執(zhí)行PANEL無(wú)網(wǎng)絡(luò)報(bào)警操作。系統(tǒng)可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模式與應(yīng)急模式的無(wú)障礙相互切換以保證應(yīng)用安全。

5　系統(tǒng)測(cè)試

多功能控制面板根據(jù)司機(jī)操作習(xí)慣以及空間分配劃分為控制面板A(左上)，控制面板B(右上)和控制面板C（下）。其中，控制面板A主要負(fù)責(zé)司機(jī)室鎖狀態(tài)、蓄電池控制，控制面板B負(fù)責(zé) 運(yùn)行方向、蓄電池、司機(jī)室內(nèi)外照明燈控制，控制面板C主要負(fù)責(zé)車門、雨刮器、遮陽(yáng)簾、磁軌制動(dòng)、遠(yuǎn)光燈、轉(zhuǎn)向燈、警示燈等控制。

多功能控制面板系統(tǒng)測(cè)試主要包括功能測(cè)試以及通訊測(cè)試，功能測(cè)試采取現(xiàn)車運(yùn)行考核方式進(jìn)行，通訊測(cè)試采用與MVB主站SelectronCPU831-TG點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)試方式，各功能均滿足車體功能需求，各面板均能按照既定通訊協(xié)議進(jìn)行過(guò)程數(shù)據(jù)的傳輸測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)的軟硬件均能滿足車體功能要求，MVB通訊的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性及其波形質(zhì)量滿足IEC61375-3-2中對(duì)于波形質(zhì)量的要求。

6　結(jié)束語(yǔ)

綜合軟硬件設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，可以說(shuō)明：多功能控制面板具備網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)急兩種工作模式且安全性高、操作簡(jiǎn)便，能夠在完成司機(jī)對(duì)受控部件正常操作的同時(shí)，利用MVB通訊與整車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)整車網(wǎng)絡(luò)、多功能控制面板以及受控部件系統(tǒng)的一體化構(gòu)成；此外，多功能控制面板還具備較強(qiáng)的二次升級(jí)優(yōu)化功能和良好的移植性；基于MVB通訊多功能控制面板技術(shù)將會(huì)在我國(guó)列車系統(tǒng)中迎來(lái)廣闊的應(yīng)用前景，它的成功研制在一定程度上推動(dòng)了現(xiàn)代有軌電車技術(shù)的發(fā)展，加速了我國(guó)列車組網(wǎng)設(shè)備及控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

[1]薛美根,楊立峰,程杰.現(xiàn)代有軌電車主要特征與國(guó)內(nèi)外發(fā)展研究[J].城市交通,2008(06).

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