基于MVB通讯有轨电车多功能控制面板设计

中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司 刘 英 徐 军 张 坤 姚正斌

常州小糸今创交通设备有限公司 胡丰伟

基于MVB通讯有轨电车多功能控制面板设计

中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司 刘 英 徐 军 张 坤 姚正斌

常州小糸今创交通设备有限公司 胡丰伟

本文提出了一套基于嵌入式开发平台以及MVB总线接口技术实现的有轨电车多功能控制面板，并从系统功能、软硬件设计角度对此进行了系统阐述。系统测试结果表明，多功能控制面板具有集成度高、操作性强、性能稳定等诸多优点，在完成司机的各种操作进行实时响应的同时，能够利用MVB通讯与整车网络进行信息交换，实现整车网络、多功能控制面板以及受控部件系统的一体化构成。

有轨电车；MVB通讯；控制面板

1　引言

传统的有轨电车起源于柏林，兴建初期成为了城市交通的有效工具，被广泛运营于多个西欧国家[1]；但随着科技的发展、能源战略的启动以及人类对于生活品质需求的提高，传统有轨电车的高噪声、大功耗、低性能的缺点逐渐凸显，随着汽车产业的发展，其运行速度、舒适度、客运量和灵动性上均受到了严峻的考验，有轨电车技术的革新势在必行。20世纪90年代末，新一代有轨电车率先面世于法国，吸引了大量国家城市交通管理部门的关注；直至21世纪初期，我国一些城市也加入其中，上海、天津、苏州等城市率先引入了相应技术，有效的解决了现代城市交通面临的多种问题。比如环境污染问题，由于现代有轨电车采用电力供电，因此能够减少污染气体的排放和改善空气质量，目前现代有轨电车还可采用氢能源驱动技术，此项技术更为节能环保，无任何污染物排放；现代有轨电车还具有开发周期短，建设成本低的优势，由于其采用地面轨道运行方式，只需在地面铺设相应轨道，相比轻轨、地铁的施工方式更为简单，建设周期也能缩短；在同等运量上，轻轨的建设费用只约为地铁的1/10，轻轨交通的1/3，被评为最经济的一种交通系统[2]；在灵活性上现代有轨电车也存在着较大的弹性空间，它可依据不同时间的旅客流量来调整列车的编组数，从而提高现代城市交通的运营效率。

现代有轨电车技术的引入让我国轨道交通运行系统变得更加多元化。目前，我国也在致力于现代有轨电车技术的创新工作，包括车体结构、驱动方式等，当然也包括车体网络。为列车网络定制的MVB总线开始被应用于有轨电车，以满足用户对网络的开放性、性价比、开发和应用的多样性和灵活性等方面提出的更高的要求, MVB总线在地铁列车控制系统[3]等列车网络系统中已有广泛的应用。同时，为了匹配网络以及满足技术升级需求，车体内各类控制器件也需要完成即时的升级换代，传统的司控台机械式操作按钮就是其中一种，除了寿命、操作舒适度等难以满足整车技术提升的需求外，与网络的通讯上实现整车实时状态监控更是迫切需要提升的重点，因此，实现一种能够实现基于MVB总线通讯的集成式多功能控制面板是十分有必要的。基于此，本文采用了嵌入式开发平台以及MVB总线接口技术实现了上述多功能控制面板，此多功能控制面板连接至列车受控部件以及列车控制与监视系统（TCMS），可以通过按键结合外部采集信号实现对列车司机的各种操作进行实时响应，并通过内部集成的控制节点对列车相应部件进行控制，同时自带的MVB的通讯接口与列车整车网络建立连接，能够与整车网络进行信息交换，实时接受列车网络控制信息以及反馈被控部件状态，有效的解决了传统司控台机械式操作按钮的各种不足, 这将对我国列车网络控制设备的自主研发起到推进作用，此外也为应用在我国轨道交通领域的总线技术提供多元化的发展方向。

2　总体设计

基于MVB通讯的多功能控制面板属于MVB“1”类设备，涉及到控制系统中过程数据的实时通讯[2]，是列车控制系统中的关键设备之一，系统的功能需求主要包括列车受控部件的按键操作、面板状态显示以及网络通讯功能，相应的列车受控部件主要包括：列车的司机室状态、蓄电池、受电弓、运行方向、车内外照明灯、车门、紧急制动、遮阳帘、雨刮器等。根据上述系统功能需求构建系统原理框图如图1所示。

图1　系统原理框图

3　硬件设计

根据功能需求以及空间布局对图1系统原理框图的整个功能区域进行划分， I区中主要包括按键/锁开关以及指示灯功能模块，II区中主要包括主控制器MCU、通讯网卡模块、电源转换模块以及输入输出隔离电路，III区中主要包括电源/信号输入、输出模块以及通讯接口。分别将上述三个区域进行独立的硬件设计，可制作出三种硬件模块，分别命名为按键板、主控板、输出板。主控板为整体功能区域中的核心，负责数据采集、数据处理以及MVB通讯等重要任务,本设计即围绕此硬件板对系统展开具体介绍。

3.1主控板硬件设计

主控板采用MCU作为运算核心部件，结合外围存储模块、通讯模块、IO扩展模块以及输入输出端口等进行整体设计。

除电源输入外，主控板硬件结构中共设有4路输入输出接口，其中包括3路通讯接口以及1路标准IO接口。SPI通讯接口负责系统状态的实时存储，用于系统故障时状态数据的提取，保障系统在出现故障后恢复正常运行。标准异步串行通讯接口与MVB通讯网卡完成通讯，并通过MVB网络接口连接到MVB总线，实现MVB通讯功能；I2C通讯接口连接IO扩展芯片，用于实现IO的扩展以解决IO口数量要求较大的问题，扩展后的IO口经隔离电路后连接到输出板，用于对列车受控部件的控制以及列车车体信号的采集；1路标准IO接口经隔离电路后连接按键板，负责按键信号的采集以及指示灯的控制。

隔离电路的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。本设计为数字电路系统，且运营在有轨电车干扰源复杂的环境下，因此构建一个优良的数字隔离电路系统是十分必要的。基于此，本设计分别针对输出和输入采用了光耦隔离电路。

3.2通讯接口电路设计

本设计采用MCU+网卡的通讯设计方式，此方式硬件结构简单、可移植性好，是一种实用性强、可靠性高的网络节点设备MVB通讯接口设计技术。网卡支持4096个16位-256位可配置的过程变量端口（源端口或宿端口)，还具备多种通讯模式选择功能，与MCU的通讯接口还配有并口（Parallel Interface）、标准异步收发接口（UART）以及SPI口，此外，网卡还具有1200bps—115200 bps UART波特率配置功能以及电的短距离传输介质（ESD/ESD+）和电的中距离传输介质（EMD）选择设定功能。

通讯接口电路主要涉及MCU与网卡电路的连接设计以及网卡的接口配置设计，因主控板和网卡分别采用5V和3.3V电源系统，故MCU与网卡电路的连接采用了双向电平转换器进行了耦合处理，具体涉及UART的收发接口RXD和TXD以及网卡的复位RESET口。

本设计选取电的中距离传输介质（EMD）连接至整车网络，同时，多功能控制面与TCMS共需3个公共数据口，3个宿端口（SINK），3个源端口（SOURCE），且通讯周期应满足64ms-256ms的范围要求，基于此，设计结合硬件结构复杂性选取UART作为通讯接口方式，通讯速率选择115200 bps，很好的满足了标准PD（Process Data）口的数量以及通讯周期需求。

4　系统软件设计

多功能控制面板要求具备网络和应急两种工作模式，即需保证多功能控制面板在有无网络状态下均可运行，另结合上述系统设计需求，系统按功能主要构建有如下三大模块：系统初始化模块、网络模式处理模块以及应急模式处理模块。

图2　系统主循环软件流程图

系统初始化模块主要涉及MCU和网卡初始化以及面板（PANEL）初始化操作，在通电瞬间，MCU则进入系统初始化程序，对内部寄存器、I2C、SPI、UART等各功能模块进行初始化处理，同时，网卡内部同时进行自启动初始化处理，整个初始化过程由网卡自行完成，无需外界的干预。由于网卡每次上电都需对PLD进行装载工作，因此其启动初始化的时间远长于MCU,为了避免MCU的过早配置操作破坏网卡正常启动，此部分需要增加延时处理程序。上述操作完成后，系统即需进行PANEL初始化操作，用于对PANEL各输出初始化控制以及PANEL启动完成灯光提示，提示方式设置为PANEL按键板指示灯点亮1S，当指示灯熄灭时即表示系统初始化完成。

网络模式处理模块即为框图中I区域，用于处理网络正常状态下系统的信息处理，包括网络心跳检测、按键和车体状态信息采集、PANEL状态显示和控制输出以及与TCMS的通讯。网络心跳检测用于判定车体网络状态，依此确定车体运行模式，网络心跳存在，系统切换至网络模式下，PANEL开始进行TCMS网络控制指令的接收操作，采集按键和车体状态信息，各数据信息经逻辑运算处理后执行PANEL状态显示和控制输出，然后系统将PANEL状态、故障信息等发送至TCMS网络，循环执行上述操作即构成I区域所示的网络模式处理模块。

应急模式处理模块即为框图中II区域，主要用于车体网络出现故障的紧急情况下，与网络模式的区别主要在于通讯功能部分，此外，当应急模式初次进入时，将会执行PANEL无网络报警操作。系统可以进行网络模式与应急模式的无障碍相互切换以保证应用安全。

5　系统测试

多功能控制面板根据司机操作习惯以及空间分配划分为控制面板A(左上)，控制面板B(右上)和控制面板C（下）。其中，控制面板A主要负责司机室锁状态、蓄电池控制，控制面板B负责 运行方向、蓄电池、司机室内外照明灯控制，控制面板C主要负责车门、雨刮器、遮阳帘、磁轨制动、远光灯、转向灯、警示灯等控制。

多功能控制面板系统测试主要包括功能测试以及通讯测试，功能测试采取现车运行考核方式进行，通讯测试采用与MVB主站SelectronCPU831-TG点对点测试方式，各功能均满足车体功能需求，各面板均能按照既定通讯协议进行过程数据的传输测试，测试结果表明，系统的软硬件均能满足车体功能要求，MVB通讯的实时性和准确性及其波形质量满足IEC61375-3-2中对于波形质量的要求。

6　结束语

综合软硬件设计方案和系统测试结果，可以说明：多功能控制面板具备网络和应急两种工作模式且安全性高、操作简便，能够在完成司机对受控部件正常操作的同时，利用MVB通讯与整车网络进行信息交换，实现整车网络、多功能控制面板以及受控部件系统的一体化构成；此外，多功能控制面板还具备较强的二次升级优化功能和良好的移植性；基于MVB通讯多功能控制面板技术将会在我国列车系统中迎来广阔的应用前景，它的成功研制在一定程度上推动了现代有轨电车技术的发展，加速了我国列车组网设备及控制系统的国产化进程。

[1]薛美根,杨立峰,程杰.现代有轨电车主要特征与国内外发展研究[J].城市交通,2008(06).

[2]杨昌休.多功能车辆总线MVB关键技术的研究[D].西南交通大学,2012.

[3]石颖.MVB总线在地铁列车控制系统中的应用[J].电力机车与城轨车辆, 2006(06).