适用于动车组制动系统的以太网板卡设计与实现*

华 皛， 程宏明， 杨亦铮,2， 曹宏发,2， 章 阳,2

(1 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094；2 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081.)

既有动车组列车通信网络主要采用TCN，由绞线式列车总线WTB和多功能车辆总线MVB组成，适用于需要动态编组的列车车辆，随着动车组制动系统及其他配套技术的快速发展，数据传输的实时性、控制系统的智能化程度越来越高，列车健康管理和全方位、多维度故障诊断和维修技术需要提升，以及各种新的服务需求不断出现，诸如视频传输、远程诊断、旅客信息服务等，使得数据传输量越来越大，TCN网络在传输业务多样化、带宽及传输速率、成本和兼容性等方面已不能适应动车组发展新需求。

近年来，网络技术快速发展，在分布式控制系统中得到了广泛应用，它具有全球开放性、价格低廉，全球软硬件支持，共享资源丰富等特点，轨道交通设备采用以太网通讯成为一种趋势。国际电工委员会IEC在2010年开始修订IEC 61375标准，增加了以太网列车骨干网ETB(Ethernet Train Backbone)、以太网车辆局域网ECN(Ethernet Consist Network)的规范。日立、西门子、庞巴迪等轨道交通行业巨头都已经在新一代列车中使用工业以太网技术，国内的相关科研院所也陆续开展工业以太网的技术和应用研究。

因此，研究适用于动车组制动系统的以太网板卡，搭建动车组制动系统以太网控制网络，有利于提高动车组制动系统的通信带宽、可靠性和互联互通性能，在满足动车组制动系统正常工作的前提下，构建动车组制动系统以太网维护网络，为更高级的网络服务提供了可能，能够有效地降低动车组制动系统的日常维修维护成本。

1 制动系统EBCU网络拓扑

EBCU也称为制动控制器，如图1所示，是面向制动系统功能需求的嵌入式电子控制装置，EBCU采用模块化设计，基于接口配置和功能定位，划分不同类型的控制板，控制板通过前面板连接器与外部系统进行信息交互。

图1 电子制动控制单元结构

EBCU内部各板卡之间通过背板CAN总线进行通信，各车的 EBCU之间通过以太网通信， EBCU与列车的其他系统通过以太网互联互通，制动系统服务终端(测试服务设备)通过以太网连接全列所有EBCU，可同时对多个EBCU实现应用程序下载、测量和故障诊断等，如图2所示，其中，以太网板卡是EBCU实现以太网通信的关键部件。

图2 制动系统EBCU网络拓扑

2 动车组制动系统以太网板卡功能

2.1 诊断、标定功能

EBCU的诊断功能通过以太网板卡与服务终端连接，以太网板卡可将服务终端的诊断服务请求报文路由至指定EBCU，也可将EBCU的诊断服务响应报文发送给服务终端，从而读取全列EBCU的故障信息及过程数据、控制EBCU的IO输出。

EBCU的标定功能通过以太网板卡与服务终端连接，以太网板卡可将服务终端的标定协议请求报文路由至指定EBCU，也可将EBCU的标定协议响应报文发送给服务终端，从而实现对全列EBCU的内部信号进行测量和修改，调试EBCU的运行参数。

2.2 可配置的数据记录及导出功能

以太网板卡使用SD卡作为存储介质，当满足触发条件时保存带有时间戳的数据，可通过服务终端上传配置文件，灵活选择需要存储的信号，并通过以太网将存储信号导出，为故障分析提供数据支持。

2.3 软件刷写功能

以太网板卡固化基于以太网的Bootloader程序实现自身程序刷写，通过路由实现EBCU内其他板卡的应用程序刷写，这样，售后维修人员可在任一车辆通过以太网实现整列EBCU的应用程序刷写，从而极大提高售后人员更新程序的效率。

2.4 以太网控车

以太网代替原有的列车通信网络TCN，将TRDP(Train Real-time Data Protocol)协议用于列车实时以太网络，确保延迟时间在50 ms左右，实现以太网控车。

3 动车组制动系统以太网板卡设计

适用于动车组制动系统的以太网板卡，构建了以太网控车网络，提高制动系统的总线通信带宽以及可靠性，实现与列车其他系统的互联互通，也可作为以太网维护网络，实现制动系统应用程序下载、故障诊断、参数标定、数据记录和导出等功能，进一步完善了动车组制动系统的可操作性和可维护性。

3.1 硬件电路设计

硬件电路MCU采用Power Architecture technology的32 bit芯片，核心时钟频率可达180 MHz。主要实现功能有：四路CAN、一路以太网、一路RS485，大容量存储及LED指示功能，硬件架构图见图3，以太网板卡见图4。

图3 硬件架构图

图4 以太网板卡

3.2 软件设计开发

以太网板卡软件采用模块化的软件架构设计，主要分为引导加载程序、基础软件、应用程序3部分。

(1)引导加载程序(Bootloader)是运行于以太网板卡的嵌入式软件，可引导应用程序启动，实现自身应用程序的刷写。

(2)基础软件以AUTOSAR架构为基础，将通信协议栈通用功能作为核心代码，通过配置代码生成工具，依据不同的项目需求，导入相应的配置文件自动生成配置代码，再将配置代码和核心代码放入开发环境进行编译和链接可生成适配不同需求的应用程序。

(3)应用软件是以太网板卡软件的最高层，实现以太网通信参数的设置、可配置的数据记录及导出、实时以太网控车功能，图5为以太网板卡软件架构。

图5 以太网板卡软件架构

4 测试验证

为了验证适用于动车组制动系统的以太网板卡的有效性和可靠性，在动车组制动系统软件集成测试台对其进行了全功能测试，并在试验室进行了多系统以太网控制功能联调以及现车应用，测试和应用结果表明，以太网板卡可实现动车组制动系统的应用程序下载、故障诊断及参数标定等功能，可与列车其他系统互联互通。

4.1 动车组制动系统软件集成测试台

动车组制动系统软件集成测试台主要由列车制动环境、8个单车制动环境、测试服务系统组成。列车制动环境具有TCN、 CAN、ECN网络管理，可模拟列车总线控制指令；单车制动环境用于模拟EBCU的外部输入信号和采集EBCU的输出信号；测试服务系统可模拟司机室占用、制动试验、列车速度设定、制动级位设定、停放制动按钮、紧急制动按钮、撒沙开关等各种操作，并执行整个系统的管理和配置、数据存储、生成测试报表等功能。测试过程中，下位机运行实时操作系统，根据上位机指令或仿真模型控制输出，通过测试服务系统实时监测多个信号状态。

4.2 测试台仿真验证

通过动车组制动系统软件集成测试台配置列车环境和单车环境，测试以太网板卡程序下载、标定测量、详细文件记录及导出、以太网控车等功能，测试结果符合设计要求，见表1。

表1 仿真验证结果

4.3 多系统试验室联调

CCU(中央控制单元)、TCU(牵引控制单元)、EBCU(电子制动控制单元)、HMI(人机界面)在试验室进行以太网控车联调，强制CCU发送列车速度、年月日时分秒、司机室占用信号、主控网段信号、列车联挂信号等，EBCU可以正确接收；EBCU发送车重、WSP速度、空压机指令、制动子模式信号、故障信息等，CCU可以正确接收。

4.4 现车应用

以太网板卡的以太网维护功能已在速度350 km/h中国标准动车组、城市轨道、混合动力车等项目应用，运行状态良好，在列车状态监控、故障记录和分析处理等方面发挥了重要作用。

5 结 论

在调研国内外以太网技术发展和研究动车组制动系统使用以太网控制可行性基础上，搭建了动车组制动系统以太网板卡开发软硬件平台，完成了以太网板卡的硬件电路设计和自动生成配置代码的软件开发，并在测试台、试验室多系统联调和现车进行了验证，满足以太网维护及控车需求，以太网板卡构建了动车组制动系统全新通信技术平台，为动车组提供了整体数据通信理论基础和技术支持。