自动化列车通信网络分析仪设计

赵建博 ,孙晓东,胡国强2,王新政,胡雪峰

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111; 2.北京润科通用技术有限公司，北京 海淀 100191)

0 引言

现阶段轨道车辆中，列车通信网络普遍采用TCN(Train Communication Network 列车通信网络)网络通信[1-2]，列车级网络采用WTB(Wire Train Bus绞线式列车总线)通信[3]，车辆级的通信则大都采用MVB(Multifunction Vehicle Bus多功能车辆总线)[4]。在列车调试过程中，需要首先要保证WTB/MVB通信正常，才能进行整车功能的调试。

由于MVB的分布式网络结构[5]，各组网设备分布于车辆内的不同设备、不同电气柜内，甚至是不同车辆上，并且不同系统的组网设备往往来自于不同的设备供应商，这些都给网络调试及故障定位带来一定的难度。MVB采用了源寻址广播的机制[6]，组网的各网络设备一般不能获取总线上的全部数据，而且无法获取物理层数据[7]，这也制约了网络调试过程中故障的排查定位。

WTB通信应用于车辆间的通信，传输线路长，中间连接点多，总线物理波形衰减大，编组后的WTB波形受连接点及衰减影响大，检测困难[8]。

目前调试现场手段单一匮乏，效率较低，此外对现场人员的专业技术水平及调试经验要求较高。另一方面列车调试现场情况随机性大，调试工序重要且时间紧迫[9]，因此迫切需要一款自动化列车通信网络(TCN)分析仪。用来分析MVB网络的通信情况，定位网络中可能存在的问题，定位故障点；分析WTB网络的通信情况、网络波形是否满足列车要求。

自动化TCN分析仪通过采集MVB/WTB总线波形及报文信息，分析网络质量状态，结合列车网络拓扑信息，定位故障可能位置或范围。为列车检修人员定位故障提供参考信息，提高了列车检修效率。

1 功能定义与应用场景分析

1.1 功能定义

根据列车网络的调试需求，自动化TCN分析仪需要满足如下功能：

1)MVB网络通信质量测试评估，自动分析总线上某个设备/端口的通信状态，自动分析MVB网络通信状态，包括负载率、误码率等。

2)自动获取总线上的设备/端口配置，并与配置文件对比，统计对应通信状态；同时具备一定自学习能力，对功能正常的动车组能够自动搜集配置文件主要信息、生成配置文件模板。

3)通过主动寻址方式，自动查找定位总线上可能存在的故障点，针对MVB链路层、物理层数据进行分析，详细定位通信异常位置。

4)针对MVB网络进行故障类型、端口、设备的统计，并形成报告。

5)WTB网络具备一定的自动分析能力，能够自动分析WTB网络通信状态，包括负载率、误码率等；自动获取总线上的节点配置。

6)自动采集WTB网络各节点的物理波形；自动分析各节点物理波形质量，并与标准对比，自动生成通信质量报告。

1.2 应用场景分析

自动化TCN分析仪(以下简称自动分析仪)的典型应用场景如下。

场景一：列车调试环境下，列车检修人员将自动分析仪接入MVB网络，操作上位机扫描MVB总线设备及端口，并实时显示总线设备及端口状态(在线or离线)，一段时间后自动停止扫描，生成设备及端口表，表格数据可导出。

场景二：列车调试环境下，列车检修人员将自动分析仪接入WTB网络，操作上位机扫描WTB总线节点，并实时显示节点信息表，一段时间后自动停止扫描，生成总线节点列表，表格数据可导出。

场景三：列车调试环境下，将列车拓扑信息表导入自动分析仪。列车检修人员将设备接入MVB网络，操作上位机软件进入MVB监听统计模式，启动分析，一段时间后软件自动停止分析，并输出MVB网络质量评估报告。

场景四：列车调试环境下，列车检修人员将自动分析仪接入WTB网络，操作上位机软件进入WTB监听统计模式，启动分析，一段时间后软件自动停止分析，并输出WTB网络质量评估报告。

场景五：列车调试环境下，将列车拓扑信息表导入自动分析仪。列车检修人员判断MVB网络存在通信异常，将设备接入MVB网络，操作上位机软件进入MVB检索分析模式，软件提示操作人员断开MVB主设备，启动分析，一段时间后软件自动停止分析。软件结合拓扑信息表判断故障位置，输出MVB各设备的通信质量报告。

2 设备接口及参数

2.1 接口电路

接口电路模块用于总线信号的采集/发送，主要实现MVB/WTB网络的接入、物理信号的调理及匹配、信号隔离等功能，接口电路包括如下。

1)WTB接口： DB9接口，支持AB两路信号同时采集；

2)MVB接口： DB9接口，支持AB两路信号同时采集及发送；

3)接口电路：符合IEC61375中EMD以及WTB介质接口要求；

4)信号调理电路：为匹配AD及DA芯片的电压范围，对信号进行调理，实现电平匹配；

5)信号采集：采用高速AD可同时采样A、B两路信号，并将采样的信号传给FPGA进行数据分析和处理；

6)信号收发：完成MVB网络物理信号和数字信号之间转化。

2.2 电源参数

下位机具备三种供电方式：DC 110 V、AC 220 V及锂电池供电，当存在外部供电时，优先选用外部供电方式。

表1 直流电源单元技术参数

交流电源技术参数如表2所示。

表2 交流电源单元技术参数

交流电源设置单独输入接口，电源进线从市电取得；直流电源设置单独输入接口，电源进线从被测车辆取得；设置保险丝和电源开关来保护电源模块。电源模块面板设置直流电源指示灯来显示电源状态。

锂电池容量支持2小时连续工作续航，满足乘坐飞机携带需求。拥有电量检测及温度测量功能，实时监测电池包内剩余电量及温度。

2.3 通信接口

通讯接口满足使用需求的无线路由器，用于连接上位机。通讯模块包括M12工业以太网接口和WIFI无线接口。WIFI无线接口支持串口透明传输，符合FCC认证，支持IEEE 802.11b/g/n协议，支持WEP64/128、WPA/WPA2 PSK数据安全标准。通过WIFI无线接口与网络交互，线路上的数据延迟小于100 ms。

2.4 其它参数

根据列车环境规范，硬件满足工作温度：-25～50℃，工作湿度：10%～95% RH，无凝露。设置LED指示灯，指示设备工作状态、总线通信状态等信息；内部存储的容量不少于100 GB固态硬盘；有一对标准DB9接口，用于连接MVB网络；一对标准DB9接口，用于连接WTB网络。

3 硬件设计

硬件电路的原理框图如图1所示。

图1 自动化TCN分析仪硬件原理框图

3.1 FPGA

FPGA用于完成总线数据的高速分析，包括：

1)外围接口进行配置，控制接口状态；

2)采集物理波形进行解码，得到总线传输数据报文；

3)总线报文物理层、链路层及帧帧间隔异常进行判决；

4)对发送报文进行编码，控制发送电路发送报文。

3.2 ARM处理器

ARM处理器搭载嵌入式处理系统，根据总线解码结果判断总线通信情况，完成上下位机通信，设备工作模式控制等功能。

3.3 DDR内存模块

主控器具备两个DDR3内存，分别位于PL端和PS端。其中，PL端DDR3用于缓冲AD采集的报文数据和波形数据，逻辑触发模块根据表达式内容读取并判断报文是否符合要求。PS端DDR3用于嵌入式系统的程序运行，包括裸核和Linux系统的运行。

3.4 数据存储模块

数据存储需要考虑硬件同时兼容SSD存储方案和eMMC存储方案。

报文及波形数据存储在SSD中，SSD建议采用256GB的存储容量。SSD存储满时，可按照用户预先设置的两种模式：循环存储、停止存储之一进行后续数据的处理。循环存储，即最新数据覆盖最老数据；停止存储，即丢弃新的数据。

系统应用程序以及系统版本、配置数据存放在EMMC介质中。

3.5 网络通信

PS端的网口用于与上位机通信，设备内部提供RJ45接口，连接至交换机，设备对外输出RJ45接口。

无线模块提供4G、WIFI功能，WIFI同时支持AP+STA模式。

4 软件设计

软件包括上位机软件和分析仪嵌入式软件。

4.1 上位机软件

上位机软件使用JAVA编程语言实现，软件的层次结构见图2，主要分为界面层、业务层、报文服务层和通信层。

图2 上位机软件结构

界面层在3种分析模式显示的内容上有差异，但均由配置显示，过程显示，结果显示及设备状态显示构成。配置显示配置功能的用户接口，过程显示负责分析过程的内容和进度展示，结果显示主要负责分析结果和报告内容的展示，设备状态显示负责设备状态信息的用户接口。

业务层为上位机核心功能层，负责报文信息统计及端口节点发现、波形质量分析。业务层根据统计分析结果，结合网络拓扑信息，分析出网络总线通信质量以及各设备/节点通信质量，并以报告形式展示。

数据服务层接收数据、解析数据并将数据分发给业务层。

通信层和下位机建立链接，给下位机发送执行，接收报文数据和波形数据。

4.2 分析仪嵌入式软件

嵌入式软件设计包括PL端软件设计和PS端软件设计。PL端软件实现总线波形采集，波形解码、报文链路异常判断、波形存储等工作。PS端采用OpenAMP架构，其中CPU0运行PetaLinux操作系统，CPU1运行单任务操作系统(即裸核操作系统)，如图3所示。

图3 嵌入式软件结构

CPU0运行的PetaLinux操作系统分为内核空间及用户空间。内核空间包含了设备运行需要的基本驱动，用户空间实现设备业务逻辑控制。

用户空间的线程设计包括：

1)以太网通信线程：

a)同时支持MVB/WTB参数配置；

b)支持通过接收命令启动/停止ADC采集；

c)支持MVB报文发送控制；

d)设备状态查询返回接口；

e)MVB/WTB总线选择命令；

f)支持MVB/WTB综合分析仪上位机软件读取报文波形信息。

2)波形存储：

a)MVB/WTB波形分别进行存储；

b)支持MVB/WTB波形独立上报；

3)报文接收传输线程：

a)MVB/WTB报文接收；

b)MVB/WTB报文组包上报。

4)状态显示：

a)显示当前采集环境(MVB或WTB)；

b)电池或者芯片温度过高时，设备自动关机；

c)显示自动化TCN分析仪设备状态。

5)双核通信：

a)设备配置参数传输；

b)采集报文及波形传输；

c)波形采集控制命令传输；

6)程序主线程：

a)主线程初始化时，配置默认参数，默认进入标准数据采集模式；

b)配置参数中，触发条件个数设置为0，设备仅使用强制触发功能；

c)通信线程接收到上位机指令，通知进入TCN网络分析模式；

CPU1运行裸核操作系统，配合PL端完成外围设备进行配置，完成波形、报文采集及传输。

5 故障定位设计

列车MVB网络设备故障定位功能包括线路异常引起的故障定位以及单个设备故障定位。自动分析仪基于设备各端口的误码率统计结果以及波形分析结果，结合导入的MVB网络拓扑信息，定位出故障所在位置信息以及可能故障原因。其中导入的MVB网络拓扑采用四级结构，标注端口、设备、中继器、车厢之间的物理连接关系，设备依据该物理关系定位故障位置信息。

分析仪提取的物理波形特征参数信息如表3所示，分析仪软件支持指标健康参考值设置。

表3 MVB物理波形特征参数

故障定位处理流程如图4所示，分析仪统计各设备及端口的误码率信息以及波形参数信息，根据设置的健康标准判断设备故障状态；网络中各设备故障状态分析完成以后，根据设备故障数据，结合导入网络拓扑信息，判断网络中是否存在线缆故障。

当满足以下条件之一，则认为该设备连接线缆存在故障：

1)设备与分析仪挂载在一路中继器中，设备位于分析仪与中继器之间，从该设备开始至中继器间的所有设备，均出现某路总线无从帧响应；

2)设备与分析仪挂载在一路中继器中，设备位于分析仪与终端电阻之间，从该设备开始至终端电阻间的所有设备，均出现某路总线无从帧响应；

3)设备与分析仪挂载在不同中继器间，从该设备开始至终端电阻间的所有设备，均出现某路总线无从帧响应。

图4 故障定位处理流程图

6 实车测试结果分析

自动分析仪的典型应用为高铁/地铁列车MVB网络通信质量评估，MVB网络通信故障位置定位；高铁/地铁列车WTB网络通信质量评估。

自动分析仪在某十六节车厢编组WTB+MVB组合网络控制的高铁实车测试中，分别完成了正常通信车辆的MVB/WTB网络质量评估以及通信故障车辆的MVB故障定位测试。正常通信车辆的MVB网络监听测试结果如图5、图6所示。图5给出了监听测试时总线分析结果，图6给出了监听测试时网络异常设备信息。

图5 MVB网络总线测试结果

图6 MVB 监听测试问题汇总

在故障车辆测试中，自动分析设备有效地分析了MVB网络的通信质量，给出了故障位置信息，并以图表的形式展示，帮助列车调试人员快速定位网络故障，提高了列车调试效率。实车调试检测出的列车设备状态如图7所示，绿色为正常设备，黄色为分析指标不合格设备，红色为不响应设备。图8为故障信息的详细列表，从表中可以看出，设备准确定位出了故障的详细位置及故障原因。

图7 MVB网络设备状态图

7 结束语

针对现阶段轨道车辆中MVB和WTB通信网络测试和诊断困难，及检测手段单一低效的现状，研发了自动化TCN分析仪。分析了自动化测试及诊断的难点及应对手段，设计了硬件接口及各模块，定义了硬件参数；设计了软件并给出了交互界面。将分析仪应用到实车检测中，分析了测试数据，得出使用结论。未来将进一步将自动化TCN分析仪推广到更多轨道交通中去，通过实际使用效果完善自动化MVB和WTB通信测试和诊断技术。