基于ControlBuild平台的车载控制单元的设计与实现

田学文，任晓坤

(中车青岛四方车辆研究所有限公司 电子事业部，山东 青岛 266031)

1 背景与目的

为解决上述动车组列车网络控制系统的突出问题，开发了基于ControlBuild的VCU。VCU集成了MVB板、以太网板、WTB板、输入输出(IO)板，中央控制单元与TCN网关融合，将WTB板集成到VCU机箱，通过共享内存实现车辆级总线数据与列车级总线数据的内部传输。VCU软件集成MVB通信驱动、以太网通信驱动、WTB通信驱动、IO通信驱动，具备较高的通信方式扩展性；VCU兼容车辆级MVB/ETH总线、WTB列车级总线3种通信模式，其中MVB/ETH总线通信模式2选1，用户根据动车组列车网络配置需求，选择通信板卡并通过配置文件设置车辆级总线通信模式。软件功能开发采用模块化设计，车辆逻辑采用工程库函数模块方式进行开发，便于功能调试、仿真测试，提高了逻辑开发的效率。

2 VCU硬件组成

VCU机箱由电源板、背板、CPU板、MVB板、WTB板、以太网扩展板、DI采集板、DO输出板组成。电源板通过背板给各个板卡供电，CPU板是控制核心板，MVB板、WTB板、以太网扩展板是通信板，DI采集板、DO输出板分别是输入、输出板。CPU板通过背板CPCI总线与各通信板进行数据传输，通过背板CAN总线控制DI采集板/DO输出板。VCU机箱组成如图1所示。

图1 VCU机箱组成

电源板负责将外部电源输入转换为VCU中板卡所需要的5 V直流电源；CPU板属于整个VCU的控制中枢，主要运行实时操作系统、驱动程序和列车控制逻辑，实现VCU的MVB/WTB/ETH/IO总线数据处理、冗余功能和逻辑运算等；MVB板实现IEC 61375-1：2012《铁路电气设备 列车通信网络 第 1 部分：基本架构》中定义的MVB物理层和链路层，通过背板总线提供MVB链路层接口，具有MVB过程数据、消息数据和查询设备状态功能，支持4 096个过程数据端口[1]；WTB板实现IEC 61375-1：2012标准定义的WTB物理层和链路层，通过背板CPCI总线提供WTB链路层接口。

3 VCU软件功能设计

基于ControlBuild平台的VCU软件(图2)由辅助开发工具(ADT)、逻辑编程软件ControlBuild、VCU任务调度软件、服务软件(PTU)组成。ADT实现通信协议、配置变量表的解析与变量导入、加载驱动、程序一键编译等功能；ControlBuild实现车辆逻辑绘制、逻辑编译、逻辑工程配置、程序编译功能；VCU任务调度软件根据每个任务分配的时间片和执行周期，实现多线程、多进程的任务调度；PTU实现程序和配置文件的上传、逻辑变量的实时监控/强制、故障的下载/解析功能。

图2 基于ControlBuild平台的VCU软件架构图

3.1 ADT功能设计

ADT是工程输入文件与上位机开发环境的接口配置工具，ADT具备以下功能(图3)：

图3 ADT功能示意图

(1) 工程管理与配置。建立与ControlBuild对应的ADT工程，并进行接口文件路径设置、驱动程序设置。项目输入表格分为通信协议变量表、配置变量表、驱动变量表3类。驱动程序包括MVB驱动、ETH驱动、WTB驱动、IO驱动、仿真驱动、PTU驱动和任务管理驱动。

(2) 变量解析与导入。ATD解析的变量种类包括MVB变量、ETH变量、WTB变量、IO变量、配置变量、驱动变量。ATD解析这些变量的变量名、输入输出属性以及变量的数据类型，将所有变量导入ControlBuild。

3．相关会议类。关于习近平共享发展的会议是比较多的，最具有代表性的会议有《决策论坛——公共政策的创新与分析学术研讨会》、《中国国际共运史学会2016年年会暨学术研讨会》《中国经济规律研究会第26届年会暨“政治经济学创新与供给侧改革”研讨会》等，这些会议从不同角度阐明了习近平共享发展理念符合时代发展。准确地理解习近平共享发展理念的理论来源、深刻内涵以及与其他四大发展理念(创新、协调、绿色、开放)的逻辑关系，同时准确把握习近平共享发展理念的创新性，为习近平共享发展理念的进一步深入研究开拓了理论视野，对于习近平共享发展理念的研究具有重要借鉴意义。

(3) 加载驱动。根据设备硬件通信板的配置和项目需求，通过ADT勾选将要调用的硬件板卡驱动函数库和应用层函数库，包括MVB驱动、ETH驱动、WTB驱动、IO驱动、仿真驱动、PTU驱动和任务管理驱动。

(4) 程序生成。用户根据项目需求，通过ADT选择并设置驱动路径，实现驱动程序的灵活配置，并通过ADT一键生成可执行应用程序。

3.2 ControlBuild逻辑开发

ControlBuild是一款开放式自动化软件平台，专注于控制自动化和电子嵌入式系统的综合开发，具备全流程控制系统的开发、仿真、验证功能，在轨道交通行业应用广泛。

基于ControlBuild平台的VCU上位机软件开发内容包括变量模块、工程库、VCU网络控制逻辑，见图4。

图4 基于ControlBuild平台的VCU上位机软件开发内容

3.2.1 变量模块设计

变量模块分为通信协议变量模块、配置变量模块、驱动变量模块和未使用变量模块。变量数据流向设计如下：

(1) 通信协议变量通过驱动程序与逻辑模块使用的协议变量直接关联，包括通信协议输入、输出变量。

(2) 配置和驱动变量模块存放非协议配置变量，包括机箱配置信息变量、通信故障变量、设备状态信息变量、中间变量等。配置输入变量通过读取配置文件获取数值，驱动输入变量由驱动程序提供，并提供给逻辑使用；配置和驱动输出变量接收逻辑输出的变量值，再通过驱动程序进行数据输出处理。

(3) 未使用变量模块存放未使用的变量，由ADT检测逻辑未使用的通信协议变量、配置变量和驱动变量生成。

3.2.2 工程库设计

工程库包括VCU功能模块、运算模块、控制模块、逻辑模块、时间控制模块、数据类型转换模块。工程库函数采用统一接口，便于调试、仿真测试。

VCU功能模块主要实现设备自身的软件、硬件诊断，系统日志的生成与硬件板卡的故障记录，VCU设备间的冗余切换，VCU设备与网络子系统通信端口异常的判定，断电保存变量的更新与存储；运算模块为列车网络控制逻辑提供相关变量的加、减、乘、除、积分、微分等数值计算操作；控制模块为列车网络控制逻辑提供锁存器、限值控制、比例积分控制、斜坡控制、选择输出等标准运算模块；逻辑模块为列车网络控制逻辑提供相关变量的与、或、非、大小关系比较等逻辑运算操作；时间控制模块通过提供定时器、延时输出、时间脉冲发生器、时间转换等实现对逻辑变量的时间控制需求；数据类型转换模块完成列车网络控制逻辑中不同数据类型的变量的相互转换和运算的功能。

3.2.3 VCU网络控制逻辑设计

VCU网络控制逻辑由VCU功能逻辑、车辆控制逻辑组成。VCU功能逻辑包含冗余功能逻辑、看门狗控制、指示灯控制、网关交互变量处理逻辑、IO变量处理逻辑、通信模式选择、通信故障逻辑、线路故障检测逻辑、VCU自诊断逻辑和线程周期检测逻辑；车辆控制逻辑包含使能逻辑、高压逻辑、牵引逻辑、辅助逻辑、制动逻辑、恒速逻辑、里程逻辑、充电机逻辑、安全环路逻辑、轴温逻辑、整备逻辑、网络逻辑、PIS逻辑、空调逻辑等。

3.2.4 程序部署

程序编译输出VCU程序和MAP文件，VCU程序组成由逻辑程序、MVB数据处理程序、WTB数据处理程序、以太网数据处理程序、IO数据处理程序、仿真服务程序、PTU服务程序、任务管理程序组成；MAP文件是变量文件，包含VCU网络控制逻辑工程中的所有变量。

3.3 PTU功能设计

PTU软件能够在线分析列车实时状态，可以根据车辆运行故障数据进行离线曲线分析、列表汇总、报表打印等功能，便于指导维护人员对车辆发生的故障进行维修。PTU软件的主要结构分为：

(1) 客户管理模块。登录的客户分为管理者和用户2种类型，这2种客户对软件的操作有不同的权限。管理者可以对软件的所有功能进行操作，而一般用户只能使用软件的一般功能。

(2) 通信模块。通过以太网接口与VCU设备通信，完成程序和配置文件上传、逻辑变量实时监测/强制、故障数据的下载/解析等基本功能。

(3) 故障数据格式转换模块。该模块把从车辆上导出的原始故障数据转换成软件能够直接分析的数据格式，从车辆上导出的故障数据首先转换成Access类型的数据库文件，用户可以直接通过软件打开该数据库文件进行分析。

(4) 故障数据的显示分析模块。该模块把故障数据以图形曲线或变量列表的形式显示出来，并提供对故障信息的编辑功能。

(5) 数据报表打印及故障数据的导出模块。该模块把故障曲线及数据以报表的形式打印出来，并可以把故障数据导出到Excel表格中。

4 结束语

基于ControlBuild的车载控制单元相比于MVB通信模式、ETH通信模式具备大数据传输能力；VCU融合WTB通信模式，减少了车辆总线数据与列车总线数据之间的传输延时。基于ControlBuild的车载控制单元的设计实现了平台化、接口标准化、模块化开发，大幅提高了列车网络控制系统的开发效率，具备较高的应用价值。目前基于ControlBuild的车载控制单元已经批量应用于标准动车组的列车网络控制系统中，设备运行稳定可靠。