隨著技術(shù)的進步和市場需求的變化，鐵路機車車輛工業(yè)對列車微機控制系統(tǒng)中的車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)提出了新的要求，期望建立一個在機車車輛內(nèi)部及列車和地面控制系統(tǒng)之間交換控制命令、狀態(tài)、故障診斷信息以及旅客信息等的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。為此，國際電工委員會制定了IEC61375—1:1999《列車通信網(wǎng)絡(luò)》，它包括2種總線，即列車總線WTB和多功能車輛總線MVB,分別用來連接列車的各個車廂和車廂內(nèi)的電氣設(shè)備。本文結(jié)合“北亞”號內(nèi)燃動車組，研究基于TCN技術(shù)的內(nèi)燃動車組列車通訊網(wǎng)絡(luò)。
“北亞”號內(nèi)燃動車組是一種自帶動力、具有載客功能、成組運行的軌道交通工具，動車組設(shè)頭尾2輛動車，中間由幾節(jié)拖車組成。司機在頭車操縱，尾車不配司機。頭尾2輛車控制系統(tǒng)完全相同，并相互聯(lián)鎖，尾車控制系統(tǒng)通過列車通訊網(wǎng)絡(luò)接收頭車操縱指令，頭尾2輛車同步工作，頭車的監(jiān)控信息在頭車直接顯示，尾車的監(jiān)控信息可以通過通訊網(wǎng)絡(luò)在頭車司機臺顯示，司機在頭車上可以操縱2臺動車的各個工況。該列車通訊網(wǎng)絡(luò)可完成頭尾2輛動車的重聯(lián)控制、監(jiān)測并實施安全保護。
1 動車組列車通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
“北亞”號內(nèi)燃動車組采用列車控制與通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對整列車進行控制，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照TCN標準，列車通訊網(wǎng)絡(luò)分為2級，第1級為絞線式列車總線WTB,實現(xiàn)車輛間的數(shù)據(jù)通信；第2級為多功能車輛總線MVB,主要實現(xiàn)同一車輛內(nèi)各個功能控制單元之間的數(shù)據(jù)通信。
每臺動車由1個微機控制裝置和1個智能顯示單元組成。在頭尾2輛動車上各裝有1臺控制機箱，每臺機箱中裝有數(shù)字量輸入/輸出單元（DI/DO）、模擬量輸入/輸出單元（AX）、車輛控制單元（VCU）、無線數(shù)據(jù)傳輸單元（GPRS板）、網(wǎng)關(guān)（GW）和智能顯示單元（IDU）。2臺控制機箱間采用WTB通訊；每臺控制箱內(nèi)各單元之間采用MVB通訊，其介質(zhì)采用電氣中距離介質(zhì)EMD。
2 列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成
列車控制與通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用通用的EXP機箱，機箱為背板式結(jié)構(gòu)。以C8051F040CPU為核心，由開關(guān)電源、數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、無線數(shù)據(jù)傳輸單元等組成，各單元通過MVB總線與CPU進行數(shù)據(jù)交換。各插件功能介紹如下。
2.1 開關(guān)電源
采用開關(guān)電源技術(shù)，將輸入24V電源變換為+5V和±15V電源，給機箱、網(wǎng)關(guān)、輸入輸出單元及傳感器供電。
2.2 數(shù)字量輸入/輸出
采用光電隔離技術(shù)，接收司機控制指令及動車狀態(tài)信號，完成動車邏輯控制。
2.3 模擬量輸入/輸出
對動車速度、柴油機轉(zhuǎn)速、柴油機潤滑油壓力、柴油機冷卻水溫度信號進行采樣。
2.4 無線通訊模塊
無線數(shù)據(jù)傳輸單元是利用通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS將動車組現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控站，供相關(guān)人員對機車的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。
2.5 車輛控制單元VCU
VCU主要實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制功能，其組成如圖2所示。具有RS—232、RS—485、CAN以及MVB通信接口，其中RS—485和CAN為功能擴充預留。
VCU采用C8051F040單片機，其速度可達25MIPS（使用25MHz時鐘）。具有4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（4K+256）和64KBFLASH。
VCU的主要功能有：
（1）實現(xiàn)動車組的柴油機、輔助發(fā)電機、空氣壓縮機等設(shè)備的邏輯控制及故障診斷功能。
（2）頭尾2輛動車的VCU依靠司機鑰匙檔位定義主控微機信號來確定主控微機。當1臺VCU被定義為主控微機時，則另一臺VCU為從控微機。從控微機不具有MVB總線管理器功能。
（3）實現(xiàn)防空轉(zhuǎn)/防滑控制功能。在牽引或制動工況下，系統(tǒng)檢測輪根據(jù)空轉(zhuǎn)或滑行程度的不同，采取撒沙、降功、卸載等保護措施，以充分利用動車粘著性能，發(fā)揮牽引力。
（4）具有柴油機與動車電氣系統(tǒng)保護功能。動車微機實時檢測柴油機溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等信號。若這些信號超過正常工作范圍，則根據(jù)故障的不同種類分別采取報警、降功、卸載、停機等措施對其進行保護并記錄，確保柴油機和換檔機構(gòu)的正常工作。
3 列車TCN網(wǎng)絡(luò)通信及重聯(lián)控制