隨著技術的進步和市場需求的變化，鐵路機車車輛工業對列車微機控制系統中的車載數據通信網絡提出了新的要求，期望建立一個在機車車輛內部及列車和地面控制系統之間交換控制命令、狀態、故障診斷信息以及旅客信息等的數據通信網絡。為此，國際電工委員會制定了IEC61375—1:1999《列車通信網絡》，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的電氣設備。本文結合“北亞”號內燃動車組，研究基于TCN技術的內燃動車組列車通訊網絡。
“北亞”號內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，動車組設頭尾2輛動車，中間由幾節拖車組成。司機在頭車操縱，尾車不配司機。頭尾2輛車控制系統完全相同，并相互聯鎖，尾車控制系統通過列車通訊網絡接收頭車操縱指令，頭尾2輛車同步工作，頭車的監控信息在頭車直接顯示，尾車的監控信息可以通過通訊網絡在頭車司機臺顯示，司機在頭車上可以操縱2臺動車的各個工況。該列車通訊網絡可完成頭尾2輛動車的重聯控制、監測并實施安全保護。
1 動車組列車通信網絡拓撲結構
“北亞”號內燃動車組采用列車控制與通訊網絡系統對整列車進行控制，網絡拓撲結構如圖1所示。按照TCN標準，列車通訊網絡分為2級，第1級為絞線式列車總線WTB，實現車輛間的數據通信；第2級為多功能車輛總線MVB，主要實現同一車輛內各個功能控制單元之間的數據通信。
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）、無線數據傳輸單元（GPRS板）、網關（GW）和智能顯示單元（IDU）。2臺控制機箱間采用WTB通訊；每臺控制箱內各單元之間采用MVB通訊，其介質采用電氣中距離介質EMD。
2 列車控制與通信網絡系統的組成
列車控制與通信網絡系統采用通用的EXP機箱，機箱為背板式結構。以C8051F040CPU為核心，由開關電源、數字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、無線數據傳輸單元等組成，各單元通過MVB總線與CPU進行數據交換。各插件功能介紹如下。
2.1 開關電源
采用開關電源技術，將輸入24V電源變換為+5V和±15V電源，給機箱、網關、輸入輸出單元及傳感器供電。
2.2 數字量輸入/輸出
采用光電隔離技術，接收司機控制指令及動車狀態信號，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
無線數據傳輸單元是利用通用分組無線業務GPRS將動車組現場采集的數據傳輸到地面監控站，供相關人員對機車的運行狀態進行監控。
2.5 車輛控制單元VCU
VCU主要實現系統的邏輯控制功能，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字節內部數據RAM（4K+256）和64KBFLASH。
隨著技術的進步和市場需求的變化，鐵路機車車輛工業對列車微機控制系統中的車載數據通信網絡提出了新的要求，期望建立一個在機車車輛內部及列車和地面控制系統之間交換控制命令、狀態、故障診斷信息以及旅客信息等的數據通信網絡。為此，國際電工委員會制定了IEC61375—1:1999《列車通信網絡》，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的電氣設備。本文結合“北亞”號內燃動車組，研究基于TCN技術的內燃動車組列車通訊網絡。
“北亞”號內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，動車組設頭尾2輛動車，中間由幾節拖車組成。司機在頭車操縱，尾車不配司機。頭尾2輛車控制系統完全相同，并相互聯鎖，尾車控制系統通過列車通訊網絡接收頭車操縱指令，頭尾2輛車同步工作，頭車的監控信息在頭車直接顯示，尾車的監控信息可以通過通訊網絡在頭車司機臺顯示，司機在頭車上可以操縱2臺動車的各個工況。該列車通訊網絡可完成頭尾2輛動車的重聯控制、監測并實施安全保護。
1 動車組列車通信網絡拓撲結構
“北亞”號內燃動車組采用列車控制與通訊網絡系統對整列車進行控制，網絡拓撲結構如圖1所示。按照TCN標準，列車通訊網絡分為2級，第1級為絞線式列車總線WTB，實現車輛間的數據通信；第2級為多功能車輛總線MVB，主要實現同一車輛內各個功能控制單元之間的數據通信。
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）、無線數據傳輸單元（GPRS板）、網關（GW）和智能顯示單元（IDU）。2臺控制機箱間采用WTB通訊；每臺控制箱內各單元之間采用MVB通訊，其介質采用電氣中距離介質EMD。
2 列車控制與通信網絡系統的組成
列車控制與通信網絡系統采用通用的EXP機箱，機箱為背板式結構。以C8051F040CPU為核心，由開關電源、數字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、無線數據傳輸單元等組成，各單元通過MVB總線與CPU進行數據交換。各插件功能介紹如下。
2.1 開關電源
采用開關電源技術，將輸入24V電源變換為+5V和±15V電源，給機箱、網關、輸入輸出單元及傳感器供電。
2.2 數字量輸入/輸出
采用光電隔離技術，接收司機控制指令及動車狀態信號，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
無線數據傳輸單元是利用通用分組無線業務GPRS將動車組現場采集的數據傳輸到地面監控站，供相關人員對機車的運行狀態進行監控。
2.5 車輛控制單元VCU
VCU主要實現系統的邏輯控制功能，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字節內部數據RAM（4K+256）和64KBFLASH。
VCU的主要功能有：
（1）實現動車組的柴油機、輔助發電機、空氣壓縮機等設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）實現防空轉/防滑控制功能。在牽引或制動工況下，系統檢測輪根據空轉或滑行程度的不同，采取撒沙、降功、卸載等保護措施，以充分利用動車粘著性能，發揮牽引力。
（4）具有柴油機與動車電氣系統保護功能。動車微機實時檢測柴油機溫度、壓力、轉速等信號。若這些信號超過正常工作范圍，則根據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的正常工作。
3 列車TCN網絡通信及重聯控制
通信采用TCN網絡，取消了以往動車組頭尾2輛動車之間的所有硬連線。為了提高可靠性，采用雙通道熱備冗余控制方案，即采用2路WTB總線同時傳遞數據，當一路發生故障時，由軟件自動完成轉換。
3.1 TCN網絡的組成
3.1.1 組成
該列車通訊網絡完全符合TCN標準。網絡上設有2個WTB節點，頭尾2輛動車上各1個。列車總線WTB和多功能車輛總線MVB通過網關連接。
車廂總線MVB上附掛有模擬量輸入/輸出單元、數字量輸入/輸出單元、車輛控制單元、智能顯示單元和無線通訊單元，這些單元通過MVB總線連接起來，傳遞相應的數據信息。
3.1.2 車輛控制單元與網絡的數據通信方式
主CPU與網絡通過UART仿真技術交換數據。
主CPU采用查詢方式定時從輸入緩沖區中讀取2個網絡節點的信息，并進行校驗。當校驗正確時，返回正確標志，將數據提供給本車使用；反之，若校驗出錯，則返回錯誤標志，將所收到的數據丟棄。當主微機的數據需要更新時，主CPU向輸出緩沖區寫數據供他車使用。正常情況下，2個網絡節點是同時工作的，并通過2根WTB總線實現冗余。當主CPU檢測到一路通信故障時，由網關中的軟件識別并自動轉換到另一路，并在顯示器上提示該路網絡通信故障。
3.1.3 網關的配置
在該動車組的列車控制與通信網絡系統中，采用捷克Unicontrols公司生產的網關。該網關在購買時帶有底層軟件，在應用層面上只需根據需要對網關進行相應配置即可（包括動車組的組成、車廂的類型、車廂內的設備、通信存儲器及端口的配置等）。
3.2 TCN列車通信網絡的功能
3.2.1 列車重聯控制功能
頭車將司機控制指令及動車狀態信號傳送給尾車，可實現尾車無人駕駛。尾車檢測動車狀態信號傳送給頭車，以便司機了解他車運行情況，確保列車工況一致。
3.2.2 頭尾2輛車監控數據通信功能
頭尾2輛車實時檢測動車及柴油機的速度、檔位、方向、溫度、壓力等信號，通過網絡傳遞給智能顯示單元顯示，以便司機及時了解列車的運行信息，確保列車正常運行。
3.3 動車組重聯控制邏輯
3.3.1 操縱端控制
為了防止控制邏輯錯誤，首先必須確定操縱端。
在該網絡中，通過司機鑰匙來確定操縱端。司機鑰匙在“ON”位置的動車為操縱端，另一動車為尾車。若兩動車同時設置為操縱端，則顯示“操縱端設置錯誤”，兩車控制均處于無效狀態。
3.3.2 工況控制
頭車完成本車的所有控制功能，實時檢測工況、方向、司機控制器手柄等信號，并將相應的控制指令通過TCN網絡傳給尾車，同時將尾車的狀態通過指示燈顯示在司機臺上。尾車接受頭車指令，控制尾車相應的繼電器動作，檢測動作正確后，完成動車相應檔位加減載控制，否則不加載并提示尾車工況錯誤。
4 智能顯示單元
4.1 智能顯示單元的組成及軟件
智能顯示單元主要用于顯示連接到列車總線上的各子系統的狀態、列車基本運行數據、列車狀態信息和故障診斷信息。智能顯示單元由彩色液晶觸摸屏、PC104嵌入式模塊、網絡接口卡、顯示卡等組成，司機通過觸摸屏，可了解動車運行情況和查詢故障信息。
智能顯示單元的應用軟件采用北京昆侖通態公司的MCGS全中文工業自動化控制組態軟件編寫。軟件編寫時通過對MVB邏輯端口進行配置，并將MVB邏輯端口和MCGS軟件中的數據變量連接起來，通過編寫腳本程序進行不同量綱間的轉換和實現過程數據顯示功能。軟件在PC機上調試通過后，下載到智能顯示單元的CF卡上，然后在智能顯示單元的Win2dowsCE操作系統下運行。
4.2 智能顯示單元的主要功能
該智能顯示單元為司機及維護人員提供了良好的人機接口。具體功能如下：
（1）實時顯示動車運行參數，如動車組運行速度、柴油機轉速、溫度、壓力、工況等；
（2）以不同顏色的指示燈顯示動車的故障信息，如柴油機超速、動車組超速、柴油機滑油壓力低、柴油機水溫高等，并進行相應故障處理，如報警、降功、卸載等；
（3）日歷、時間顯示及校正；
（4）查詢動車故障；
（5）完成動車輪徑值修改。
5 結語
從內燃動車組TCN網絡控制系統運行情況看，該系統工作可靠，能滿足內燃動車組控制要求。但由于該控制系統的車輛控制單元采用C8051F040微處理器，其運算速度有限，存儲空間較小，不能存儲歷史故障數據。隨著計算機技術、嵌入式系統的發展，采用帶有嵌入式系統的車輛控制單元并采用圖形化編程軟件，使所開發的TCN網絡達到國外同類產品的水平，從而開發出具有自主知識產權的列車控制與通信網絡產品，是將來研究中要解決的主要問題。