城市轨道交通MVB总线的通信网络分析及测试方法
本来主要介绍国内外主流的城轨车辆通信网络的发展，从技术层面上进行了比较，进而具体分析了城轨车辆基于MVB总线的通信网络应用现状及面临的难题。重点剖析了基于MVB总线的通信网络的结构、数据及层次。阐述了MVB通信网络接口设备的分类，网络接口及网络控制器。通过试验平台进行了MVB设备通信的波形试验，通过对波形的分析，达到预期试验效果。并且通过福禄克DSX-5000电缆测试仪对MVB 总线中M12接口进行测试分析。
1.1概述
随着城轨车辆局域网技术、嵌入式微机控制技术以及现场总线技术的发展，现代城轨车辆的过程控制已从集中型的直接数字控制系统发展为基于通信网络的分布式控制系统。城轨车辆分布式控制系统通过应用多种总线技术把分布于各车厢内部、独立完成特定功能的微控制器互连起来形成类似于工业局域网的网络形式，以实现车辆资源共享、协同工作、分散监测和集中操作等目的。列车通信网络（TCN-Train Communication Network）就是在这个系统上建立起来的列车控制、诊断信息数据通信网络。
目前，国际上TCN成功应用的项目已经很多，然而国内由于起步较晚等种种原因，技术水平与国外存在一定差距。本文主要就TCN网络中基于MVB总线的城轨车辆通信网络进行分析。
国内MVB通信网络面临的难题
目前MVB通信网络的产品和核心技术仍然由国外的几个公司垄断。
由于国外公司对MVB通信网络的关键技术的垄断，严重阻碍了国内自己开发MVB通信网络产品，而整机引进的周期长且价格难以承受。
国内对标准的引进、技术的理解消化和二次开发都做得不够，不利于MVB通信网络技术在国内城轨车辆或者其他领域的推广应用，同时也不利于吸取经验研制自己的列车网络产品和制定自己的列车网络标准。
国内对列车通信网络的研究较少，没有技术积累，而此类技术要求高，投入大，导致国内列车通信网研究进步缓慢。
基于MVB总线的城轨车辆通信网络的应用
2.1 MVB总线结构及原理
MVB总线是瑞士Lok460机车上创始的总线为基础，并已经在1000辆以上的城轨车辆上应用过。MVB可使用双绞线或者光纤介质，不同的介质可以通过中继器互相连接。MVB由一个集成的总线控制器支持，它能够构成简单的设备而无须处理器。MVB控制器在物理层提供冗余；一个设备在两个互为冗余的线路上发送，但是仅从一条线路上接受，同时监视另一条线路。
图1 MVB总线 EMD介质连接图
MVB体系结构表
作为通用的现场总线，MVB属于总线仲裁型网络，采用主帧/从帧应答方式，可以实现设备和介质冗余，总线的实时性依靠实时协议来保证。
列车故障诊断系统可对运行中或停车状态下的城轨车辆设备以及由这些设备所构成的系统进行在线监测，在发生故障时可确定故障所在部位，提示排除故障的方法或采取应急措施的建议，提高了列车运行的安全性。
下面以国内某轨道车辆项目为例说明列车控制及监视系统。
列车控制及监视系统拓扑结构图如下图所示：
图2 列车控制及监视系统拓扑图
基于MVB总线的列车网络控制系统采用分布式控制技术，划分为两级：列车控制级、车辆控制级。列车控制级总线和车辆控制级总线均采用EMD电气中距离介质的MVB多功能车辆总线。中继模块REP作为列车级总线和车辆级总线的网关，实现列车级总线到车辆级总线的数据转发功能。
基于MVB总线的列车网络控制系统配置以太网无线传输模块EWLM，通过工业以太网连接事件记录模块ERMe的M12以太网接口，可以将ERMe中记录的数据信息通过WLAN或者3G无线网络发送到地面维护中心，实现车地无线数据通信功能：
图3车地无线通信示意图
不论是列车级总线还是车辆级总线，均采用通信线路双通道冗余设计，当某一路通信线路出现故障时，系统可以自动切换到另一路通信线路。对于关键的车辆控制模块VCMe，由于其主要实现重要的车辆控制、总线管理，因此在整个列车网络中也对VCMe做了热备冗余配置，正常情况下两个VCMe通过底层协议芯片的竞争机制自动选取一个VCMe为总线管理主，另外一个VCMe为备用主，当主VCMe出现故障时，备用VCMe将接管主VCMe的职责，行使所有的总线管理和控制功能。但是不论哪个VCMe为总线管理主，在控制逻辑上都以司机钥匙激活端的控制指令为准，总线管理主权的交换不会导致控制指令来源的切换。
多功能车辆总线MVB用于连接各车辆内的电子部件和控制系统（也称为MVB段）。数据在车辆总线上可以双向传递。
车辆内MVB的电气线路（一条线路＝一对电线）是有物理冗余的，以提高可利用性。数据通过两条线路（即两对电线）传递，即使一条线路出现故障，数据仍可通过第二条线路传递。
MVB所使用的电缆是两对双绞屏蔽线。为防止反射及干扰，MVB在总线的每一端都设有终端电阻（120欧姆）。
MVB电缆是与电子控制单元内的MVB接口模块相连的。MVB接口模块进行总线管理和数据通信管理，包括总线主控器（总线管理器）的定义及线路监控。
2.2 MVB总线故障诊断及显示
列车故障诊断功能由列车中央控制单元集中完成。即在每个中央控制单元中有专用的32位微处理器，用于故障数据的处理。所有诊断信息以及列车故障信息自动提供给整组列车。在该系统中，对于每个连接到多功能车辆总线上的子系统控制单元，对各子系统可诊断到最小可更换单元。中央控制单元通过列车总线控制系统接受从各子系统传来的故障信息，并附带一定的相关数据和相应的时间。
1）对重要的故障信息的记录该给出跟踪数据，并通过分析数据记录能显示出连续的牵引/制动工况特性参数的曲线图形。
2）监测蓄电池电压、电流、箱内温度，可在显示屏上显示蓄电池的容量及状态信息，当蓄电池温度过高或电压过低时，记录并报警。
3）列车故障诊断系统包括列车中央控制单元执行中央故障处理功能，其主要功能如下：
- 故障信息进行识别，处理；
- 输出故障信息；
中央故障处理单元具备自诊断和保护功能并且可对本系统部件诊断到最小可更换单元；
所有的故障信息保存在存储器里，便于下载。对于重要的故障信息包含相应的相关数据，通过相应的专家分析软件将下载的数据还原成可用于分析故障的故障记录表和相关的模拟量/数字量图形，分析过程可以在通用的PC上完成。
列车故障诊断系统是列车控制和诊断系统的一个重要组成部分，完成车载各部件故障数据的采集、分析、转储和显示功能。故障信息在司机台上通过HMI显示，并且通过PTU上传到地面维修和服务系统中，供长期的储存和深入的地面分析。
基于MVB总线的列车网络控制系统的诊断功能可以协助司机和检修人员进行工作。当故障发生时，协助司机采取适当的操作，并使维护人员更容易地查找并解决故障。
如果列车发生故障，将以纯文本信息在HMI上显示给司机。每条纯文本信息都分配有故障代码，根据不同的故障类别进行故障评估。故障类别和纯文本信息显示在显示器的界面上。此外，司机也可以从 HMI上获得所必须实施的操作指导说明。
列车诊断系使用以下各个显示界面指示故障。
当前故障界面显示当前基于MVB总线的列车网络控制系统检查到的当前故障列表。此界面信息影响列车运行的故障将给出提示，如下图所示。
图4 故障列表状态画面
MVB总线通信协议分析与波形试验
3.1 MVB总线通信协议
MVB总线基本参数
多功能车辆总线MVB连接车辆的所有智能设备，其物理介质采用电气中距离EMD电介质。MVB的基本参数为：
介质：屏蔽双绞线，变压器隔离；
波特率：1.5Mbps；
传输距离：200米（EMD）；
最多可以挂256个智能总线站；
传输周期：1、2、4、8…1024ms(典型值为32、64、256、1024ms)；
数据帧长度：2、4、8、16、32字节；
最多可以定义4096个报文。
数据传输
数据在可编程的基本时间周期（Basic time period）内传递。每个基本时间周期从过程数据（Process data）传递的周期相（Periodic phase）开始，然后进入偶发相（Sporadic phase偶发阶段），在偶发相内，监督数据（Supervisory data）和消息数据（Message data）可按要求传递。
防护相（Guard phase）阶段用于保证下一个周期的准确开始。
数据传输周期
数据发送主帧格式：
a）以主起始分界符开始；
b）其后为16 位帧数据；
c）接着为8 位校验序列。
主帧格式如下图所示：
主帧格式
数据发送从帧格式：
a）以从起始分界符开始；
b）接着为16、32、64、128 或256 位帧数据；
c）在每64 个数据位后包含一个8 位的校验序列或当帧数据只有16或32 位时将一个8位的校验序列附加其后。
从帧格式如下图所示：
从帧格式
3.2 MVB信号波形
EMD介质信号帧起始波形图
EMD介质信号帧结束波形图
试验平台MVB通信试验生成信号波形（主从帧）
4测试方法
采用福禄克DSX-5000或者DTX-1800，DTX-1200配套DTX-M12适配器测试总线。
5 结论
（1）就TCN标准及协议汇总EMD介质的MVB总线通信标准的研究分析，重点剖析了MVB总线结构特点。
（2）针对具体城轨车辆项目实例介绍并分析了基于MVB 总线的网络控制系统。
（3）对MVB报文格式进行了分析，通过现有试验平台完成了MVB总线通信网络搭建，进行MVB网络通信试验，通过捕捉的主从帧波形分析，各项参数数值符合IEC61375-1标准，达到了预期试验效果，对自主研发国产城轨车辆基于MVB总线的网络控制系统打下坚实基础。