TCMS系统与APU通信设计开发及验证

TCMS系统与APU通信设计开发及验证

作者：朱红岗 张哲瑞

来源：《电子科学技术》2016年第06期

摘 要：针对地铁车辆列车网络控制系统（TCMS）的构成及编组拓扑，本文给出了TCMS系统设计和开发的详细流程，介绍了系统开发环境搭建、ISaGRAF Target移植、ISaGRAF图形封装，并以TCMS与辅助控制单元（APU）二者之间建立通信为例进行说明。通过TCMS系统与APU设备进行联调试验，达到了通信的良好性能，验证了TCMS系统与APU通信设计开发的准确性、可操作性和稳定性。

关键词：列车网络控制系统；ISaGRAF；辅助控制单元；通信；设计开发

中图分类号：TP223.339；TN91 文献标识码：B 文章编号： 2095-8595（2016） 06-726-05 电子科学技术 URL： http//www.china-est.com.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2016.06.014 引言

列车网络系统（Train Control and Manager System ，TCMS）作为列车的“大脑”，承担着列车控制指令传输、设备状态监测、故障的诊断、信息管理以及事件记录等功能[1]，实现列车的分布式控制，并提高了列车运营的可靠性。本文首先介绍了TCMS系统拓扑结构，然后搭建了系统开发环境，移植了ISaGRAF Target，以TCMS与辅助控制单元（Auxiliary Power Unit ，APU）通信为例，进行底层API接口函数编写及ISaGRAF功能模块编写，最后基于LabView编写了上位机监视TCMS与APU之间的通信数据，验证了TCMS与APU通信的准确性。

1 TCMS系统拓扑

列车网络控制系统（TCMS）包含以下模块：中央处理单元（CCU）、远程输入输出单元（RIOM）、人机交互单元（HMI）、事件记录仪（ER）和中继器（REP）[2]。不考虑车辆重新编组问题，本文中TCMS系统采用MVB作为列车级总线和车辆级总线[3]，采用Ethernet作为TCMS系统调试、维护及服务网络。以地铁车辆为例，采用4M2T编组方式，TCMS系统关联的子系统对象包括：列车自动控制系统（ATO）、牵引控制单元（TCU）、辅助控制单元（APU）、制动控制单元（BCU）、门控单元（DCU）、空调控制单元（HVAC）、乘客广播（PA）、旅客信息系统（PIS）、司控器（MC）等，具体拓扑结构如图1所示。 2 TCMS系统开发环境搭建

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

列车网络控制系统是专为列车的通信与控制而设计，可以将其看作一套车载计算机系统，完成对列车运行需求的控制。Linux[4]作为一款嵌入式操作系统，其内核精悍、源代码公开，便于裁剪和自定义，运行所需资源少，支持的开发工具种类多，查错也方便，能够满足列车网络系统软件开发需求，选择Linux作为TCMS操作系统。 2.1 嵌入式Linux内核的裁剪

Linux内核的裁剪及移植，主要是针对具体系统硬件加入或除去某些功能模块。本文基于Linux内核2.6.24版本，根据系统功能需求和CPU型号MPC8247支持等进行相关内核配置，去除对多媒体硬件、电源管理等的支持，对某些功能，如Network模块、SCC设备、I²C设备、USB设备、HUB模块等设置成可加载模块，内核实行动态加载。 2.2 ISaGRAF PRO Target 移植

由于TCMS系统控制对象较多、数据交互频繁、逻辑控制复杂，采用可编程控制语言进行顶层设计开发。采用ISaGRAF图形开发环境作为列车网络控制系统顶层开发平台。ISaGRAF PRO为主机环境下Soft PLC的应用开发实现了目标执行。对ISaGRAF PRO Target进行移植，主要包括：

（1）系统层：主要是完成基于目标板的设计。修改dsys0def.h文件，包括定义Target名字、字节序等，Target的定义与TDB里面的定义必须保持一致。修改dsys0ini.c，设置ISaGRAF工程路径。

（2）时钟管理：应用程序的时钟与目标板CPU的时钟保持一致。修改dsys0tim.c，定义系统时钟tick数，以便系统时钟能够准确读取。

（3）内存管理：修改dsys0spc.c文件，完成内存的初始化，创建、释放等。 （4）内核I/O管理：增加相关的I/O驱动接口，使之能够访问所定义的I/O设备。对_dummySplDvcIosWrite和_dummySplDvcIosRead函数的进行修改，增加RS485 I/O通信设备。修改isxsDrvsRegistration函数，加载ETCP、HSD、ISARSI驱动，支持应用程序通过以太网下载和实时调试。

2.3 建立交叉编译环境

在PC机建立一个用于目标机的交叉编译环境，用于裁剪和定制Linux，本设计采用开源工具Buildroot来制作交叉编译工具链。Buildroot可配置生成基于目标板的交叉编译工具链、内核映像以及根文件系统映像。 2.4 制作Bootloader

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

引导程序Bootloader是系统内核运行之前运行的一段程序，负责初始化硬件、建立内存空间映射图，为调用操作系统内核做准备。将之前生成的操作系统内核映像以及根文件系统映像制作成Bootloader下载至目标板中。 3 ISaGRAF图形封装

ISaGRAF软件符合IEC 61131-3标准编程语言，包含顺序式功能图（SFC）、流程图（FC）、阶梯图（LD）、功能方块图（FBD）、结构化文字（ST）及指令集（IL）等自动化行业的六大程序设计语言，是一款功能强大的可编程开发工具[5]。

TCMS系统主要实现网络中顺序控制、逻辑控制等常用的控制算法与逻辑，并对这些算法与逻辑进行有效的封装，方便上层应用设计调用。逻辑层设计仅完成对调用的函数用C语言在其定义区实现其功能，通过ISaGRAF PRO调用其函数功能块或函数了。 4 TCMS与APU通信设计

公司已有列车网络控制系统（TCMS）和辅助控制单元（APU）等设备，通信协议完全符合TCMS编组拓扑图中的要求。以TCMS和APU之间RS485通信设计为例，阐述TCMS 系统RIOM1设备通过ISaGRAF图形软件获取APU数据的整个过程。 4.1 TCMS与APU通信方式及内容

列车网络控制系统（TCMS）与辅助控制单元（APU）之间的数据通信方式为RS485半双工方式，采用异步串行通信，通信速率为38.4kbps、1位起始位、8位数据位、1位停止位、偶校验方式。TCMS与APU之间的通信内容为SDR、SD、TDR、TD四种数据，数据帧结构具体内容说明如表1所示。 4.2 底层API函数编写

在本系统RIOM1设备中SIU单元模块提供6路RS485和2路RS232通信，使用接口函数initSerialLink（）来完成基于HDLC的RS485通信初始化，具体函数定义如下： initSerialLink（char *portName， int protocol， int lineMode， int HDLCEncoding， int speed， int charLength， int stopBits， int parity）

其中*portName是指串行接口通道数，共8路，’’/dev/siuX” （X=1，···，8）；int protocol是指通信协议，包括HDLC和UART；int lineMode是指传输介质，包括RS485和RS232；int HDLCEncoding是指HDLC编码方式，包括NRZ、NRZI、FM0、MANCHESTER和

DIFF_MANCHESTER五种编码方式，int speed是指通信速率；int charLength是指传输字节；int stopBits是指停止位；int parity是指奇偶校验位。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

二叉树（Binary Tree）是进程间通信（IPC）的一种方式。主要包括初始化二叉树、读二叉树、写二叉树共三个接口函数，对函数定义为： int bt_BT_init（void）//初始化二叉树；

int bt_get_arrays （unsigned char bus_id， unsigned char slv_id， unsigned short array_id， unsigned short nmb_of_arrays ，unsigned short *read_amount， unsigned short *buf）//读二叉树； int bt_put_arrays （unsigned char bus_id， unsigned char slv_id， unsigned short array_id， unsigned short nmb_of_arrays ，unsigned char array_size， unsigned short *buf）//写二叉树。 4.3 ISaGRAF功能模块编写

应用层ISaGRAF获取通过二叉树存储于buff中的值。

首先创建“写数组”的函数功能块WRBAR_SINT，参数描述如下：

WRBAR_SINT （BusID， Slv_Id， Array_Id， Write_Buff， Read_Amount，W_Out）， 其中BusID， Slv_Id， Array_Id， Write_Buff， Read_Amount为输入，W_Out为输出，BusID为SINT类型，指modbus； Slv_Id，为SINT类型，指Node；Array_Id为UINT类型，指Byte array ID ；Write_Buff为BYTE_ARR类型，指写入数据；Read_Amount为USINT类型，指数据大小；W_Out为BOOL类型，FALSE表示写成功，TRUE表示写失败。 然后创建“读数组”的函数功能块RDBAR_SINT，参数描述如下：

RDBAR_SINT （BusID， Slv_Id， Array_Id， Array_Numb， Read_Amount， Read_Buff），

其中BusID， Slv_Id， Array_Id， Array_Numb为输入，Read_Amount， Read_Buff为输出，BusID为SINT类型，指modbus； Slv_Id，为SINT类型，指Node；Array_Id为UINT类型，指Byte array ID ；Array_Numb为USINT类型，指读数据大小；Read_Amount为USINT类型，指读成功取数据大小；Read_Buff为BYTE_ARR类型，指读取数据。

为了使ISaGRAF Target能够识别WRBAR_SINT、RDBAR_SINT函数接口函数， 接口函数的引入定义在pack.h中。按这种方法，把需要用到的列车网络控制相关功能进行封装，ISaGRAF就能准确识别。 5 TCMS与APU通信测试

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

TCMS系统通过RIOM1设备RS485接口与APU装置相连，进行通信测试。为了更加直观的了解到TCMS与APU之间的SDR、SD、TDR和TD 4种通信数据交互情况，选用基于NI公司的图形化编程环境LabView，所配置的设备驱动为RS485，开发了一个上位机软件，监视TCMS与APU之间传输的4种数据。TCMS与APU通信测试结果如图2所示。

在图2中，TCMS发送至APU的SDR数据字节数为28，帧起始02H，控制数据20H，帧结束03H；APU发送至TCMS的SD数据字节数为38，帧起始02H，控制数据20H，帧结束03H；TCMS发送至APU的TDR数据字节数为6，帧起始02H，控制数据21H，帧结束03H；APU发送至TCMS的TD数据字节数为90，帧起始02H，控制数据21H，帧结束03H。 6 结语

本文介绍了列车网络控制系统（TCMS）的构成和编组拓扑，详细说明了TCMS系统开发的详细流程，包括操作系统移植，底层驱动及接口函数描述，ISaGRAF功能模块编写及调用。通过TCMS系统与APU设备进行联调试验，二者之间通信成功，最终验证了TCMS系统与APU通信设计开发的准确性、可操作性和稳定性。本文的不足之处在于TCMS系统只对APU一种设备进行通信联调实验，后续工作将完成TCMS系统与其他设备之间的通信实验。 参考文献

张曙光.CRH5型动车组[M].北京：中国铁道出版社，2008.

蒋静雯，陈文翔，罗小平.基于 TCN 的高速列车网络门控子系统设计[J]. 控制工程， 2014， 21（2）：268-272.

IEC61375-3-1，Electric Railway Equipment -Train Bus-Part 1：Train Communication Network[S].Geneva：IEC，2007.

孙琼. 嵌入式Linux应用程序开发详解[M].北京：人民邮电出版社，2006.

IEC61131-3，Programmable Controllers-Part 3： Programming langugages [S].Virginia：National Electrical Manufacturers Association，2005.