机车网络控制系统主处理单元设计及应用

西安铁路职业技术学院 朱慧勇

铁路运输属于日常生活中主要的运输方式，铁路运输的运行速度及运载能力是衡量国家经济水平的主要标准之一。在铁路行业中，运输是主要内容，现代运输技术在不断的发展，具有低成本及高效率的优势，并且还能够实现规模经济及集约化的经营模式，逐渐成为现代化铁路行业的典范。网络控制系统为电力机车主要技术，以列车主要的网络通信标准，创建大量列车网络控制系统产品，而且还能垄断相应行业。所以具备自主产权网络控制技术，能够有效提高我国电力机车竞争力。

1 系统的架构设计

机车网络控制系统级网络使用二级网络，也就是车辆级和列车级，动车以一个动车组单元作为网络结构单元，单元之间利用列车总线进行通信。允许列车级WTB/单元机MVB 结构，还允许列车级ETB/单元级环形以太网ECN。列车级控制总线可以使用绞线式列车总线WTB、基于EMD为通信介质的多功能车辆总线MVB。车辆控制级可以使用将EMD 作为通信介质的多功能车辆总线MVB，功能级控制总线可以使用RS485 通信总线及HDLC 等通信方式[1]。系统使用分布式控制技术，也就是分布式收集、执行、中央集中控制和管理的模式，中央控制单元CCU 集控制、监测及诊断功能结合，实现总线数据交换的集合，并且对接收数据及向子控制系统指令进行处理，实现监测及诊断的功能。为了使网络控制系统可靠性得到提高，每个列车都配置双CCU，从个人实现控制冗余。正常情况中，系统会选择列车控制端CCU 作为主控设备，在主控单元出现故障的时候，备用的主控单元就会自动升级为主控设备，实现列车中央控制单元功能，保证列车正常运行。此冗余功能能够实现无缝切换。

2 系统主处理单元的硬件设计

西门子S7-300 PLC 主要是面向制造工程系统的解决方案，其主要性能特点为：具备通用性及丰富CPU，性能较高，模块化设计，因为使用MMC 存储程序及数据，所以系统免维护。S7-300 是一种可扩展模块系统，也就是扩展模块具有不同组合。CPU型号不同，其功能也各有不同，全部CPU 中都具备集成输入输出点。并不是全部中央处理单元都具备通信接口，比如CPU315-2DP 为集成具有PROFIBUS 接口处理单元，此信号模块能够实现模拟量及开关量的输出、输入，并且电源能够实现不同交流电的连接，并且具有较高的抗震动及兼容性，使其能够满足最高工业环境使用需求。

3 系统中主处理单元的功能设计

3.1 通信方式

3.2 MPU 应用程序

3.2.1 主处理单元MPU的功能设计

网络控制系统核心为MPU，也是实现系统重要功能模块，其主要目的就是实现FIPV 总线的管理，接收网络传输信息帧并且解析，利用FIP 网络发送其他模块命令，BCU、TCU 等，实现机车的控制。在本系统中，主要实现系统主处理单元MPU 基本功能，也就是实现FOPV 总线管理功能，包括总线仲裁机制、变量交换等。MPU应用程序的功能较为复杂，并且具有较高的可靠性及实时性需求，尤其是在MPU 程序内部的多任务调度能力需求方面。

3.2.2 主处理单元MPU 系统功能的构成

应用程序将FDM通信库作为基础，那么就要对FDM通信库进行编译，对C 源程序中user_opt 文件进行修改，以软件、硬件环境实现处理器类型选项、编译器及操作系统等选项的设置。

根任务的主要功能为：

其一，初始化系统。主要指的是设备驱动程序、网络配置、系统内存分配、I/O 系统，并且还能够以系统符号实现工具及资源的初始化，实现日志任务、异常处理任务的创建。

其二，设置任务调度方式。VxWorks 中系统默认的任务通过抢先机抢占式开展，所以就要设置FIPV 网络初始化及总线仲裁实现高优先，对没有较高实时性要求并且占据大量系统资源的任务设置为低优先级。

其三，实现功能任务的创建。主处理单元MPU功能主要是由五部分构成。

函数返回值是一种任务ID，能够便于今后的操作。此函数能够将任务创建到就绪状态中设置，还能够实现内存空间的自动分类，使其能够转变成为任务控制块或者堆栈。

其四，初始化FIPV。在根任务中设置初始化函数FIPV_Init，主要目的就是实现FIPV 网络初始化、MPS 变量、内存区域初始化及信息帧定义的配置等。此函数能够对其他任务功能提供必要元素，并且创建工作环境。

4 结语

本文基于网络控制系统软件设计中实现主处理单元基本功能的设计，后续功能需要在今后研究过程中完善。在实现系统设计之后，对系统模块进行测试，通过测试结果实现能量交换、逻辑关系及总线扫描的观察，表示其满足前期网络控制平台设计的需求。