CRH2型动车组国产化制动控制单元（BCU）通信网关的研究

论文摘要

高速列车的控制命令、运行监控、故障检测与诊断的信息都是通过列车通信网络传送的。对于动力分散方式的高速列车,需要由网络传递牵引或制动控制信息,以保障各单元协调统一的工作。同时,各动车或拖车的工作状态也通过网络传输给主控车,用以状态监测和故障诊断。CRH2型动车组中的制动控制指令即通过列车通信网络来传送,其中列车信息终端与制动控制单元（BCU）通信的传输介质为光纤,采用HDLC协议。由于国外企业不公开列车信息终端与BCU通信的数据含义,这就给动车组上制动设备的替换更新带来一定的困难,所以需要对CRH2型动车组列车控制网络进行分析,解决国产化BCU的联网问题。本文在阐述CRH2型动车组制动系统与通信网络构成的基础上,针对CRH2型动车组列车信息终端与国产化BCU的联网问题,利用光纤通信技术与SOPC技术,设计了一种用于国产化BCU的通信网关,完成光纤通信模块、USB传输模块、FPGA模块、RS485通信模块以及电源模块等部分的设计。光纤通信模块主要采用HFBR-0400系列光纤收发器完成光电转换电路的设计；USB传输模块把数据上传到上位机；FPGA模块将自定制的BCU通信控制IP模块与NiosⅡ软核处理器、UART等单元在Altera公司的FPGA上完成SOPC系统的集成；RS485模块则实现通信网关与国产化BCU的通信；电源模块为整个通信网关提供5V、3.3V和1.2V的供电电源。最后在日方Nabtesco制动系统（列车信息终端）实验台与国产化BCU上进行数据采集实验、双向转发实验和协议转换实验,实现列车信息终端（HDLC协议）与国产化BCU （RS485协议）的通信,验证了通信网关功能的完整性。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 高速铁路发展概况
• 1.2 课题背景
• 1.3 研究内容与目标
• 2 CRH2动车组制动系统
• 2.1 系统组成
• 2.2 制动的种类
• 2.3 系统的技术特点
• 2.4 CRH2动车组制动控制系统
• 3 CRH2动车组通信网络
• 3.1 CRH2动车组信息传输系统
• 3.2 列车总线与列车通信网络
• 3.2.1 ARCNET协议
• 3.2.2 HDLC协议
• 3.2.3 列车总线光纤双重环网布线结构
• 3.3 车辆总线与车辆通信网络
• 3.3.1 20mA电流环标准
• 3.3.2 车厢级网络结构
• 4 制动控制单元（BCU）通信网关的设计
• 4.1 SOPC技术简介
• 4.1.1 IP、Avalon总线与Nios Ⅱ软核处理器
• 4.1.2 SOPC开发流程
• 4.1.3 可编程逻辑设计技术
• 4.2 通信网关总体设计
• 4.2.1 通信网关的技术要求
• 4.2.2 通信网关的设计方案
• 4.3 光纤通信模块
• 4.3.1 常用光纤连接器类型
• 4.3.2 HFBR-0400系列光纤收发器
• 4.3.3 光纤通信模块设计
• 4.4 USB传输模块
• 4.5 FPGA模块
• 4.5.1 编码器模块
• 4.5.2 解码器模块
• 4.5.3 通信存储器模块
• 4.5.4 Avalon总线接口模块
• 4.5.5 通信网关的SOPC系统
• 4.6 RS485通信模块
• 4.7 电源模块与测试接口
• 4.8 网关板卡布局与实物
• 5 通信网关现场实验
• 5.1 数据采集与分析
• 5.2 实验环境
• 5.3 实验方案与实验结果
• 5.3.1 数据采集实验
• 5.3.2 通信网关双向转发实验
• 5.3.3 通信网关协议转换实验
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集