列車通信網絡標準TCN教案資料

列車通信(tōngxìn)網絡

Train_Communication_Network，TCN1第一頁，共88頁。定義列車(lièchē)網絡層次結構車速測量輔助控制制動控制牽引控制車廂控制N機車控制列車故障診斷列車運行自動控制供電控制空調控制車門控制軸溫檢測制動控制車廂總線。。。車廂控制1車廂總線列車總線車廂總線2第二頁，共88頁。列車網絡提供(tígōng)的服務內容兩條總線在鏈路層都提供了以下相同的兩種服務：過程數(shù)據傳輸：輪詢式的，源尋址的廣播數(shù)據；消息數(shù)據傳輸：按需求的，目的尋址的數(shù)據報。在更高層(ɡāocénɡ)，實時協(xié)議提供了兩種與總線無關的應用服務：變量（分布式過程數(shù)據庫）；消息集（呼叫/應答消息或多播消息）。網絡管理支持配置、維護和操作。一套一致性測試的方針使得設備能夠協(xié)調工作。3第三頁，共88頁。數(shù)據(shùjù)分類列車通信網絡將傳輸兩類數(shù)據(shùjù)：短而緊迫的過程變量(Process_Variables)（如用于牽引控制）；不太緊迫，但可能較長的消息變量（如用于診斷）。4第四頁，共88頁。列車通信(tōngxìn)網絡(TCN)的主要作用連接車廂內的可編程設備，以便于實現(xiàn)：機車、車廂和列車控制(kòngzhì)；遠程故障診斷和維護；旅客信息服務。5第五頁，共88頁。列車(lièchē)通信網絡的特點工作環(huán)境惡劣，可靠性要求高；控制操作實時性（時間確定性）要求高；列車(lièchē)組成的動態(tài)性；6第六頁，共88頁。國際標準及我國鐵路(tiělù)標準IEC-61375-1TCN（本課程主要介紹(jièshào)內容）；IEEE1473TCN/LonworksTB/T3035-2002實際應用還有：FSK、HART、WorldFIP、HDLC等TB中華人民共和國鐵道行業(yè)標準TB/T3035-2002列車通信網絡TrainCommunicationNetwork2002-02-09發(fā)布2002-07-01實施中華人民共和國鐵道部發(fā)布7第七頁，共88頁。IEEE1473允許協(xié)議設計(shèjì)組合組合車廂總線非時間嚴格型車廂總線時間嚴格型列車總線IT型T型T型IIL型T型T型IIIL型L型T型IVL型L型L型8第八頁，共88頁。TB/T3035－2002允許協(xié)議(xiéyì)設計組合組合車廂總線非時間嚴格型車廂總線時間嚴格型列車總線IT型T型T型IIL型T型T型IIIL型L型T型IVL型L型L型9第九頁，共88頁。西門子公司TCN之產品(chǎnpǐn)SiemensAG與德國Adtranz一起(yīqǐ)生產牽引電氣設備。西門子生產的列車通信網絡設備，主要是基于其車載微機SIBAS/SIBAS32系統(tǒng)的WTB和MVB的網卡和輸入輸出接口卡。10第十頁，共88頁。杜岡公司(ɡōnɡsī)(duagonGmbH)產品11第十一頁，共88頁。優(yōu)尼康公司(ɡōnɡsī)（UniControls）產品捷克一家(yījiā)從事運輸及能源系統(tǒng)開發(fā)生產的公司。在列車通信網絡方面的產品有：車載微機、WTB總線網關。12第十二頁，共88頁。TCN的優(yōu)缺點優(yōu)點：TCN的功能齊全已經成為鐵標有一定國內應用的前例TCN的不足：WTB協(xié)議復雜(fùzá)TCN產品市場小，價格昂貴13第十三頁，共88頁。TCN的主要內容(nèiróng)如下表14第十四頁，共88頁。特征絞線式列車總線WTB多功能車廂總線MVB結構結構可變，構成改變時，具有自適應性結構及設備的地址固定不變介質屏蔽雙絞線（860米，32個節(jié)點，相當于22個UIC車廂）雙絞線，RS-485（20米32設備）；變壓器隔離屏蔽雙絞線（200米32設備）；星型光纖網（2000米，2個設備）物理冗余雙份物理介質雙份物理介質信號帶16..32位前同步碼的曼徹斯特編碼帶定界符的曼徹斯特編碼信號速率1Mbit/s1.5Mbit/s地址空間8bit地址12bit地址物理地址點對點及廣播點對點及廣播有效的幀長度在4--132個字節(jié)之間可變量化的：16，32，64，128或者256bits完整性幀F(xiàn)CS-16，幀校驗以及曼徹斯特編碼IEC60870校驗序列及幀尺寸校驗介質分配由一臺主設備完成由一臺主設備完成主設備權傳送主設備，強主設備或弱主設備總線管理器通過令牌傳送成為主設備主設備冗余初運行后，主設備權傳遞給另一節(jié)點令牌傳遞自動進行主設備權轉換冗余校驗鏈路層服務過程數(shù)據

循環(huán)

源尋址廣播數(shù)據消息數(shù)據

偶發(fā)

點對點或廣播數(shù)據報監(jiān)督數(shù)據

循環(huán)/偶發(fā)

用于總線管理的數(shù)據15第十五頁，共88頁。拓撲(tuòpū)結構列車通信網絡基于以下的兩層結構：將不同車廂內的節(jié)點連接起來的列車總線(zǒnɡxiàn)；將同一車廂內的設備連接起來的車廂總線(zǒnɡxiàn)。16第十六頁，共88頁。列車(lièchē)總線WTB列車總線用于連接不同組成的列車中的各個車廂：列車總線支持UIC556規(guī)定的列車組成，總線傳輸距離可達860米(22個車廂)。列車總線至少可以容納32個節(jié)點。分配給列車總線節(jié)點一個位置地址，可識別方向（左/右、前/后），及其它節(jié)點的位置。多個車廂連掛時，列車總線自動運轉（初運行）。列車總線可承受大約每小時一次的車廂連掛及解掛操作。為使總線在節(jié)點故障時仍可工作，事先把各節(jié)點編號和類型通知給所有的應用，以便證實列車組成的完整性。當車廂數(shù)目改變或在總線上進行添加、移除設備(shèbèi)時，不需手動干預列車總線也能繼續(xù)工作。列車總線使用專用介質。UIC電纜或EP電纜（電氣制動電纜）的要求。17第十七頁，共88頁。車廂(chēxiāng)總線MVB 車廂總線用于將一個車廂內或不可(bùkě)分的車廂組內的設備連接起來：車廂總線允許設備的安裝間距在200米以內；車廂總線至少支持256個設備；車廂總線在最差情況下的響應時間低于16ms；18第十八頁，共88頁。MVB物理層MVB提供三種不同的物理介質，它們以相同速率運行：電短距離介質傳送距離≤20米，使用標準的RS-485收發(fā)器，每段最多支持32個設備。電中距離介質傳送距離≤200米，每段最多支持32個設備，屏蔽雙絞線，變壓器隔離(gélí)；光學玻璃纖維介質，星型連接或點到點方式下最大距離2000米。19第十九頁，共88頁。電短距離介質(jièzhì)ESD該介質使用RS-485收發(fā)器，基于(jīyú)基本的差分傳輸。無需在發(fā)送器和收發(fā)器之間電隔離。適用于位于密閉機箱里的底板總線之間的通信。ESD布線拓撲如下圖。20第二十頁，共88頁。ESD端接器接線(jiēxiàn)21第二十一頁，共88頁。ESD連接器布置(bùzhì)22第二十二頁，共88頁。ESD端接器的連接器布置(bùzhì)23第二十三頁，共88頁。ESD信號(xìnhào)波形－幀開始示例24第二十四頁，共88頁。ESD的發(fā)送器發(fā)送器應ISO8482（RS-485）標準，約束條件為：a）當驅動一個并聯(lián)電容為50.0PF的54.0Ω負載時，信號的上升時間(10%~90%)應小于0.03BT(20ns,1.5Mbit/s)。b）發(fā)送器以兩種有源電平提供低阻抗差動電壓源：高電平，此時電壓差(Up-Un)在以下范圍內：+1.5V<(Up-Un)<+5.0V，驅動54.0?阻性負載時；+1.5V<(Up-Un)<+6.0V，無負載時。低電平，此時電壓差(Up-Un)在以下范圍內：-1.5V>(Up-Un)>-5.0V，驅動為54,0?阻性負載時；-1.5V>(Up-Un)>-6.0V，無負載時。注：本規(guī)范比ISO8482更嚴格，在選擇商用收發(fā)器時必須(bìxū)留心。IEC61158-2的收發(fā)器能夠滿足本規(guī)范。25第二十五頁，共88頁。ESD的接收器接收器遵循ISO8482(RS-485)標準，約束條件為：a）根據不同的線路電壓，接收器在其RxS輸出上產生(chǎnshēng)兩種不同的電平：當線路朝高電平驅動，如果電壓差(Up-Un)大于+0.200V，則為高電平。當線路朝低電平驅動或線路無驅動只有偏壓存在時，如果電壓差(Up-Un)小于-0.200V，則為低電平。b）接收器至少應有0.050V的滯后，但不能大于0.200V。c）接收器在有RS-485規(guī)定的相對于Bus_GND線的共模電壓存在時，應能正確工作。26第二十六頁，共88頁。ESD拓撲(tuòpū)27第二十七頁，共88頁。電中距離介質(jièzhì)EMD在封閉的列車系統(tǒng)中，MVB可以跨越幾個車廂。在這種應用中可采用電中距離介質，每段最大可以達到200米，約4個車廂。用于連接(liánjiē)不解掛的車廂組合。28第二十八頁，共88頁。EMD傳輸(chuánshū)介質采用雙絞屏蔽線，屏蔽方式如圖；收發(fā)器與傳輸介質(jièzhì)之間采用變壓器隔離。29第二十九頁，共88頁。收發(fā)器與傳輸介質(jièzhì)的連接30第三十頁，共88頁。設備與EMD的雙線連接(liánjiē)(冗余)31第三十一頁，共88頁。EMD連接器的布置(bùzhì)32第三十二頁，共88頁。EMD幀起始(qǐshǐ)示例33第三十三頁，共88頁。光纖介質(jièzhì)連接光纖介質由一對構成全雙工點對點連接的光纖組成。光介質被推薦用于高電磁(diàncí)噪音的區(qū)域，例如機車。34第三十四頁，共88頁。拓撲(tuòpū)結構電介質采用(cǎiyòng)總線拓撲結構，而光介質通常采用(cǎiyòng)星型拓撲。35第三十五頁，共88頁。MVB總線段連接(混合拓撲(tuòpū)結構)36第三十六頁，共88頁?？偩€(zǒnɡxiàn)控制器（Bus_Controller）總線控制器用途：控制總線的訪問；通過發(fā)送器和接收器附掛到兩條冗余總線；包含(bāohán)編碼器/譯碼器和通信存儲（Traffic_Store）控制邏輯；譯碼到達幀并尋址通信存儲。37第三十七頁，共88頁。端口與通信(tōngxìn)存儲器通信存儲器設立目的端口分為兩類邏輯(luójí)端口物理端口通信存儲器的組成通信存儲器的訪問者38第三十八頁，共88頁。MVB信號(xìnhào)編碼MVB速率：1.5MB/s。數(shù)據采用(cǎiyòng)曼切斯特編碼。數(shù)據位編碼如圖39第三十九頁，共88頁。MVB信號(xìnhào)編碼非數(shù)據符編碼(biānmǎ)NH和NLa）一個“NH”的編碼(biānmǎ)在整個位單元為HIGH；b）一個“NL”的編碼(biānmǎ)在整個位單元為LOW。40第四十頁，共88頁。MVB幀起始(qǐshǐ)定界符幀數(shù)據以9-bit幀源定界符開頭主設備(shèbèi)幀起始符MSD(MasterStartDelimiter)從設備(shèbèi)幀起始符SSD(SlaveStartDelimiter)41第四十一頁，共88頁。MVB幀結束(jiéshù)分界符當介質為ESD時，添加一個“NL”編碼(biānmǎ)，并停止發(fā)送；當介質為EMD時，在“NL”編碼(biānmǎ)之后添加一個“NH”編碼(biānmǎ)，并停止發(fā)送（如下圖所示）；當介質為光纖時，添加一個“NL”編碼(biānmǎ)，并停止發(fā)送。42第四十二頁，共88頁。MVB信號(xìnhào)傳輸以9-bit幀Start_Delimiter（源定界符）打頭，以8-bitCheck_Sequence（校驗序列(xùliè)）結束43第四十三頁，共88頁。介質(jièzhì)冗余44第四十四頁，共88頁。光纖介質(jièzhì)冗余45第四十五頁，共88頁。主設備(shèbèi)權的轉移令牌傳送(chuánsònɡ)算法：46第四十六頁，共88頁。MVB鏈路層一次傳輸包括兩種類型幀：主設備幀（Master_Frame），只由總線主設備生成；從設備幀（Slave_Frame），由從設備在響應主設備幀時發(fā)送。一個(yīɡè)主設備幀及相應從設備幀共同形成一個(yīɡè)報文：47第四十七頁，共88頁。報文類型(lèixíng)MVB中有16種報文，由主設備(shèbèi)幀中的F_code區(qū)分。F_code（功能碼）報文類型016位過程數(shù)據請求幀132位過程數(shù)據請求幀264位過程數(shù)據請求幀3128位過程數(shù)據請求幀4256位過程數(shù)據請求幀5(保留)6(保留)7(保留)8主設備權傳送請求幀9總體事件請求幀10(保留)11(保留)12256位消息數(shù)據請求幀13組事件請求幀14單事件請求幀15設備狀態(tài)請求幀48第四十八頁，共88頁。Process_Data（過程(guòchéng)數(shù)據）報文對F_code＝0..4和Logical_Address的Master_Frame進行(jìnxíng)響應的Process_Data49第四十九頁，共88頁。MVB幀長度(chángdù)50第五十頁，共88頁。Message_Data（消息(xiāoxi)數(shù)據）報文Message_Data是對包含F(xiàn)_code＝12和設備地址的Master_Frame的響應，其長度固定為256bits。Message_Data包含一個(yīɡè)供所有設備譯碼的12-bit目的地址。51第五十一頁，共88頁。監(jiān)督(jiāndū)數(shù)據(Supervisory_Data)報文Supervisory_Data幀是對F_code＝8、9、13、14或15的Master_Frame的響應。其長度(chángdù)總是16bits。52第五十二頁，共88頁。MVB介質(jièzhì)分配（MAC）MVB由單個主設備控制，該設備是能發(fā)送Master_Frames（主設備幀）的唯一設備，所有其它的設備都是從設備，他們不能自發(fā)發(fā)送。在持續(xù)幾秒鐘的一輪期間，可能有幾個設備——Bus_Administrators（總線管理器）——能夠成為(chéngwéi)主設備，但一次只能一個成為(chéngwéi)主設備。主設備可位于總線的任意位置。主設備按照某種預定順序（策略）對端口進行周期性的輪詢（Polling）。53第五十三頁，共88頁。MVB介質(jièzhì)分配基本周期、周期相、偶發(fā)相；過程數(shù)據、消息數(shù)據；主設備(shèbèi)輪詢：源尋址廣播；54第五十四頁，共88頁。MVB介質(jièzhì)分配過程數(shù)據：根據所傳送數(shù)據的需要安排訪問時間間隔。時間間隔以基本周期為單位，按2n關系(guānxì)統(tǒng)一部署。55第五十五頁，共88頁。MVB介質(jièzhì)分配56第五十六頁，共88頁。HDLC數(shù)據(shùjù)幀格式起始標志

要傳輸(chuánshū)的數(shù)據塊

結束標志

01111110000101100110111

01111110

包括起始和終止標志的信息塊稱為HDLC的“數(shù)據幀”。起始和終止標志采用相同的幀間隔符“01111110”，即在HDLC規(guī)程中，幀與幀之間用“01111110”所分隔，“幀”構成了通信雙方交換的最小單位。57第五十七頁，共88頁?！?”比特(bǐtè)插入法

為保證幀間隔符“01111110”的唯一性和幀內數(shù)據的透明性，保證A（地址字段）、C（控制字段）、I（信息字段）、FCS（幀校驗序列）中不出現(xiàn)01111110的位模式，HDLC采用了‘0’位插入法。發(fā)送端發(fā)送“01111110”后，開始數(shù)據發(fā)送，并在數(shù)據發(fā)送過程中，檢查發(fā)送的位流，一旦發(fā)現(xiàn)連續(xù)的5個‘1’，則自動在其后插(附)上1個‘0’，并繼續(xù)(jìxù)傳輸后繼的位流；數(shù)據發(fā)送結束后，追加幀間隔符“01111110”。接收端識別出幀間隔符“01111110”之后，啟動接收過程；若識別出連續(xù)5個‘1’和1個‘0’，則自動丟棄該‘0’，以恢復原來的位流；若識別出連續(xù)的6個‘1’，表示數(shù)據結束，該數(shù)據幀接收完成。58第五十八頁，共88頁。HDLC數(shù)據傳輸模式(móshì)正常響應模式(NRM)：主站具有選擇、輪詢從站的能力，并可向從站發(fā)送命令或數(shù)據；從站只有在主站詢問(xúnwèn)時才能作為響應傳輸數(shù)據；異步響應模式(ARM)：主站具有初始鏈路，差錯校驗和邏輯拆鏈功能；從站可以主動傳輸數(shù)據；異步平衡模式(ABM)：任一組合站（兼有主、從站功能的站）均可控制鏈路，主動傳送數(shù)據。59第五十九頁，共88頁。HDLC控制(kòngzhì)字段格式

01234567信息幀I監(jiān)控幀S無編號幀U

0NsP/FNr10typeP/FNr11M1P/FM260第六十頁，共88頁。HDLC控制(kòngzhì)字段_信息幀(I)用于傳輸用戶數(shù)據，其控制字段的第0位規(guī)定為‘0’；Ns（發(fā)送幀序號）：說明本幀對應的幀序號（采用模8計數(shù)），發(fā)送端可以不必等待確認，而連續(xù)地發(fā)送若干幀（不超過8幀），每發(fā)一幀，Ns模8計數(shù)一次；P/F（查詢/終止指示符）：對于不同的傳輸模式，該位具有不同的含義。當采用ARM和ABM傳輸模式時，P=1要求對方立即予以響應，并在響應中置F=1。無論使用何種傳輸模式，P/F總是一一對應的，在接到F=1的幀之前，不允許再發(fā)P=1的幀；Nr（待收幀序號）：說明希望接收對方幀的序號（采用模8計數(shù)），Nr隱含(yǐnhán)指示該序號之前的所有幀已被正確接收；61第六十一頁，共88頁。HDLC控制(kòngzhì)字段_監(jiān)控幀（S）用于表示接收狀態(tài)，其控制字段的第0、1位規(guī)定為“10”；第2、3位表示了四種類型的監(jiān)控幀。Type=00,接收準備就緒(RR)，發(fā)送該RR監(jiān)控幀的一方(yīfānɡ)準備接收編號為Nr的幀；Type=10,未準備就緒(RNR)，發(fā)送該RNR監(jiān)控幀的一方(yīfānɡ)說明已經收妥Nr以前的所有幀，但希望對方暫緩發(fā)送Nr幀；Type=01,拒絕接收(REJ)，發(fā)送該REJ監(jiān)控幀的一方(yīfānɡ)說明已經收妥Nr以前的所有幀，但編號為Nr的幀有差錯，希望對方重發(fā)編號為Nr及其以后的所有幀；Type=11,選擇接收(SREJ)，該幀的含義類似REJ監(jiān)控幀，但希望對方僅僅重發(fā)第Nr幀。62第六十二頁，共88頁。HDLC控制(kòngzhì)字段_無編號幀(U)用于命令的傳輸（建立/拆除鏈路）等；控制字段的第0、1位規(guī)定為“11”，第2－3位（M1）和第5－7位（M2）表示U幀的類型。M(M1M2)=11100(SABM)，某一組合站置本次鏈路為異步平衡模式；M(M1M2)=00010(DISC)，主站請求釋放(拆除)本次鏈路；M(M1M2)=00110(UA)，從站對主站命令的確認(quèrèn)，類似BSC中的ACK；M(M1M2)=10001(CMDR)，從站對主站命令的否認，類似BSC中的NAK；63第六十三頁，共88頁。絞線式列車(lièchē)總線

（Wire_Train_Bus，WTB）64第六十四頁，共88頁。WTB總線(zǒnɡxiàn)拓撲65第六十五頁，共88頁。WTB物理層WTB采用屏蔽雙絞線，要求有較高的機械連接性能。使用(shǐyòng)該種介質可以達到1Mbit/s通信速率，長度為860m，對應22節(jié)26m長的UIC列車?？蛇B接至少32個節(jié)點；MVB采用曼徹斯特編碼，每一數(shù)據位碼元中間都有跳變，從高到低的跳變（負跳變）表示‘1’，正跳變則表示‘0’。66第六十六頁，共88頁。WTB介質(jièzhì)附掛單元介質附掛單元有兩個收發(fā)器,一個方向上一個。收發(fā)器使用(shǐyòng)變壓器實現(xiàn)與外部導線的電隔離，并附掛到曼切斯特編碼/譯碼器上。67第六十七頁，共88頁。WTB介質(jièzhì)冗余68第六十八頁，共88頁。WTB信號(xìnhào)及其編碼69第六十九頁，共88頁。WTB幀（擴展(kuòzhǎn)的ISO/IEC3309）70第七十頁，共88頁。WTB鏈路層及其報文WTB有三種(sānzhǒnɡ)報文：1）過程數(shù)據報文；2）消息數(shù)據報文；3）監(jiān)督數(shù)據報文；71第七十一頁，共88頁。WTB過程(guòchéng)數(shù)據報文72第七十二頁，共88頁。WTB消息(xiāoxi)數(shù)據報文73第七十三頁，共88頁。WTB監(jiān)督(jiāndū)數(shù)據報文74第七十四頁，共88頁。WTB介質(jièzhì)訪問75第七十五頁，共88頁。常規(guī)(chángguī)操作WTB幀（總結）76第七十六頁，共88頁。WTB初運行(yùnxíng)初運行目的：當列車的組成改變時，特別是車廂被連掛或解掛時，主設備重新配置總線。這個過程稱為初運行。初運行動作：節(jié)點連接電纜節(jié)形成一個兩端帶端接器的單段；每個節(jié)點接收一個標明其位置和相對于主設備的方向的唯一地址，并通知主設備它需要的Individual_Period（特征周期）和Node_Descriptor（節(jié)點描述符）；每個節(jié)點收到一個稱為構形(ɡòuxínɡ)的描述符，該描述符顯示其它節(jié)點的地址，位置和描述符。77第七十七頁，共88頁。節(jié)點地址(dìzhǐ)分配1）主設備地址(dìzhǐ)為01；2）主設備定義方向1為“底部”，方向2為“頂部”；3）在方向1上從地址(dìzhǐ)63開始降序排列從設備節(jié)點地址(dìzhǐ)，該方向最后命名節(jié)