【优品论文】——《TCN-WTB设备线路冗余控制单元设计》

基金资助：国防预研基金资助项目（51421010705jw0523）TCN-WTB 设备线路冗余控制单元设计摘要：列车通信网 TCN 是面向控制的连接铁路车载可编程电子设备的分布式数据通信局域网，它是控制、计算机、通信技术等学科的交叉与集成。本文讨论的绞线式列车总线的冗余控制功能用来保证 WTB 总线系统的高可靠性。文章全面分析了冗余控制功能单元，对线路模式选择，线路受扰信号管理，切换控制，MAU 报告进行了详细讨论，对协议中未加限制的内容提出了具体实现方案。最后用状态机控制方式在 FPGA 上实现设计实现。关键词：列车通信网 绞线式列车总线 可靠性 冗余控制 FPGA中图分类号：TP202 文献标识码：BLine Redundancy Control Unit in TCN-WTB DevicesHuxiulin, Yinduan, Zhangyunyu(Electronics and Information Dept, Huazhong University of Science and Technology, Hubei, Wuhan ,430074)Abstract: Train communication network (TCN) is the local distributing network for data communication on the train, which connects the programmable electronic train devices. It is the crossing and integration of the control, computer and communication technology. This paper focuses on the Line Redundancy Control Unit in TCN-WTB Devices to ensure the high reliability of the systeme. This paper completely analyzes the function of the Line Redundancy Control Unit, especially the line mode selection, the line disturbance signal management, switchover and the Medium Attachment Unit (MAU) report and proposes the method to implement the part that are not restricted by the standard. At last we implement the unit on FPGA using state control.Keywords: TCN, WTB, Redundancy Control, reliability ,FPGA1 TCN 概述列车通信网（Train Communication Network,简称 TCN）系列协议由国际电工委员会(IEC)第 9 技术委员会(TC9)和国际铁路联盟(UIC)联合完成,并定稿为 IEC613751 标准 1, IEEE 定名为 IEEE1473-T 列车通信标准，用于列车的远程控制、诊断、维护和乘客信息实时管理。TCN 包含两种串行主从总线：1）绞线式列车总线(Wire Train Bus，简称 WTB)，具有自配置功能，用来连接列车内的各个车厢。2）多功能车厢总线(Multifunction Vehicle Bus，简称 MVB)，用来连接一个车厢（或一个不可分的车厢编组）内的设备。TCN 由 WTB 和 MVB 构成两级总线拓扑结构，它们之间的列车总线节点连接两级总线起着网关的作用，完成 MVB 和 WTB 之间的协议转换，实现跨总线通信，同时执行用户应用程序，完成 WTB 模块和 MVB 模块初始化、TCN 网络管理等功能。2 WTB线路上的帧对线路上的信号，WTB首先要进行帧编码和解码，线路上的帧数据为曼彻斯特码编码。一帧信号由帧头开始，接着是帧数据，最后由终止分界符结束。帧头由电平为“1”的起始位S开始，随后是若干个（0 ， 1）位对（本设计中采用了7对） ，最后以“1”结束。终止分界符为2.0BT（1BT 1个时间单位）宽的正电平。 （如图1所示）规范中定义了解码器产生两个信号：载波检测信号（CS）和信号品质错误信号（SQE） ，用于信号品质监视和冗余切换。帧 头 帧 数 据终止分界符正电平负电平空闲s 0 1 1 1 10 1 0e n d12 3 4 1 4 1 5 1 61 B T0 . 5 B Tc ss q e0 T_skew_r,则认为没有来帧的线路上帧丢失。下面对错误情况做一个简单分类 【2】 ：1）任线的帧先来，在T_skew_r内收到冗余线的帧；2）任线的帧先来，在T_skew_r内没有冗余线的帧，即冗余线的帧丢失；3）冗余线的帧先来，在T_skew_r内收到信任线的帧；4）冗余线的帧先来，在T_skew_r内没有信任线的帧，即信任线的帧丢失。冗余控制模块时滞超时错，采用状态机来控制。由前面介绍的功能要求，每种情况的执行一般使用一个状态来实现，有一些还是要使用多个状态来实现。S 0S 1 S 2 S 3S 4S 6 S 7S 5信任线帧先来 冗余线帧先来信任线下一帧先到冗余线帧出现在 T _ s k e w _ r内 信任线帧到来冗余线下一帧先到启动帧丢失保证定时t _ e n启动帧丢失保证定时t _ e n信任线帧出现在 T _ s k e w _ r内 信任线帧到来冗余线帧丢失 信任线帧丢失传输完成两线帧同时来图 4 时滞超时错状态机图4中s0为等待状态，当数据帧到来时根据是信任线还是冗余线上的帧先来或同时来状态发生相应跳转，同时启动定时器，检测另外的一条线路上的帧的到来时间是否超时。如果在超时时间内到来，则系统状态将由s2跳转到s0等待下一帧的到来。协议中定义的T_skew_r由线路物理特性来满足，一旦超时，则为物理层问题，线上的数据帧将丢失，为了使对帧丢失的判断更加可靠，引入了一个冗余时间t_en.在某一线路上帧出现后的T_skew_rt_en时间内，如果另一线上的帧没有出现才认为该帧丢失。图4中从s5状态到s0状态跳转时，信任线的Line_Disturbance信号被确认。根据以上两种情况，综合判断两线的Line_Disturbance信号，完成线路冗余切换。6 结论列车通信网络技术是现代列车的核心技术之一，目前国外主要铁路机车设备制造企业如Siemens，Bombardier和Unicontrol等已经开发出比较完整的TCN网络通信产品,而我国对TCN的研究还处于起步阶段，在此形势下研发具有自主知识产权的TCN网络产品，对我国铁路网络通信技术核心竞争力的提升具有十分重要的现实意义。列车通信网络的硬件随着可编程片上系统发展将具有灵活的设计方式，可裁剪、可扩充、可升级、并具备软硬件在系统可编程的功能。文中讨论的WTB冗余控制模块是国内的首篇公开讨论，在ALTERA公司的FPGA芯片EP1C20F324I7上设计实现，该模块配置灵活，修改方便，性能完全达到要求，运行稳定，满足列车通信网络发展的要求。本文作者创新点：本文是国内WTB冗余控制模块基于FPGA实现的首篇公开讨论，本文采用自顶向下设计方法，通过设备功能分析来实现总线协议的方法，在今后的研究中也具有一定的借鉴意义。参考文献1 IEC 61375-1, Train Communication NetworkS.2 Juan Carlos Moreno,Eduardo