（控制理论与控制工程专业论文）基于iec613751规范的wtb的研究与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着嵌入式微机控制技术和现场总线技术的发展，现代列车的过程控制方式已从集 中型的直接数字控制发展成为基于网络的分布式控制。列车通信网络( t r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，简称t c n ) 是国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，简称i e c ) 制定的国际标准，其目的在于方便铁路运输部门和列车设备供 应商实现世界范围的列车车辆间的互连。t c n 包含两层结构，即连接各个车辆的绞线式 列车总线( w i r et r a i nb u s ，简称w t b ) 和连接车辆内或车辆组内各设备的多功能车辆总 线( m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ，简称m v b ) 。目前，列车通信网络作为列车的重要组成部 分，已经成为现代列车的核心技术。 绞线式列车总线是t c n 为实现在编组车辆间的数据通信定义的总线标准。w t b 能满 足列车实时控制、诊断和旅客信息系统的需要。w t b 传输的数据分为实时性的过程数据， 非实时性消息数据，以及监控数据。其最具特色的功能是初运行过程，通过这一过程 w t b 可以自动为连接在一起的节点分配地址，所有节点都可以获得关于总线和其它节点 的拓扑信息。更为重要的是，w t b 充分考虑了列车编组动态改变的情况，能够适应在日 常运营中列车编组经常变化的要求，以及不同厂家制造的车辆互联和互操作的要求。 w t b 标准定义了完整的物理层和链路层，但其核心功能是由链路层软件完成的。由 此，本文在研究了i e c 6 1 3 2 7 5 1 的基础上，对w t b 物理层、帧和报文、链路层的控制和 接口、初运行等技术特点进行了分析。设计了w t b 通信栈软件，w t b 通信栈分为两个 模块，用于实现w t b 的核心功能的核心进程模块，和为了易于移植和适应多种不同的 w t b c 通信控制器而设计的硬件接口模块。最后，在实验室模拟了有三个节点的w t b 总 线的条件，对软件进行了测试，实现了w t b 通信栈的基本功能。 关键词：绞线式列车总线；列车通信网络；w t b 通信栈 基于i e c 6 1 3 7 5 - i 规范的w m 的研究与实现 t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fm v bb a s e do n i e c 6 1 3 7 5 1s t a n d a r d a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fe m b e d d e dm i c r oc o n t r o la n d 丘e l db u s t h e p r o c e s sc o n t r o lo fm o d e r nt r a i nh a sd e v e l o p e df r o mc o n c e n t r a t e dd i r e c td i g i t a lc o n t r o ls y s t e m t od i s t r i b u t e 堰lc o n t r o ls y s t e mw h i c hb a s e do nn e t w o r k t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ( t c n ) 。 e s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l yb yi n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ( i e c ) ，i sa i m i n gt o o f f e rt h ec o n v e n i e n c et ot h er a i l w a yd e p a r t m e n t sa n d 仃a i ne q u i p m e n tp r o v i d e r st oa c t u a l i z e t h ei n t e r l i n k a g eo ft r a i nv e h i c l e sa r o u n dt h ew o r l d t c nc o m p r i s e st w ol e v e l s t h ew i r ct r a i n b u s ( w t e ) c o n n e c t i n gt h ev e h i c l e sa n dt h em u l t i f u n c t i o nv e l l i c l eb u s ( m ) c o n n e c t i n g t h ee q u i p m e n ta b o a r dav e h i c l eo rg r o u po fv e h i c l e s n o w a d a y s ，t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m w i t h i nat r a i ni sac e n t r a li s s u ef o rt r a i ns y s t e mi n t e g r a t i o n w t bc a nf u l f i l lt h er e q u i r e m e n to fr e a l - t i m ec o n t r o l ，d i a g n o s i s ，a n d p a s s e n g e r i n f o r m a t i o no n b o a r dt r a i n d a t a sw h i c ha r et r a n s m i t t e db y 、7 i ，1 ba r ed i v i d e di n t or e a l t i m e p r o c e s sd a t a , n o n r e a l t i m ed a t a , a sw e l la sm o n i t o r i n gd a t a i t sm o s tu n i q u ef e a t u r ei s i n f i g u a r a t i o nt h r o u g ht h ec o u r s eo ft h ew t bc a nb ea u t o m a t i c a l l yc o n n e c t e dt ot h e d i s t r i b u t i o nn o d ea d d r e s s e s ，a v a i l a b l et og e ta l ln o d e so nt h eb u sa n dt h et o p o l o g yi n f o r m a t i o n o fo t h e rn o d e s w h a t sm o r ei m p o r t a n ti s i tc a nb ea p p l i e di nt h es i t u a t i o nt h a tv e h i c l e sm a y b e c o u p l e do ru n c o u p l e df r e q u e n t l yi nd a i l yo p e r a t i o n a l t h o u g hc o m p l e t ep h y s i c a la n dl i n kl a y e ra r ed e f i n e di n 、ms p e c i f i c a t i o n , l i n kl a y e r d o e st h em a i ni o b a sar e s u l t ，o nt h eb a s i so ft h ei e c 6 1 3 2 7 5 1s t a n d a r d ，t h i sp a p e rs t u d i e s o nw t b p h y s i c a ll a y e r ，a n dt h em e s s a g ef l a m e ，l i n kl a y e rc o n t r o la n di n t e r f a c e ，i n f i g u a r a t i o n , a n do t h e rt e c h n i c a lf e a t u r e s t h i sp a p e rd e s i g n e s r t bc o m m u n i c a t i o n ss o f t w a r es t a c k , w h i c h i sd i v i d e di n t ot w om o d u l e s ：o n ei st h ec o r ep r o c e s sm o d u l ew h i c hi so r d e rt or e a l i z et h ec o r o f u n c t i o n so f 椰，t h eo t h e ro n ei sh a r d w a r ei n t e r f a c em o d u l ew h i c hi sd e s i g n e df o ra d a p t i n g t oaw i d er a n g eo fc o m m u n i c a t i o n sw t b cc o n t r o l l e r f 饥a l l y ，i nt h el a b o r a t o r yw es i m u l a t ea w t bb u sw h i c hc o n n e c t e st h r e en o d e s ，t h es o f t w a r eh a sb e e nt e s t e d , t h eb a s i cf u n c t i o n so f t h e 、7 i ，t bc o m m u n i c a t i o n ss t a c kh a sb e e na c h i e v e d k e yw o r d s ： w i r et r a i nb u s ；t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ：w t bc o m m u n i c a t i o ns t a c k i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：蒸立z 至垦亟! 主匿二查塑至竺坐垒笙堕墨趣 作者签名： 刁蕉b 日期： 趔垒年羔月2 l 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：耋丑兰至笪塑i 鱼盘血丝缝垡鸳窒至墓鲨 作者签名：蛰型日期：趁年也月三l 日 导师张哆嘛 帆皿年鱼月丛日 基于i e c 6 1 3 7 5 - i 规范的w r b 的研究与实现 l s t r e s u l ti s _ t _ c h g i n a u g u r a t i o n _ d a t a ( u n s i g n e d 8u c i n a u g _ d a t a _ s i z e ，v o i d p i n a u g u r a t i o n ) 其中，输入：u c i n a u g _ d a t a _ s i z e ( 用八位数组表示的初运行数据长度( = 1 2 4 ) ) ， p i n a u g u r a t i o n ( 用户定义的初运行数据) 。输出：无。返回：无。 ( 2 获取统计服务，提供使用和出错的统计信息。函数原型如下： l s t r e s u l tl s _ t _ g e t s t a t i s t i c s ( t l l _ s t a t i s t i c d a t a p s s a t i s t i c _ d a t a ) 其中，输入：p s a t i s t i c ( 2 1 ) 获取初运行数据，将指针返回到初运行数据。函数原型如下： l s t r e s u l t l stg e t l n a u g d a t a ( v o i d 幸p i n a u g _ d a t a _ l i s t ) 其中，输入：p i n a u g _ d a t a _ l i s t ( 指向所有已命名节点的初运行数据) 。输出：无。返 回：无。 5 2 硬件接口模块 5 2 1通道接口 通道接口用于切换信号线，切换方向，连接主通道和辅助通道到方向1 或方向2 ， 包括了4 个部分： ( 1 ) 切换通信线和方向，函数原型：v o i ds w i t c h _ l i n e _ d i r e c t i o n ( u n s i g n e d 8 u c l i n e ，u n s i g n e d 8u c d i r e c t i o n ) 。 ( 力连接主通道到方向1 或方向2 ，函数原型：v o i ds w i t c h _ m a i n _ c h a n n e l ( u n s i g n e d 8u c d i r e c t i o n ) 。 ( 3 ) 连接辅助通道到方向1 或方向2 ，函数原型：v o i ds w i t c h _ a u x i l i a r y _ c h a n n e l ( u n s i g n e d 8u c d i r e c t i o n ) 。 ( 4 ) 方向转换器用于连接主通道到方向1 ，辅助通道到方向2 ，或相反。函数原型： v o i dd i r e c t i o n _ c o m m u t a t o r ( u n s i g n e d 8u c m a i n _ d i r e 斌i o n ) 。 5 2 2 数据接口 属于数据接口的函数很多，这里只介绍几个重要的： ( 1 ) 读取收到的消息报文的d e s t i n a t i o na d d r e s s 字段， u n s i g n e d 8r e a d _ r e c e i v e d _ m e s s a g e _ d e s t i n a t i o n 0 ， d e s t i n a t i o na d d r e s s 字段。 ( 2 ) 读取收到的监控报文的d e s t i n a t i o na d d r e s s 字段， 函数原型是： 返回收到的消息报文的 函数原型是： 大连理工大学硕士学位论文 u n s i g n e d 8r e a d _ r e c e i v e d _ s u p e r v i s o r y _ d e s t i n a t i o n 0 ，返回收到的监控报文的 d e s t i n a t i o na d d r e s s 字段。 ( 3 ) 读取收到的消息报文的l i n kc o n t r o l 字段：函数原型是： u n s i g n e d 8r e a d _ r e c e i v e d _ m e s s a g e l i n k _ c o n t r o l 0 ，返回收到的消息报文的l i n k c o n t r o l 字段。 ( 4 ) 读取收到的监控报文的l i n kc o n t r o l 字段，函数原型是： u n s i g n e d 8r e a d _ r e c e i v e d _ s u p e r v i s o r y _ l i n k _ c o n t r o l 0 ，返回收到的监控报文的l i n k c o n t r o l 字段。 四读取收到的消息报文的源地址，函数原型是： u n s i g n e d 8r e a d _ r e c e i v e d _ m e s s a g e _ s o u r c e 0 ，返回读取收到的消息报文的源地址。 ( 6 ) 读取收到的监控报文的源地址，函数原型是： u n s i g n e d 8r e a d _ r e c e i v e d _ s u p e r v i s o r y _ s o u r c e o ，返回读取收到的监控报文的源地 址。 ( 7 ) 读取收到的消息报文的l i n kd a t as i z e ，函数原型是： u n s i g n e d 8r e a d _ r e c e i v e d _ m e s s a g e d a t a _ s i z e 0 ，返回读取收到的消息报文的l i n k d a t as i z e 。 ( 8 ) 读取收到的监控报文的l i n kd a t as i z e ，函数原型是： u n s i g n e d 8r e a d r e c e i v e d _ s u p e r v i s o r y _ d a t a _ s i z e 0 ，返回读取收到的监控报文的l i n k d a t as i z e 。 5 2 3 寄存器接口 这里介绍了一些与寄存器接口有关的接口函数，它们完成了一些读取和写入的工 作。具体如下： ( 1 ) 用于对w t b c 寄存器地址赋值的接口函数原型为：w t b e _ r e g _ _ a d d r _ a s s i g n 0 。赋 值后，用于以后访问w t b c 的寄存器。该函数在访问w t b c 之前调用，只需要调用一 次。 ( 2 ) 读取物理层控制寄存器的值到w t b c 中和把w t b c 中对应的值写入到物理层 控制寄存器中的接i ：1 函数原型分别为：r e a d _ p e r 0 和w r i t e _ _ p e r 0 。 ( 3 ) 读取w t b c 控制寄存器的值到w t b c 中和把w t b c 中对应的值写入到w t b c 控制寄存器中的接口函数原型分别为：r e a d _ _ w c r 0 和w r i t e _ w c r 0 。 ( 4 ) 读取w t b c 状态寄存器的值到w t b c 中和把w t b c 中对应的值写入到w t b c 状态寄存器中的接口函数原型分别为：r e a d _ w s r 0 和w r i t e _ w s r 0 。 基于i e c 6 1 3 7 5 - i 规范的w r b 的研究与实现 ( 5 ) 读取w t b c 手动控制寄存器的值到w t b c 中和把w t b c 中对应的值写入到 w t b c 手动控制寄存器中的接口函数原型分别为：r e a d _ m a n u a l _ f r a m e _ c o n t r o l r e g i s t e r 0 和w r i t em a n u a l _ f z a m e _ c o n t r o l r e g i s t e r ( u n s i g n e d l 6u i m a n u a l _ f t a m e _ c o n t r o l r e g i s t e r ) 。 5 2 4 定时器接口 定时器部分主要包含了一些与计时器有关的函数，具体如下： ( 1 ) w t b c 计时器控制寄存器的函数原型是： v o i dw r i t et i m e rc o n t r o l ( u n s i g n e d l 6u i t i m e rc o n t r 0 1 ) ，其中u i t i m e rc o n t r o l 为定 时器控制寄存器的值。 ( 2 ) 读取t i m e r1 和t i m e r2 的的当前计数值，函数原型分别是： r e a d _ t i m e r l _ c o u n t e r 0 和r e a d _ t i m e r 2 _ c o u n t e r 0 。 ( 3 ) 读取和写入t i m e r l t i m e r 2 的重加载寄存器，函数原型分别是： r e a d _ t i m e r l r e l o a d 0 r e a d _ t i m e r 2 _ r e l o a d 0 和w r i t e _ t i m e r l _ r e l o a d 0 w r i t e _ t i m e r 2 _ r e l o a d 0 。 5 2 5 中断接口 这里介绍了两个重要的中断接口所需的函数： ( 1 ) 读取w t b c 中断状态寄存器的函数为：r e a d _ w t bh a ts o u r c e 0 。 ( 2 ) w t b c 中断服务程序：v o i di s r w t b c 0 。 5 3 运行结果 在实验室模拟了一个有三个节点的w t b 总线环境，如图5 1 4 所示。 主通道 图5 1 4 连接三个节点的w t b 通信栈 f i g 5 1 4 w t bc o m m u n i c a t i o ns t a c kw h i c hc o n n e c t st h r e en o d e 大连理工大学硕士学位论文 模拟实验正确地实现了w 1 1 b 通信栈的基本功能，而有一些功能，如睡眠、介质冗 余等，由于硬件不能支持，实际功能还不能实现。 5 4 本章小结 本章介绍了w 1 b 通信栈的具体实现，包括核心进程模块和硬件接口模块的实现。 并在实验室模拟了有三个节点的w t b 总线环境，实现了所需的基本功能。 基于i e c 6 1 3 7 5 - i 规范的w t b 的研究与实现 结论 绞线式列车总线w t b 是由m c 制定的，专用于列车级的控制、诊断和旅客信息的数 据通信总线标准。w t b 传输的数据分为实时性的过程数据，非实时性消息数据，以及监 控数据。其最具特色的功能是初运行过程，通过这一过程w t b 可以自动为连接在一起的 节点分配地址，所有节点都可以获得关于总线和其它节点的拓扑信息。 作为列车级互联的标准，w t b 标准定义了完整的物理层和链路层，但其核心的功能 是由链路层的软件完成的。由此，本文设计实现了一种w t b 通信协议栈，该设计简化了 物理层的设计，把重点放在链路层功能的软件实现上，并分成了两个模块来实现，包括 实现w t b 核心功能的核心进程模块和方便与硬件连接的硬件接口模块。通过在由3 个节 点构成的实验总线上的运行测试，节点正确实现了w t b 标准定义的基本功能，达到了设 计目的。 w t b 通信栈软件的实现为进一步设计开发可实用的w t b 通信服务奠定了基础。为 此，需要以下的后续工作：设计开发符合w t b 标准的物理层。作为列车级互联的标准， 其物理层必须遵守标准的定义才具有实际的意义。由于w t b 标准本身是分层良好的，所 以这部分工作可以是相对独立的。 大连理工大学硕士学位论文 参考文献 1 严云升高速列车控制的几个问题机车电传动，1 9 9 9 ，( 1 ) ：1 - 3 2 严云升列车计算机网络控制系统电力机车技术，1 9 9 9 ，( 3 ) ：6 8 3 h u b e r tdl 【t h ei e ct r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i em i c r o ，2 0 0 1 ，2 1 ( 2 ) ：8 1 9 2 4 常振臣，牛得田，王立德等列车通信网络研究现状及展望电力机车与城轨辆，2 0 0 5 ，2 8 ( 3 ) ：5 7 5 王俊景列车通信网络简介城市轨道交通研究，2 0 0 5 ，( 6 ) ：8 3 8 7 6 奚国华，路向阳，夏寅内燃式列车组网络通信系统西南交通大学学报，2 0 0 2 ，3 5 ( 6 ) ：6 2 9 6 3 4 7 】i e c 6 1 3 7 5 - i ：1 9 9 9 ，e l e c t r i cr a i l w a y se q u i p m e n tt r a i nb u sp a r t l ：t r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k 8 i e e e l 4 7 3 ：1 9 9 9 ，i e e es t a n d a r df o rc o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o la b o a r dt r a i n s 9 路向阳我国列车通信网络的发展与应用机车电传动，2 0 0 1 ，( 6 ) ：卜5 1 0 路向阳列车通信网络的发展与应用概述机车电传动，2 0 0 2 ，( 1 ) ：5 - 9 1 1 李国平列车通信网络1 盯哪v b 与io nw o r k s 的技术比较与应用铁道车辆，2 0 0 4 ，4 2 ( 1 ) ：2 2 2 5 1 2 奚国华，路向阳，夏寅我国列车通信网络的实践与开发探讨机车电传动，2 0 0 0 ，( 1 ) ：2 - 5 1 3 马云双，周希德，吴复生基于l o n w o r k s 网络控制技术的内燃动车组控制系统研究铁道学报， 2 0 0 2 ，2 4 ( 1 ) ：4 3 - 4 7 1 4 钱存元，邵德荣，谢维达现场总线在列车控制网络中的应用与发展交通与计算机，2 0 0 4 ， 2 2 ( 1 ) ：6 8 - 7 2 1 5 张元林列车控制网络技术的现状与发展趋势电力机车与城轨车辆，2 0 0 6 ，2 9 ( 4 ) ：卜4 1 6 f f e i s t l e 通过u i c 列车总线实现旅客信息系统自动化交流技术与电力牵引，2 0 0 3 ，( 2 ) ：6 9 1 7 j i n e n e zj ，m a r t i njl at o p d o w nd e s i g nf o rt h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i n d u s t r i a l t e c h n o l o g y ，2 0 0 3i e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e ，2 0 0 3 ，2 ( 1 2 ) ：1 0 0 0 1 0 0 5 1 8 c h a n g _ h e ec h o ，j a e - d u c kl e e 。j o o - h o o nl e e d e s i g no ft h et r a i nn e t w o r ks i m u l a t o rb a s e d o nt r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i n d u s t r i a le l e c t r o n i c s ，2 0 0 1 i s i e2 0 0 1 i e e e i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u m ，2 0 0 1 ，1 ( 6 ) ：3 4 3 3 4 7 1 9 c h a v a r r i aa ，a r r o y a b ejl s l a v en o d ea r c h i t e c t u r ef o rt r a i nc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k s i n d u s t r i a le l e c t r o n i c ss o c i e t y 。2 0 0 0 i e c o n2 0 0 0 2 6 t ha n n u a lc o n f e r e n c eo ft h ei e e e ， 2 0 0 0 ，4 ( 1 0 ) ：2 4 3 1 2 4 3 6 2 0 m o r e n ojc ，l a l o y aej l i n er e d u n d a n c yi nm v b t c nd e v i c e s ：ac o n t r o lu n i td e s i g n e l e c t r o t e c h n i c a lc o n f e r e n c e ，2 0 0 6 m e l e o n2 0 0 6 i e e em e d i t e r r a n e a n ，2 0 0 6 ，( 5 ) ：7 8 9 7 9 4 2 1 严云升列车通信网络及其与设备的连接方式机车电传动，2 0 0 2 。( 2 ) ：2 3 - 2 5 2 2 孟玉发，汪强，韩笑列车通信网络在s s 3 b 型固定重联电力机车上的应用，铁道机车车辆2 0 0 3 ， 2 3 ( 5 ) ：1 0 - 1 2 2 3 曾嵘，路向阳首列国产交流传动地铁列车控制及网络系统机车电传动，2 0 0 4 ，( 3 ) ：3 5 3 8 2 4 龚军，邱宽明基于t c n 网络的客车电气控制系统铁道机车车辆，2 0 0 6 ，2 6 ( 6 ) ：3 4 3 7 一5 7 基于i e ( 嚣1 3 7 5 1 规范的w t b 的研究与实现 2 5 常振臣，牛得田，王立德等基于t c n 技术的内燃动车组列车通信网络，铁道车辆2 0 0 6 ，4 4