（通信与信息系统专业论文）uic556网关设计及ums模块实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着列车上设备控制和服务对象的增多，需要传输的信息的数量和种类也在不断增 长，因此，就迫切需要一种大容量、高速度的信息传输系统来提高控制、监视和诊断水 平。国际电工技术委员会( i e c ) 为实现车载数据通信的国际标准化于1 9 9 9 年通过了一 项列车通信网络( t r m nc o m m u n i c a f i o nn e t w o r k ，简称t c n ) 专用标准即i e c 6 1 3 7 5 1 。 该标准将t c n 分为两层结构，即绞链式列车总线( w i r et r a i nb u s ，简称w t b ) 和多功 能车辆总线( m u l f i f u n c t i o n v e h i c l e b u s ，简称m v b ) 。然而，该标准只是规定了组成列 车通信网络两条总线的基本通信机制，并没有从应用的角度定义信息的内容以及每一位 数据的具体含义。因此，对于自由组合的列车，也就实现不了来自不同设备制造商车辆 的互操作性。u i c 5 5 6 协议则是为实现这种互操作性制定的标准。本文就是在深入研究 t c n 和u i c 5 5 6 标准之后，设计了一个基于n u c l e u s p l u s 实时多任务操作系统的u i c 5 5 6 网关软件。 本文首先研究i e c 6 1 3 7 5 1 和u i c 5 5 6 协议标准，重点分析u i c 5 5 6 协议对t c n 的 改进，着重研究了二者之间的映射关系，在此基础上给出u i c 5 5 6 网关软件的总体设计 方案，并把u i c 5 5 6 网关分成u i c 映射服务器( u i cm a p p i n gs e r v e r ，简称u m s ) 模块、 过程数据编组( p r o c e s sd a t am a r s h a l i n g ，简称p d m ) 模块、u i c 初运行部分和节点监 视器( n o d es u p e r v i s o r ，简称n s ) 等几个模块。本文重点实现u m s 模块的所有功能。 本文根据u m s 模块的工作流程把它细分成五个子模块：u i c 代理者( u i ca g e n t ， 简称u a g t ) 、列车总线管理者( u i cw t bb u sm a n a g e r ，简称u w t m ) 、列车总线配 置者( u i ct r a i nb u sc o n f i g u r a t o r ，简称u t b c ) 、智能多发服务器( u i ci n t d l i g e n tm u l t i c a s t s e r v e r ，简称u i m c s ) 、n a d i ( n o d e a d d r e s s a n da t t r i b u t e d i r e c t o r y ) 及群组服务器( u i c n a d ia n dn a d i & g r o u ps e r v e r ，简称u n g s ) 。在n u c l e u sp l u s 操作系统平台上实现 各个子模块功能。 最后，本文在实验室环境下对各个子模块进行了一致性测试和稳定性测试，测试过 程中，首先对各个子模块进行单元测试，然后再整合在一起进行联合测试。测试结果表 明，本文开发的u i c 映射服务器模块符合协议规定的要求。 关键词：列车通信网络；协议栈；嵌入式操作系统 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g no fu i c 5 5 6g a t e w a ya n d i m p l e m e n t a t i o no fl t su m sm o d u l e a b s tr a o t t h em o r e e q u i p m e n t sa n ds e r v i c e sa r ef i x e do nt h et r a i n ，t h em o r ei n f o r m a t i o nh a st ob e t r a n s m i t t e d s o ，t h e r eh a st ob eah i g h - c a p a b i l i t ya n dh i g h - s p e e di n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n s y s t e mt or a i s et h e1 e v e lo f c o n t r o l l i n g m o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i s i e cr e l e a s e di e c 6 1 3 7 5 - l t os t a n d a r d i z et h ed a t at r a n s m i t t i n go nt h et r a i ni n1 9 9 9 i e c 6 1 3 7 5 ，1s t a n d a r d i z e st h a tt r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ( t c n ) e n c o m p a s s e st w ob u s s e s ：w i r et r a i nb u s ( w t b ) a n d m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ( m v b ) h o w e v e r ，i e c 6 1 3 7 5 1d e f i n e st h eb a s ec o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s mo f t ba n dm v b o n l y i td o e s f f td e f i n et l l ec o n t e n to fi n f o r m a t i o no rm e a n i n g o fd a t af i o mt h ev i 鲫o fa p p l i c a t i o n t h e r e f o r e t c nc a n tw o r ko nt h et r a i nw h i c hu s e s e q u i p m e n t ss u p p l i e db yd i f f e r e n tv e n d o r s 。u i c 5 5 6p r o t o c o li st h es t a n d a r dt oi m p l e m e n tt h i s k i n do fm u t u a lo p e r a t i o n a f t e rr e s e a r c h i n gt c na n du i c 5 5 6s t a n d a r dp r o t o c 0 1 t h i sp a p e r d e s i g n su i c 5 5 6g a t e w a ys o f t w a r ew h i c hw o r k si nn u c l e u sp l u sr e a i - t i m em u l t i t a s ko p e r a t i o n s y s t e m f i r s t l y , t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ei e c 6 1 3 7 5 - 1a n du i c 5 5 6p r o t o c o l ，a n a l y z e st h e i m p m v e m e n to nt c nb yu i c 5 5 6p r o t o c o l ，e s p e c i a l l yt h em a p p i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m t h e ni tg i v e st h ed e s i g no f u i cg a t e w a ys o f t w a r e ，a n dd i v i d e st h eu i c 5 5 6g a t e w a yi n t ou i c m a p p i n gs e r v e r ( u m s ) ，p r o c e s sd a t am a r s h a l l i n g ( p d m ) ，u i ci n a u g u r a t i o na n dn o d e s u p e r v i s o r c n s ) a n ds oo n t h i sp a p e ri m p l e m e n t sa l lt h ec h i l dm o d u l e so fu i cm a p p i n g s e r v e rm o d u l e s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ew o r k f l o wo fu i cm a p p i n gs e r v e r , t h ep a p e rd i v i d e st h eu i c m a p p i n gs e r v e ri n t of i v ec h i l dm o d u l e s ：u i ca g e n t u i cw t b b u sm a n a g e r , u i ct r a i nb u s c o n f i g u r a t o r u i ci n t e l l i g e n tm u l t i c a s ts e r v e ra n dn a d i ( n o d ea d d r e s sa n da t t r i b u t e d i r e c t o r y ) a n dn a d i & g r o u p s e r v e ra n di m p l e m e n t sa l lt h ef u n c t i o no ft h ef i v e c h i l d - m o d u t e so nn u c l e u sp l u so p e r a t i o ns y s t e mp l a t f o r m f i n a l l y ，t h i sp a p e rm a k e st h ec o n f o r m a n c et e s ta n ds t a b i l i t yt e s tt oe v e r yc h i l dm o d d ei n t h el a b d u r i n gt h ep r o c e s so ft e s t 。i tf i r s t l yd ot h eu n i tt e s tf o re v e r yc h i l dm o d u l e 。t h e n i n t e g r a t e st h e ma n dm a d eaw h o l et e s t t h er e s u l to ft h et e s ti n d i c a t e st h a tt h eu i cm a p p i n g s e r v o rm o d u l ei m p l e m e n t e di nt h i sp a d e l m e e t st h ed e m a n do f u i c 5 5 6p r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：t c n ：p r o t o c o ls t a c k ：e m b e d d e ds y s t e m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。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。 作者签名：牲 日期：星竺兰：丝：兰汐 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 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者魏盈茎竺 导师签名 丛年坠月鱼日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 问题的提出 现代列车正朝着高速化、自动化和舒适化的方向发展，与传统列车相比，越来越多 的信息由此而产生，这些信息包括远程控制信息、诊断信息和旅客服务信息。远程控制 信息包括用于牵引的信息和车辆的照明、车门、空调和倾摆控制等信息；诊断信息包括 设备故障和维修等信息；旅客服务信息有报站、意外、转车和订座等信息【l 】。随着列车 上设备控制和服务对象的增多，需要传输的信息的数量和种类也在不断增长，因此，就 迫切需要一种大容量、高速度的信息传输系统来提高控制、监视和诊断水平【2 1 。列车通 信网络( t r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，简称t c n ) 就是在这种背景下产生的，列车通 信网络是面向控制的一种连接车载设备的数据通信系统，是分布式列车控制系统的核心 组成部分。它以计算机网络为核心，把计算机技术、控制技术、设备故障诊断技术、网 络通信技术紧密结合起来。它将整个列车微机控制系统的各层次及其各单元之间连接起 来，作为系统信息交换和共享的渠道，实现全列车环境下的信息交换。列车通信网络的 应用，使得列车控制系统真正成为一个分布式控制系统，并为列车系统的信息化打下了 基础。 列车通信网络的任务主要有【3 】： ( 1 ) 实现各动力车的重联控制。 ( 2 ) 实现全列车( 动车和拖车) 所有由计算机控制的单元联网通信和资源共享。 ( 3 ) 实现全列车的制动控制、门控制、空调控制及轴温检测等功能。 h ) 完成全列车的自检及故障诊断决策。 国际电工技术委员会( i e c ) 为实现车载数据通信的国际标准化于1 9 9 9 年通过了一 项列车通信网络专用标准协议即i e c 6 1 3 7 5 1 。该标准将t c n 分为两层结构，即绞链式 列车总线( w i r ct r a i nb u s ，简称w t b ) 和多功能车辆总线( m u l t i f u n e t i o nv e h i c l eb u s ， 简称m v b ) 。w t b 总线连接不同车辆中的网络节点；m v b 总线连接同一车辆或固定 车组内部各种可编程终端装置。w t b 总线和m v b 总线是两个独立的通信子网，可采用 不同的网络协议，通过一个列车总线节点互连，在应用层的不同总线之间通信时，此节 点可以充当两种总线之间通信的网关。在m v b 总线下还可以扩展第3 级总线即设备总 线，如连接传感器的总线或连接执行单元的控制总线，它们可作为m v b 总线的设备连 接到m v b 总线上，列车通信网络的拓扑结构如图1 1 所示。 u i c 5 5 6 网芙设计及u m s 模块实现 图1 1 列车通信网拓扑结构 f i g 1 1t o p o l o g yo f t c n 以上结构并不是绝对的，整个列车的组成可以灵活多样，一节车辆内可以有一条或 多条m v b 总线，也可以没有；m v b 总线亦可以在固定编组的情况下跨接几节车辆。 如果整个列车是固定编组，w t b 总线并不需要对节点进行连续编号，这时m v b 总线可 以起到列车总线的作用。 但是t c n 协议只是规定了m v b 总线和w t b 总线的基本通信机制，而没有从应用 的角度定义过程数据、消息数据、监视数据的帧内容以及每一位数据的具体含义以及车 辆动、静态特性等等。因此，对于自由组合的列车，也就实现不了来自不同设备制造商 提供的车辆的互操作性。u i c 5 5 6 4 】协议则是为实现这种互操作性制定的标准，是一种国 际列车标准，符合u i c 5 5 6 标准的列车在列车总线上传送相同格式的报文，因而保证了 所有的车辆在w t b 总线上数据帧传输的一致性，从而实现车辆间的互操作性。因此在 t c n 网络通信技术的基础上采用u i c 国际列车通信技术会进一步提升网络整体的通信 应用性能，实现车辆间真正意义上的互操作【5 6 1 。 目前，中国政府己经在i e c 6 1 3 7 5 1 国际标准上签字，声明中国今后将遵守这个列 车通信网络的国际标准。随着经济全球化，国际交往的不断增加，可以预见，中国今后 自主研发的高速电力列车必将需要配备符合国际标准的列车通信网络设备，而目前我国 还完全依赖进口外国大公司的设备，因此自主研发我们的列车通信网络设备将具有很好 的市场前景和重大的意义。本课题是在与北方机车集团成功合作开发t c n 协议栈之后， 再度合作开发u i c 5 5 6 网关。本文主要论述u i c 5 5 6 网关的整体设计过程。重点论述了 u i c 5 5 6 网关中u i c 映射服务器模块的具体实现过程。 1 2 列车通信网络在国外的发展情况简介 作为现代列车的核心技术，t c n 、u i c 技术在国外特别是在欧洲的研究已经相当普 及【1 】o7 0 年代末至8 0 年代初，车载微机的雏形分别在西门子公司和b b c 公司出现。开 大连理1 = 大学硕士学位论文 始仅仅是用于传动装置的控制，随着控制、服务对象的增多，人们把铁道系统依次划分 为6 个层次：公司管理、铁路运营、列车控制、机车车辆控制、传动控制和过程驱动， 于是列车通信网络在初期的串行通信总线的基础上应运而生，并从原来不同公司的企业 标准推向国际标准，逐步形成了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列和全 方位的开发、调试、维护、管理软件工具。1 9 8 8 年，i e c 第9 技术委员会t c 9 成立了 第2 2 工作组w g 2 2 ，其任务是制订一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆 能够相互联挂，车上的可编程电子设备能够互换。1 9 9 2 年6 月，t c 9 w g 2 2 以委员会草 案c d ( c o m m i t t e ed r a i t ) 的形式向各国发出列车通信网络的征求意见稿。该稿分成4 个部分：第1 部分总体结构，第2 部分r t p ( r e a lt i m ep r o t o c 0 1 ) 实时协议，第3 部分 m v b 总线，第4 部分w t b 总线。总体结构把列车通信网络规定为由m v b 总线和w t b 总线组成。m v b 总线的传输介质可以是双绞线，也可以是光纤。在后一种场合，其跨 距为2 0 0 0 m ，最多可连接2 5 6 个智能总线站。数据划分为过程数据、消息数据和监视数 据。对过程数据的传输作了优化。发送的基本周期是l m s 或2 m s 。w t b 总线的传输介 质为双绞线，最多可连接3 2 个节点。总线跨距8 6 0 m 。w t b 总线具有列车初运行和接 触处防氧化功能。发送的基本周期是2 5 m s 。1 9 9 4 年5 月至1 9 9 5 年9 月，欧洲铁路研究 所( e r r j ) 耗资3 0 0 万美元，在瑞士的i n t e r l a k e n 至荷兰的阿姆斯特丹的区段，对由瑞 士s b b 、德国d b 、意大利f s 、荷兰n s 的车辆编组成的运营试验列车进行了全面的t c n 试验 7 1 。1 9 9 8 年1 1 月，在中国湖南株洲召开i e c t c 9 年会。1 9 9 9 年6 月，t c n 标准草 案i e c 6 1 3 7 5 1 正式成为国际标准。在i e c 6 1 3 7 5 1 中，除了以上4 个部分外，还有第5 部分列车网络管理，国际上一些大的铁路工业公司，正推出符合t c n 标准的铁道机车 车辆产品。1 9 9 9 年6 月，t c n 标准草案i e c 6 1 3 7 5 1 正式成为国际标准之后，国际上一 些大的铁路工业公司，也纷纷推出符合t c n 标准的铁道机车车辆产品，比如西门子、 b o m b a r d i e r 已经有了成熟的t c n 网络产品和技术；而一些中小公司，比如芬兰的e k e 、 意大利的f a r s y s t o m 、捷克的u n i c o n t r o l s 等，也根据t c n 标准开发出了比较完整的t c n 网络通信产品，而且在对t c n 技术研究的基础上开发了u i c 5 5 6 网关的功能，可以真正 地实现列车车辆之间的互操作【”。 1 3 列车通信网络在我国的发展情况简介 我国对列车通信网络的研究起步比较晚。在上世纪9 0 年代中期，随着机车组研究 在国内的升温，对列车通信网络特别是对自由组合的机车之问的通信的需求十分迫切。 一方面，铁道部开展了列车通信网络研究课题，另一方面国内许多家单位也先后自发地 开展了自主开发、联合开发或技术引进工作。这些工作主要在局域网、现场总线、t c n 、 u i c 5 5 6 网芙设计及u m s 模块实现 通信介质、基于r s 4 8 5 的通信协议等领域展开。如上海铁道大学与株洲电力机车研究所 合作开发的基于a r c n e t 的列车总线和基于h d l c 的车辆总线的列车通信网络的研究； 上海铁道大学用c a n 作为连接司机台和列车控制单元的局部总线的研究；国防科技大 学用c a n 作为磁悬浮列车的列车总线的研究；西南交通大学用r s 4 8 5 + 协议作为摆式列 车倾摆控制总线的研究；北方交通大学对通信介质及其转换的研究；大同机车厂对列车 通信网结构及其协议的研究和对b i t b u s 的研究；株洲电力机车研究所的基于f s k 的 列车通信的研究，基于r s 4 8 5 + 协议的局部总线的研究，基于l o n w o r k s 的列车总线和 局部总线的研究，c a n 总线用于列车监控装置和摆式列车局部控制总线的研究，基于 m o d b u s 的i o 局部总线的研究，m v b 总线，w t b 总线的研究等以及国产化的m v b 产品与其他公司的m v b 产品的兼容性试验【9 】；四方机车车辆研究所、铁道科学研究院、 西南交通大学、武进市剑湖铁路客车配件厂、武汉正远公司等对l o n w o r k s ，m v b ，w t b 进行了研究，购买了或准备购买l o n w o r k s ，m v b ，w t b 的开发工具 1 0 , 1 1 】。 经过多年艰苦地自主研发列车通信网络，目前国内已经掌握了t c n 网络通信比较 全面的技术，并在此基础上形成了t c n 网关、m v b l - - 4 类设备、m v b c a n 的网关、 m v b - 4 8 5 网关、星型耦合器、中继器等产品。按照目前技术的发展趋势，下一步将在 t c n 技术的基础上研制u i c 5 5 6 网关 1 2 , 1 3 1 。 1 4 论文结构安排 本文是在研究t c n 协议栈的基础上给出一个基于n u c l e u s 嵌入式操作系统的 u i c 5 5 6 网关的设计与实现方案，并重点设计、实现u i c 映射服务器( u i c m a p p i n g s e r v e r ， 简称u m s ) 模块。第一章介绍了列车通信网络的发展。第二章研究了列车通信网络中 i e c 6 1 3 7 5 1 协议，第三章研究u i c 5 5 6 协议的内容并设计u i c 5 5 6 网关。第四章介绍了 嵌入式系统原理及本文所要开发的u i c 列车通信网关的开发平台。第五章论述了u m s 模块的设计、实现以及它的各个子模块的具体设计、实现。最后对本文进行总结，并对 今后的工作进行展望。 - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 2le 0 6 13 7 5 - 1 协议标准的研究 2 1 概述 在前文已经提到，列车通信网络可以由多种现场总线组成 堋，如r s 4 8 5 总线、c a n 总线、f i e l d b u s 总线、b i t b u s 总线等等。使用多种总线、通信协议组成的网络存在 着某种弊端，比如各种协议接口之间互不兼容，为了达到通信的目的不得不额外进行协 议接口转换。从实时性、可靠性的角度来看，这种额外的协议转换工作会降低性能从而 达不到最初的设计要求。基于诸多不利因素，同时也为了更利于众多涉及该系统各个设 备的生产厂家能够拥有一个统一的标准，以及有利于列车通信网络和车载微机设备的发 展，国际电工技术委员会i e c 的第九技术委员会t c 9 的第二十二工作组w g 2 2 于1 9 9 9 年特别制定了列车通信网络的国际标准i e c 6 1 3 7 5 1 。同年推出的u i c 5 5 6 协议也为工作 于t c n 应用层的各种消息的发送与应答制定了标准。i e c 6 1 3 7 5 1 制定的关于t c n 的标 准以及u i c 5 5 6 协议规定的通信消息的传输方式成为t c n 列车通信网络的标准。 i e c 6 1 3 7 5 - 1 标准规定t c n 使用w t b 总线、m v b 总线两层总线协议的拓扑结构。 w t b 总线作为连接列车中各个车辆的列车总线，总线能自己组态，工作速率为1 m b i t s ， 介质为双绞屏蔽线；m v b 总线作为连接一个车辆内设备的车辆总线，总线能快速响应， 工作速率为1 5 m b i t s ，介质为双绞线或光纤。通常每节车辆为一节点，车辆内各个功能 设备或控制单元使用m v b 总线连接，这些车辆节点由一条w t b 总线连接。为方便多 个车辆节点之间、同一车辆里多个控制单元之问以及分布在不同车辆节点里的各个控制 单元之间的通信，同时，为满足实时性、可靠性的要求，i e c 6 1 3 7 5 1 提出一个r t p 实 时协议，用于m v b 总线、w t b 总线或有相同基本服务的其他总线的通信。只要各条总 线、各个功能设备都遵从标准中提出的r t p 实时协议，不管列车通信网络使用的是w t b 总线或其他的总线，相互之间的通信都能很顺利，并不需要进行协议转换。 由此可见，i e c 6 1 3 7 5 1 国际标准主要包括两部分；上层的r t p 实时协议和底层的 两层总线协议。r t p 实时协议包含了o s i 参考模型中的五层，分别是：应用层、会话层、 传输层、网络层和链路层。 m v b 总线、w t b 总线在链路层提供了相同的两种服务： ( 1 ) 过程数据服务 过程数据主要是周期性的，源寻址广播数据。过程数据表示物理过程的状态，传送 它们的目的是为了监视、控制和命令。例如，过程变量传送轴速度、电机电流或制动力 5 u - i c 5 5 6 网关设计及u v l s 模块实现 ( 它们在司机室被显示) 和司机的控制命令等。过程变量用于时间紧迫的应用，应该被 迅速地分发。 ( 2 ) 消息数据服务 消息数据主要是按需传送的，目标寻址的数据报文。用户应用对大的数据项( 如诊 断信息或设备下载) 是按消息而不是按变量发送的。消息也可用于发送短的命令( 如关 闭某一个门) ，如果它采用周期性发送就太累赘。消息服务有赖于总线按需发送面向目 标的数据报文( 消息数据) 的能力。 r t p 实时协议提供两种与总线无关的、独立的应用服务： ( 1 ) 变量群( 分布式数据库) ； ( 2 ) 消息群( 呼n t t 应答及多播消息) 。 r t p 实时协议为一个应用与另一个应用在列车通信网络上通信提供服务。这两个应 用可以位于不同车辆上、在同一个车辆内或在同一个设备内。r t p 实时协议可用于m v b 总线、w t b 总线或有相同基本服务的其他总线的通信。 2 2w t b 总线协议简介 w t b 总线是构成列车通信网络的第一层总线，它适用于类似国际u i c 列车这种在 每天作业中经常需要连挂与解连的列车上连接各个车辆节点的串行数据通信总线。w t b 总线用于连接组成可变列车中的各个机车车辆，具有如下特性： ( 1 ) w t b 总线支持u i c 活页5 5 6 所规定的列车组成：车辆数2 2 个，w t b 总线通信 的距离8 6 0 m ： ( 2 ) w t b 总线至少支持3 2 个节点； ( 3 ) w t b 总线节点能接收位置地址，识别它们在列车中的取向( 右左，前后) 以 及知道其他节点的位置； ( 4 ) 当两个或更多装有可兼容设备的车辆连接并上电后，w t b 总线将工作，即使某 些车辆只作为连贯车辆； ( 5 ) w t b 总线允许车辆连挂和解连的密度为每小时1 次； ( 6 ) 由于列车的端节点或中间节点都可能由于损坏或无电而不工作，w t b 总线将告 知所有车辆上的应用它的节点号和类型，以验证它是否与列车组成相匹配； ( 7 ) 当车辆数发生改变或是设备退出或加入总线，w t b 总线应能连续工作而无需人 工干预； 一6 大连理工大学硕士学位论文 ( 8 ) w t b 总线将使用专用介质。介质允许选用u i c 电缆( 扬声器、灯、门控制用的 u i c 5 6 8 活页描述的标准电缆) 或e p 电缆( u i c 6 4 8 活页描述的电控制动电缆) ，其通 信速率在1 m b i t s 。 w t b 总线的拓扑结构图如图2 1 所示。 图2 1m 总线拓扑结构 f i g 2 1t o p o l o g ys t r u c t u r eo f w t b 节点或是直接，或是通过扩展电缆连到主干电缆上，因为电缆没有抽头，所以它没 有残段( 无端接电缆节) 。因而扩展电缆的长度不受信号反射的限制。 正常运行时，每个节点插入主干电缆，并连接两个总线节： ( 1 ) 位于总线中间的节点，或中间节点，连接两个与它连接的总线节，中间节点自 己有被断开的端接器。 ( 2 ) 位于总线两端的节点，或端节点，它不连接两个电缆节：它有一个段是朝向列 车中间，另一段是朝向敞开的端部。端节点电气上用与它连接的端接器来终止两个总线 节以减少反射( 端接器的电阻器与电缆的特征阻抗相匹配) 。 ( 3 ) 敞开的端部形成一个终止一端的开式段。 ( 4 ) 一个段从端接器延伸到端接器。 ( 5 ) w t b 总线在给定时间内只由一个单一的总线主控制。 在总线主控制下，w t b 总线周期性地广播牵引和列车控制使用的进程数据；它也 按需发送比较长但不太紧迫的消息数据，如旅客信息、诊断和维护信息。在列车组成发 生改变或节点出现故障时总线主权可以转移。当列车组成改变时，例如车辆连挂，w t b 总线自动重新组态，给各节点指定地址和取向、分发新的拓扑。为此，总线主指示中间 位置上的节点连接电缆节，命令末端的端节点插入端接器，这个过程称作初运行，也就 是给每个节点指出它的位置地址和它相对于总线主的取向，于是所有节点认可相同的方 向为向前，相同的侧面为左侧，而与运行方向无关。一个节点可同时成为总线主和从节 点，虽然总线主只有一个，但允许多个节点成为总线主。这样为总线主丢失时提供了冗 余。 u i c 5 5 6 网关设计及u m s 模块实现 w t b 总线采用主从方式通信，即总线中存在且只存在一个总线主，由它负责轮询 其他各个节点i ”】。其他的非总线主节点收到总线主的轮询消息后，向总线主发送一个消 息，至此完成一个通信过程。由于列车在每天作业中。会经常进行车辆的连挂与解连， 从而导致w t b 总线调用初运行过程进行重新组态。连接在w t b 总线下各个车辆节点 都拥有一个t c n 地址以便通信寻址，各个节点的地址由初运行分配。当初运行结束后， 每个车辆节点都知道： ( 1 ) 它自己的t c n 地址； ( 2 ) 它的命名是按递增次序还是按递减次序； ( 3 ) 它的拓扑； ( 4 ) 它指明所有节点的地址、位置和类型。 列车在其工作期间，总会发生很多事件，如某个节点进入休眠状态、从休眠状态苏 醒，或者直接是节点发生故障，总线主角色的变换等。这些事件都可以导致整个列车通 信网络无法进行通信。为此，初运行的工作不仅仅是给车辆节点分配地址，它还必须保 证列车通信网络时刻可以通信。当上述事件发生后，系统会重新调用初运行过程，重新 分配节点地址，计算拓扑，这样就能保证列车通信网络的畅通运行。 2 3m v b 总线协议简介 m v b 总线是列车通信网络的一种构成，它是一种主要用于( 但也并非专用于) 对 有互操作性和互换性要求的互连设备之问的串行数据通信总线。m v b 总线的物理层的 设计可以得到很高的鲁棒性【1 6 】。一个m v b 总线结构应包括一个或多个总线段，这些总 线段由下述介质之一构成： e s d ( e l e c t r i c a ls h o r td i s t a n c e ) ：电气短距离介质是依照r s 4 8 5 标准的差分传输导 线对，在无需电气隔离的情况下在2 0 m 的传输距离内最大可支持到3 2 个设备，若使用 电气隔离则传输距离可更远。 e m d ( e l e c t r i c a lm i d d l ed i s t a n c e ) ：由屏蔽双绞线组成的电气中距离介质。在2 0 0 m 的传输距离内最大可支持3 2 个设备，允许使用变压器作电气隔离。 o g f ( o p t i c a lg l a s sf i b e r ) ：光纤介质。通过星耦器汇出，传输距离可达2 k m ，主 要用于较为苛刻的环境( 如机车上) 。 m v b 总线拓扑结构包括上述特定介质的一个或多个总线段。每一个总线段可被设 置成无冗余状态或双线冗余状态。m v b 总线标准定义双线冗余状态为默认状态，用以 避免单线传输数据出错的情况。在双线中的一条传输数据失败时，线路冗余可以保证连 大连理工大学硕士学位论文 续的数据通信。每一个设备或端接器都可以辨识有故障的线路并且自动切换到另一条线 路接收数据。 不同的总线段通过总线连接器或星耦器相连。这些连接器包括信号再生逻辑可以用 来恢复信号质量j 信号再生器( 粥a ) 从一个总线段接收信号，经过过滤和重新同步 后再把信号传送到其他总线段。总线连接器还可以检测线路干扰，寂静或闲聊暂停 ( j a b b e r ) 状态。当检测到发送器工作长于时间tj a b b c r 时，信号将不会被传输到另一 个总线段，这种机制避免了干扰信号在整个拓扑结构中的传输。一个总线上最多可以连 接4 0 9 5 个设备。每个设备拥有唯一的设备地址。连接在m v b 上的设备按性能可分为5 类： 1 类设备：1 类设备具有设备状态性能和过程数据性能。在此类设备中，过程数据 的端口地址与设备的地址有关，例如端口地址与设备地址相同。 2 类设备：2 类设备具有设备状态性能、过程数据性能和消息数据性能。2 类设备是 一种可通过总线配置的智能设备，但不可编程。 3 类设备：3 类设备具有设各状态性能、过程数据性能、消息数据性能和用户可编 程性能。 4 类设备：4 类设备具有设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和总线管理 性能，也可具有用户可编程性能。 5 类设备：5 类设备具有设备状态性能、过程数据性能、消息数据性能和t c n 网关 性能。 5 类设备也可具有总线管理器性能。带有总线管理器性能的网关可使总线同步。信 号产生速度应为1 5 m b i t 0 0 1 秒，使用曼彻斯特编码( b r = 1 5 m h z 或1 5 m b i t s ， b t = 6 6 6 7 n s ) 。如图2 2 所示为一种由m v b 不同介质的混合总线段连接的拓扑结构刚。 从设备jp 备l 忙纠m 毒篡忙备j | 从设备 冗余电气中距离总线 非冗余电气中距离总线 总线 连接器 冗余电气中距离总线 非冗余光纤介质 熟卜一星耦嚣连接器卜叫2 ” 型幽幽盏 图2 2m v b 拓扑结构示例 f i g 2 2t o p o l o g ys t r u c t u r eo f m v b u i c 5 5 6 网关设计及u m s 模块实现 2 4r t p 实时协议描述 r t p 实时协议为一个应用与另一个应用在列车通信网络上通信提供协议和服务。这 两个应用可以位于不同车辆上、在同一个车辆内或在同一个设备内。r t p 实时协议可用 于m v b 总线、w t b 总线或具有相同基本服务的其他总线的通信。图2 3 展示了由不同 类型的车辆组成的列车，其中一个车辆使用m v b 总线，一个车辆使用未规定的车辆总 线，一个车辆上没有车辆总线。列车总线可以是w t b 总线，也可以是其他总线。如果 所有设备都服从r t p 实时协议，就不需要进行协议转换。r t p 规定并提供两种主要的 应用通信服务：变量通信服务和消息通信服务。r t p 实时协议的体系结构如图2 4 所示。 oo ，o o oo o oo oo o 图2 3 列车通信网络上的数据传送 f i g 2 3d a t at r a n s m i s s i o ni nt c n a v l 应用层接 口a v i 一 应用变量适配器 ( a v a ) 空 一传输层接口一 一l p i 链路层接口l m l 一过程数据 ( l p a ) 消息数据 ( l m a l 匡 端口i 三三i 队列国 e 三三! l = = = = = i l i 圈2 4r t p 实时协议分层 f i g 2 as t r u c t u r eo f t h er t p 应用层 诤 g f 链路层 萎 l ：碹 大迁理t 大学硕士学位论文 2 4 1 变量通信服务 变量通信服务用来传送具有确定传输延时的短数据，包括：过程数据链路层接口 ( l p i ) 和过程数据应用层接口( a v i ) 。 ( 1 ) 过程数据链路层接口( l p i ) ； 过程数据链路层接口( l p i ) 的主要用途是定义由总线提供给上层协议的过程数据 服务。l p i 定义端口初始化、写入和读出端口的全部数据集相关的同步原语。底层通信 不由本接口规定。端口之间的传送，包括总线主的轮询策略是由链路层和物理层来实现 的。 端口是一种非队列的数据结构，也就是说对端口写入新值将覆盖原值，对端口的读 操作不改变端口中的数据。链路层就提供了多个过程数据通信端口。每一个端口只有一 个数据集。一个数据集只由一个发布者应用产生。总线上一个给定的端口地址只能有一 个源端口，但可能有多个宿端口。不同设备的链路层可以在一个限定的时间内发送一个 源端口的内容给所有预订同一端口地址的多个宿端口。 每一个宿端口，也就是每一个预订的数据集都有一个关联的刷新定时器，用来指示 从总线将新值写入端口后所经过的时间。刷新定时器值与数据集内容一起在一次不可分 割的操作中读取。刷新定时器达到最大定时值后停止运行。 在一个设备内，数据集由其所在的通信存储器的端口地址来标识。通过总线发送时， 数据集由其所在总线上的过程数据帧的逻辑地址来标识。过程数据帧的逻辑地址与数据 集所在的通信存储器的端口地址相同。 在一个设备内，数据集由其d sn a m e 来标识，由t r a f f i cs t o r ei d 和p o r t 组_address 成，可以方便的由一个1 6 位的整数表示，如图2 5 。 o1234567891 01 l1 21 31 41 5 t r a f f i c _ s t o r e _ i dp o r t _ a d d r e s s 图2 5 数据集定义 f i g 2 5d e f i n i t i o no f d s 通信存储器标识符( t r a f f i cs t o r ei d ) 选择一个设备中的一个通信存储器。最多可以 有1 6 个通信存储器。端口地址用来区分由通信存储器标识符选择的一个通信存储器中 的4 0 9 5 个端口。 链路过程数据接口( l p i ) 规定数据集访问，并提供一些原语供上层协议层调用。 原语列表如表2 1 。 u i c 5 5 6 网关设计及u m s 模块实现 初始化通信存储器 插入一个用于待发送的数据集 获取一个接收到的数据集 预订一个用于同步的数据集 发送或接收同步 从同步取消一个数据集 ( 2 ) 过程变量的应用接口( a v i ) 应用变量接口( a ) 定义提供给应用的变量传送服务。这一接口的原语只访问通 信存储器的端口而不触发总线通信。协议保证发布者将变量写入端口将在限定的时间内 使相同的变量写入预订者相应的端口。 过程变量是作为数据集的一部分传送。所有属于同一个数据集的过程变量将被作为 一个整体进行传送和储存。 在一个设备内，过程变量由其所在数据集( d sn a m e ) 和其在数据集中的位偏置 ( v a ro f f s e t ) 来识别。通过总线传送时，过程变量由其逻辑地址和其在被传送的数据 集中的位偏置( v a t0 f f s e t ) 来识别。 在一个设备内，每一个过程变量由一个唯一的标识符( 称为p v n a m e ) 来识别， 它由以下元素组成： t r a f f i c _ s t o r e _ i d t p o r ta d d r e s s ； v a t _ o f f s e t ； v a rs i z e ； v a t _ t y p e ； c h ko f f s e t 。 设备内的通信存储器( 最多1 6 个) 由t r a f f i cs t o r ei d 标识。p o r ta d d r e s s 标识通 信存储器内4 0 9 5 个端口中的一个。如果一个数据集包含一个无符号整数，则最高有效 位的偏置为0 。v a ro f f s