（载运工具运用工程专业论文）tcn网络协议转换器的研究与设计.pdf

摘要 摘要 轨道交通有着高效清洁的特点，使得其在如今能源匮乏城市拥挤的现代社会 中得到了很大程度的重视，应用也日趋广泛。随着技术的发展，在轨道交通车辆 的应用中，所需要传递的信息也越来越多，如控制命令、状态信息、故障诊断和 旅客信息等。如今一般使用列车通信网络来传递这些信息。因此列车通信网络及 其相关研究也成为了现代列车以及城市轨道交通车辆研制的一个重要课题。 i e c 一6 1 3 7 5 是i e c 专门针对于列车通信而制定的列车通信网络标准，即 t c n ( t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) ，这一标准将列车通信网络分成了两个子网， 分别为用于连接可动态编组的车辆单元的列车级通信网络w t b ( w i r e dt r a i n b u s ) 和用于连接车辆内固定的设备的多功能车辆总线m v b ( m u l t i f u n c t i o n v e h i c l eb u s ) 。本文主要针对用于传输重要状态信息的过程数据，研究了w t b 和m v b 之间的网关。 本文从t c n 理论分析着手，讨论了网关所需要解决的问题，包括了数据的传 递速率匹配，帧格式转换，数据缓冲等。同时研究了f p g a 逻辑设计和片上处理 器系统s o p c 的设计原则和方法，提出了两种网关的芯片实现架构，并针对其中 一种架构进行了软硬件设计的研究。使用片上嵌入式处理器n i o si i 以及自行设 计的桥电路组成一个智能化控制系统，研究了相应的软件开发平台和软件开发方 案，验证了方案的可行性，对列车通信网络设备设计提供了有意义的方法。 使用片上集成的系统节省了板上空间，提高了系统的集成度和可维护性，减 少器件则提高了系统的可靠性。这是一种新的设计方法，这种方法为列车通信网 络设备的研究提供了一种新的思考模式。同时对其它的智能化系统的设计也具有 一定的参考价值。 关键词：列车通信网络，绞线式列车总线w t b ，多功能车辆总线m v b ，网关，f p g a ， 片上处理器系统s o p c a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sh i g h l ya c t i v i t ya n de n v i r o n m e n tf r i e n d l y ，r a i l w a yt r a n s p o r th a s b e e nw e l lu s e di nt h em o d e ms o c i e t ya n dc r o w n e dc i t y a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft e c h n o l o g y ，l o t so fi n f o r m a t i o nm u s tb es e n di nt h ev e h i c l e ，s u c hl i k ec o n t r o l c o m m a n d s ，s t a t u si n f o r m a t i o n ，f a u l td i a g n o s i sa n dc u s t o ms e r v i c e p r e s e n t ，w es e n d t h e s ei n f o r m a t i o nb yt r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ot h er e s e a r c ho fc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ki nt h em o d e mr a i l w a yv e h i c l ea n ds u b w a yv e h i c l eb e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n t i e c613 7 5i sa ni n t e m a t i o n a ls t a n d a r de s p e c i a l l yf o rt h et r a i nc o m m u n i c a t i o n , i t sc a l l e dt c n ( 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 ns t a n d a r dd i v i d e st h et r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki n t o2p a r t s ：w t b ( w i r e dt r a i nb u s ) w h i c hc o n n e c t sa l lt h e c h a n g e a b l ec o m p o s i t i o nv e h i c l eu n i t ，a n dm v b ( m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ) w h i c h c o n n e c t sv a r i o u sf i x e dd e v i c e t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ep r o c e s sv a r i a b l e s n m n i n gi nt h eg a t e w a yb e t w e e n 、w ba n dm v b t h i sp a p e re m p h a s i z e st h ea n a l y s i so ft c ns t a n d a r df r o mt h ea c a d e m i ca s p e c t s ， a n dd i s c u s s e st h ek e yi s s u e sa b o u tt h eg a t e w a y ，s u c ha ss p e e dm a t c h i n g ，f r a m e c o m b i n i n ga n dd a t ab u f f e r a n dd ot h er e s e a r c ha b o u tt i md e s i g n i n gt h e o r ya n d m e t h o do ff p g aa n ds o p c t h i sp a p e rg i v et w of l a m es t r u c t u r e so fg a t e w a yc h i p ， a n dd ot h eh a r d w a r ed e s i g n i n gr e s e a r c hf o ro n es t r u c t u r e u s en i o si ip o s s e s s o ra n d ab r i d g el o g i cd e s i g n e db yo u r s e l v e st ob u i l da ni n t e l l i g e n tp r o c e s su n i t d oar e s e a r c h f o rt h es o f t w a r ep l a t f o r m ，c o n f o r m e dt h i st h e o r yi sa v a i l a b l e b yu s et h es o p ca n df p g aw ec a ns a v et h es p a c eo fc i r c u i tb o a r d i tc a n i m p r o v et h ei n t e g r a t i o n l e v e la n dm a i n t a i n a b i l i t yo ft h e s y s t e m w ec a ni m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mb yr e d u c i n gt h en u m b e ro fc o m p o n e n t s i t san e wd e s i g n i n gm e t h o da n d i tg i v ean e wm o d ef o r t h ed e s i g n i n go fb o t ht r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kd e v i c e sa n do t h e r i n t e l l i g e n ts y s t e r r i k e yw o r d s ：t r m nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，w t b ( w i r e dt r a i nb u s ) ，m v b ( m u l t i f u n c t i o n v e h i c l eb u s ，g a t e w a y ，f p g a ，s o p c l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 乡矽吗 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 卅7 年月日 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 随着信息技术的发展，人类逐渐进入到网络社会，计算机网络影响着我们生 活的每一个角落。包括轨道交通车辆。如今无论是在地铁，还是在高速列车上， 为了更好的控制和诊断，人们普遍使用了计算机控制的通信网络。列车通信网络 将列车的各个智能部件有机地连接起来，利用网络实现对列车的控制，监视和管 理，并向智能化、网络化和信息化发展。特别是利用网络，可以实现列车的分布 式控制，使得控制方法多样化起来，人们可以更灵活地使用更多更有效的方法来 实现对车辆的控制。 随着技术的发展，不同的车辆厂商生产出不同种类的各式车辆，在实际应用 中，不同厂商不同种类车辆之间的通信问题时常影响着人们。在实际应用中，人 们逐渐认识到建立一个统一的列车通信网络标准的重要性。国际电工委员会i e c 和国际铁路联盟u i c 联合起来进行了这项工作。它们结合国际上主要的机车车辆 制造商，如a d t r a n z 、s i e m e n s 等使用的列车网络，再结合实际的应用，经过 1 0 年磨合，于1 9 9 9 年制定了用于规范列车车载设备数据通信的国际标准t c n ( t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) ，编号为i e c 6 1 3 7 5 - 1 。从而使得全球的机车 和车辆设备制造商有了一个统一的标准作为参考。 列车通信使用的是一种局域网，由于列车的特殊属性，要求通信网络能有快 的相应速度以适用于过程控制，又要求网络能够适应拆编重组列车单元的需要。 t c n 标准定义了两种子网，以分别适应实际应用中的问题。网络拓扑结构采用总 线形式，分上下两层。上层为w e b ( w i r e dt r a i nb u s ) 既铰接式列车总线。其 特点是能够适应列车的编组，每当列车编组改变后，列车总线执行初运行过程， 将各个电气节点连接起来并自动分配通信地址，使得车辆单元的拆组编过程变得 简单。而下层网络为m v b ( m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ) 既多功能车辆总线。 它是一种为了快速过程控制而优化的总线。相应速度快，可连接传感器、执行部 件和可编程设备。十分适合过程控制。虽然m v b 和w t b 是两种不同的子网，但是 两者共享统一的一个实时协议。应用的时候，m v b 连接车辆单元内部的各个器件， 保证之间的通信顺畅，而w t b 则负责车辆单元之间的数据通信，使得不同的车辆 单元的设备之间也能很好的进行沟通。为了能够使得列车通信网络顺利工作，我 们需要一个设备，在两个子网之间起一个中介转换的作用，使得两个子网能够有 机结合，发挥各自优势，完成通信任务。这个中介转换设备，就是网关。 第1 章绪论 目前国际上列车通信网络发展很快，有很多成熟的产品和设备。然而我国相 关的研究和开发并没有普及，目前国内的地铁车辆和高速列车都还是采用的外国 设备，其价格高昂，并且维护维修十分繁琐，不利于批量生产。从某种程度上影 响了我国轨道交通装备制造的发展。因此我们需要对列车通信网络的国际标准进 行研究，这对我国机车控制，装备制造有着重要的意义。 1 2 国内外列车通信网络的应用情况 在不同的时期不同的车辆设备生产商使用了不同的列车通信网络技术。常用 的网络系统有： l o n w o r k s 网络：是美国e c h e l o n 推出的基于l o n t a l k 协议的全开放智能分 布式测控网络。它采用了o s i 参考模型的全部7 层协议，并封装与被称之为 n e u r o n 的芯片中，使得使用起来十分方便。l o n w o r k s 支持总线，星型和环形等 多种拓扑结构，可以采用主从，对等或者客户服务器等传输方式。介质为双绞 线，同轴电缆，无线电或者光纤。l o n w o r k s 具有完整的七层网络协议，因此它 与其它网络有着很好的兼容性。l o n w o r k s 先后被美国铁路协会和i e e e 接纳为其 通信规范。在新泽西的“彗星”号列车上t c n 和l o n w o r k s 被混合组网，a d t r a n z 公司开发了w t b l o n w o r k s 的网关。 w o r l d f i p 总线：w o r l d f i p 组织是由法国几家大公司组建的，w o r l d f i p 总线 被i e c 和欧洲现场总线标准委员会接纳为其标准。w o r l d f i p 采用三个网络层： 物理层、数据链路层和应用层。和t c n 网络类似，w o r l d f i p 采用了曼彻斯特编 码，网络组织也是有b a 控制的集中式介质访问，并且也提供了变量和消息两种 访问服务。w o r l d f i p 带宽分配灵活，抗干扰能力强，满足i e c 的电磁兼容标准。 无论高速低速，w o r l d f i p 采用一套通信协议，不需要网关网桥。法国a l s t o m 公 司开发的a g a t e 系统采用了w o r l d f i p 作为其通信协议并成功应用到t g v 高速列 车上。 a r c n e t 网络：a r c n e t 是一个开放的标准，最初由美国d a t a p o i n t 公司发展 起来的，它基于一种令牌环的传递方式。1 9 9 9 年成为美国国际标准。a r c n e t 采 用了o s i 模型中的物理层和数据链路层。采用令牌环机制，支持点对点定向消息 和广播传递。可以采用总线，星型以及分布式拓扑结构。使用双绞线，同轴电缆 和光纤作为介质，目前a r c n e tp l u s 采用光纤时速率已经达到l o o m b i t s 。日本 的高速列车多采用a r c n e t 网络。 c a n 总线：c a n 是世界上使用的最广泛的现场总线之一，最初由德国的博世 公司提出，目前被广泛应用于汽车电子网络。标准的c a n 总线定义了物理层和数 2 第1 章绪论 据链路层，采用双绞线，同轴电缆和光纤作为介质，多主竞争式结构，介质访问 方式为带优先级的c s m a c d 。信号采用短帧结构，受干扰概率低。目前c a n 在轨 道车辆中也得到了广泛的应用，比如芬兰e k e 公司开发了w t b c a n 网关，德国高 速磁浮车也采用了c a n 作为车辆总线。 我国在早期的韶山4 b 和韶山8 等电力机车上使用了国产化的m i c a s - s 微机 系统，1 9 9 5 年铁道部也曾组织研究自主知识产权的a r c n e t 列车通信系统，但可 惜最后没有成功。目前我国采用了很多中列车计算机通信网络，从简单的r s - 4 8 5 到t c n 标准网络。下表说明了我国开发的机车使用列车通信网络的情况。 表1 1 我国列车通信网络使用情况 车型 编组方式列车总线车辆总线出厂时间 t m i 出口伊朗2 m l 叮f s k 动车重联m v b 连接显示和牵引控制1 9 9 7 庐山号2 m 2 tr s 4 8 51 9 9 8 春城号 3 m 3 tr $ 4 8 51 9 9 8 新曙光 2 m 9 tl o n w o r k s 1 9 9 9 大白鲨 l m 6 tf s km v b 1 9 9 9 蓝剑号 l m 6 t1 t b2 0 0 0 神州号2 m l 叩 l o n w o r k s c a n2 0 0 0 先锋号4 m 2 tf s k m v b 连接制动、辅助和设备 2 0 0 l 中原之星 4 m 2 tf s km b2 0 0 l 奥星号 l m m v b 连接智能设备 2 0 0 l 中华之星 2 m 8 t呵 b m v b 连接制动、辅助和设备2 0 0 3 1 3t c n 网络介绍 1 9 8 8 年受国际电工委员会第九次技术委员会的委托世界主要的列车和铁路 设备生产厂集合起来，开始联合制定铁路设备通信标准。 1 9 9 9 年，在中国株洲，通过了t e n 标准。它基于a b b 公司的m i c a s 系统的 基础和西门子公司的d i n 4 3 3 2 2 的基础。t c n 定义了两种子网：w t b 和m v b 。分别 用于车辆单元间通信和车辆内设备的通信。 w t b 有列车初运行初始化和烧结去氧化两大特殊功能，能够自动识别车辆编 组的位置和方向，满足开式列车的编组需要。m v b 传输速度比w t b 快，为1 5 m b i t s 。满足车辆内部设备通信的需要。 1 3 1 t c n 与其它车辆通信网络的比较 下表说明了t c n 与常用的列车通信网络之问的异同点： 表1 2t c n 与常用列车通信网络之间的比较 第1 章绪论 比较对w t b 与m v b w o r l d f i pl o n w o r k sc j 蛾 介质访主一从方式，主一从方式，总线改进的c s m a c d 介质访c s m a 方式，但将网络上的 问由总线上唯一带宽由称为总线问控制协议，称为预测数据分成不同的优先级 控制方的主设备集中仲裁器的设备集的p 一坚持c s m a 。 法控制主设备，中控制，并同样采l o n t a l k 协议可根据网 将总线的带宽用周期性分配。络负载动态调整坚持发 分为周期性的w o r l d f i p 将总线送的概，唪p 同定分配的部的基本周期分为 分( 岗期相)4 个窗口 和按需分配的 部分( 偶发相) 寻址方1 ) 过程变最采1 ) 变最寻址采用 1 ) 设备地址，l o n w o r k s变量逻辑地址，消息的内 式用逻辑地址1 6 位的全局的逻设备地址分为3 个层次：容被标上唯一的标识，所 ( w t b 为8 位，辑标识，广播发送域，子网，节点 有与特定消息内容相关的 l l v b 为1 2 位)2 ) 消息数据寻址2 ) 物理地址，每个节点都识别该标识并接收 2 ) 消息数据采 采用2 4 位的网络l o n w o r k s 设备有一个独消息 用1 6 位的网络地址，支持同一网无二的4 8 位i d 地址 地址，支持成段内的多播寻址 组寻址，并将3 ) 网络管理采用 网络地址进一8 位的物理地址 步分为用户地 和3 2 字节的应用 址和系统地址标签 通信服变最服务和消变最和消息两类1 ) 确认消息服务没有定义心用层，链路层 务息服务。变最服务。变每服务支2 ) 非确认消息服务提供消息内容相关的寻址 种类服务支持应用持周期和非周期3 ) 非确认重复消息服务能力，消息的内容完全由 对实时变最的实时变量访问。消4 ) 认证消息服务应用解释 咀独和成组的息服务在链路层 访问。消息服 支持确认和非确 务支持呼叫认的消息传输 应答消息通信 和多播消息通 信 列车编w t b 具备，m v b不具备 不具备 不具备 组自不具备 适应能 ) j 可靠性介质冗余，主介质冗余，主设备瞥点故障对其它网络通严重错误情况下节点自动 和 设备兀余，具冗余，具有的网络信没有影响，具有的刚关闭输出功能，不具有的 可管理有的网络管理管理能力络管理能力网络管理能力 性 能力 特性w t b时b w o r l d f i p l o n w o r k sc a n o s i 层变最：变最：l ，2 ，7 1 ，2 ， 7 1 7 1 ，2 次l 。2 ，7 消息：l 7 消息：1 ， 4 第1 章绪论 网络总线拓自由拓扑自由拓扑。 结构扑，可变总线拓扑( 3 1 2 5 k p b s ) 或总线拓扑， 总线拓扑 结构，编总线形拓扑网络拓扑 组结构自 适应 传输 1 2 0 q 屏短距离：双绞3 1 2 5 k b p s ( i e c1 2 k b p s 一1 2 5 m b p si m b p s 4 0 m 一5 k b p s l o k m 介质蔽双绞线。2 0 m ，3 2 设 1 1 5 8 2 ) ， 双绞线，光纤，电力可用双绞线和光纤 及传线，直接备；中距离：双绞线；线，无线 输速连接 屏蔽双绞线 1 ，2 5 m b p s ， i e e e1 4 7 3 推荐屏 塞 8 6 0 m ，3 22 0 0 m 。3 2 设备屏蔽双绞线；蔽双绞线，7 8 k b p s 节点长距离：光纤5 m b p s ，光纤 速率： 2 0 0 0 m 1 m b p s 速 率：1 5 m b p s 编码曼彻斯特曼彻斯特编曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码n r z 编码，线与逻辑 编码 码 物理支持支持支持不支持不支持 层冗 余 数据1 6 位c r c每6 4 位数据1 6 位c r c 1 6 位c r c5 位c r c 完整8 位c r c 校验 性 ( i e c8 7 0 校 验序列) 1 4 本章小结 本章介绍了列车通信网络的由来和应用，介绍了目前国际国内所使用的各种 列车通信网络。阐述了对其研究的意义。t c n 作为本文研究的重点，本章将它与 其它列车网络进行了比较，介绍了列车网络的结构和网络转换器在其中所起的作 用和意义。 第2 章t c n 网络介绍 2 1t c n 网络的历史 第2 章t c n 网络介绍 7 0 年代末8 0 年代初，西门子公司和b b c 公司研制出车载微机的雏形。列车 通信网络最初只是简单的串行通信总线，然后从不同公司的企业标准逐渐推向国 际，成为了一种国际标准，并且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。 为了制定一个开放的通信系统，使得各种铁道机车车辆互连成为可能，同时 使得车上的可编程电子设备能够互换信息，i e c 第9 技术委员会t c 9 于1 9 8 8 年 成立了第2 2 工作组w 6 2 2 ，来做项工作。 1 9 9 2 年6 月，t c n 的征求意见稿出炉。该稿分成4 个部分：1 总体结构，2 实时协议，3 多功能车厢总线m v b ，4 绞线式列车总线w t b 。 总体结构规定列车通信网由多功能车厢总线m v b 和绞线式列车总线w t b 组 成。m v b 的传输介质为是双绞线或者光纤。数据划分为过程数据、消息数据和监 督数据。对过程数据的传输作了优化，以l m s 或2 m s 为基本周期发送。 w t b 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 具 有列车初运行和接触处防氧功能。发送的基本周期是2 5 m s 。 1 9 9 9 年6 月，t c n 标准草案6 1 3 7 5 1 正式成为国际标准。标准颁布以来，受 到广泛的重视。各个国家和主流企业都积极响应，目前已有符合标准的各式t c n 产品投入使用。 列车通信网络( t c n ) 连接铁路机车车辆上车载可编程设备，它支持：牵引 和机车车辆的控制( 遥控、门、灯，) ；远程诊断及维护；旅客信息等。 2 2t c n 网络结构 i e c6 1 3 7 5 1 定义了一个分层的列车数据通信网络：其中包括用于连接车厢 设备的多功能车厢总线( m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ，m v b ) ，其特点是响应快 速，工作速率为1 5 m b i t s ，介质为双绞线和光纤；以及对列车编组结构有自适 应能力的、较高一级列车主干网：绞线式列车总线( w i r et r a i nb u s ，w t b ) ，其 特点是能自己组态，工作速率为1 m b i t s ，介质为屏蔽双绞线。 两种总线在链路层提供了相同的两种服务： 过程数据：周期性的，源寻址数据： 6 第2 章t c n 网络介绍 消息数据：按需传送的，目标寻址的数据报文。 符合t c n 标准的总线( m v b ，w t b 或者其它总线) 使用同一个实时协议。实 时协议提供两种服务： 变量：传送具有确定传输延时的短数据。本质是一个分散式进程数据库，通 过源寻址广播方式周期性刷新。包括：过程数据链路层接口，变量的应用层接口； 消息：传送可能冗长但不频繁的数据项，如果必要，数据项被拆分成小包并 基于需要发送。包括：消息数据链路层接口；用于选择包在网络中的传送路径的 网络层路由；提供流控制和差错恢复的传送层；配对呼叫消息和应答消息的会话 层；消息的应用层接口。 2 3m v b 介绍 m v b 是将位于同一车辆，或不同车辆单元中的标准设备连到列车通信网络上 的车辆总线。它提供了两种连接方式：其一是可编程设备之间的互连，其二是将 这些设备与它们的传感器和执行机构互连。 车辆总线的引入可以显著地减少电缆使用，并且由于使用常规布线增加了可 靠性。借助m v b ，通过一根电缆就可采集和输出所有信号和数据，大大缩短到执 行单元和传感器的配线。m v b 为车厢内各设备的诸多功能的自动实现、消息的传 送、资源的共享以及各设备之间的合理配合提供了可靠、顺畅的通道。 m v b ( 多功能车厢总线) 在一个车厢单元内可连接多达4 0 9 5 个设备和简单的 传感器执行机构。在双绞线对上作短距离传输或在光纤上进行长达2 0 0 0 m 的传 输时，其工作速率可达1 5 m b i t s 。 车辆总线具有固定的结构和地址，且拓扑结构为一对多点的主从方式。在一 定周期内，由总线管理器( b u sa d m i n i s t r a t o r ) 负责控制整个车厢内各设备对 总线的访问。 2 3 1m v b 物理层 物理层为数据链路上的两端实体问提供建立、维护和拆除物理连接信 道所必须的( 机械的、电气的、功能的) 特性。t c n 规定了m v b 可以提供三种 不同的物理介质，它们的工作速度为1 5 m b p s 。 ( 1 ) 电气短距离介质e s d ，使用基于r s 4 8 5 标准的差动信号传输数据采用 基带曼彻斯特编码。 ( 2 ) 电气中距离介质e m d ，通过屏蔽的绞线电缆连接设备，采用变压器或 其它隔离方式，按差动方式传送，提高了抗共模干扰能力。 ( 3 ) 光介质o g f ：长距离光纤介质。 第2 章t c n 网络介绍 2 3 2m v b 信号表示 通信网上所传输的数据编码方式为曼彻斯特编码，帧数据以9 b i t 帧分界符 打头，以8 位校验序列结束。主帧和从帧使用两种不同的起始分界符。 主起始分界符是应用于主帧的起始分界符，它的序列为：( 起始位，“n h ”， “n l ，“0 ”，“n h ，“n l ，“0 ，“0 ，“0 ”) ，如图所示： 一s t a r tei h 一 1 2345678 0 5b t 扣 ln hn l。0 。n hn l。0 。0 。0 。 阳 矗h e fl iii厂 厂| l i ： i 图2 i 主帧开始分界符 从帧也有一个起始分界符作为帧头，这个分界符为从起始分界符，它的序列 为： 起始位“1 ，“l ，“1 ，“n l ”，“n h ，“l ”，“n l ，“n h ”) 信号传输分为两种类型的帧： 主设备帧，它由总线主设备( 总线管理器) 生成； 从设备帧，它是由响应主设备帧的从设备数据源发送的。 一个帧以9 b i t 分界符开始。主设备帧包含一个4 b i t 的f - c o d e ( 功能码) ， 这一功能码指明该命令及所期望的从设备帧大小，主帧还包括了1 2 b i t 地址或参 数字段。所有的设备都对主设备帧进行译码。被寻址的源从设备以其从设备帧作 回答，该从设备帧可以同时被几个其它设备所读取。主设备帧都是广播式的。 图2 2 主设备帧格式 从设备帧可以有如下5 种可能的大小：3 3 、4 9 、8 1 、1 5 3 或2 9 7 b i t 。它包括 了9 b i t 从设备帧分界符、1 6 - 6 4 b i t 的数据以及每6 4 b i t 数据为一组的8 b i t 校 验序列，如图所示。 8 第2 章t c n 网络介绍 图2 3 从设备帧格式 一个主设备帧和响应该主设备帧而发送的从设备帧组成了一个报文。 m v b 报文包括过程数据报文、消息数据报文和监督数据报文。分别由主帧与 过程数据从帧消息数据从帧和监督数据从帧组成。 报文 2 2 u s2 2 u s 4 3 u $ 2 2 ，3 3 ，5 4 1 0 2 或1 9 8 u s2 u s 4 3 u s 峪d = 主帧起始分界符e d ：终止分界符 s s d ：从起始分界符c s = 校验序列 图2 4 报文 m v b 有1 6 种报文类型，它由主帧中的f 代码来区分，见表。 表2 1f 码对应的1 9 贞数据 f 代码报文类型 ol6 位过程数据请求 l 3 2 位过程数据请求 2 6 4 位过程数据请求 312 8 位过程数据请求 4 2 5 6 位过程数据请求 5 ( 保留) 9 第2 章t c n 网络介绍 6 ( 保留) 7 ( 保留) 8 主权转移请求 9一般事件请求 1 0 ( 保留) l l ( 保留) 1 22 5 6 位的消息数据请求 1 3 组事件请求 1 4 单个事件请求 1 5设备状态请求 当主帧的f 代码为o 4 时，与逻辑地址的主帧的相应的从设备响应一个过 程数据从帧，过程数据帧由一个从设备发送，但可以由所有其它设备接收。只有 配置了与主帧中相应逻辑地址为宿端口的设备才会将数据提交到i v l v b 应用层。如 图所示。 ：瑚从帧 1 6 3 2 ，6 4 t 2 8o r2 5 6 t 瓤话 图2 5 过程数据报文 消息数据的f 代码为1 2 ，它要求主帧中含有一个设备地址，报文长度固定 为2 5 6 位。消息数据主帧包含有1 2 位的目标地址，所有从设备都对目标地址译 码，但仅是被选择的目标设备才接收该帧，并使用其中的数据。 丰帧从帧 2 5 6 位消息数据 图2 6 消息数据报文 监督数据的f 代码为8 ，9 ，1 3 ，1 4 和1 5 ，监督数据响应的从帧长度为1 6 位， 如图。特：f 代码= 1 5 为读设备状态，总线主可以轮询以检查各设备的状态。 撒从帧 1 0 第2 章t c n 网络介绍 图2 7 监督数据报文 2 3 3m v b 数据链路层 m v b 数据链路层分为两个子层： 逻辑链路控制l l c 子层； 介质访问控制m a c 子层； m v b 的介质访问为主从轮询的介质访问控制，所有设备只能在由主节点控制 的确定时间周期范围内访问介质。介质访问由单一的总线主控制。总线主是唯一 发送主帧的设备，其它设备都是从设备，它们不能自发地进行发送，只有收到了 响应的主帧之后，才能发送自己的从帧。网络中的每个节点由各自的设备地址来 标识。根据数据类型不同，主设备按照设备地址以及端口地址进行轮询。过程数 据，主设备按照每个数据集对应逻辑端口地址进行轮询；消息数据则按照设备地 址进行轮询。 协议要求从设备在接收到主设备帧后4us 之内响应出从设备帧，因此帧数 据应在发送前准备好，为达到这一目的，设备必须将其数据放置在称为端口的寄 存器中。每个设备均可以配置一定数量的端口，分别配置为源端口或宿端口。端 口分为两类：物理端口和逻辑端口，通过主设备帧的f 码来区分它们。 m v b 总线上支持两种类型的数据传输：周期性数据传输及偶发性数据传输。 图所示为总线上的时间片例子。 - 一a l 曼j 9 j 性萋哩偶錾性载孥 周期性张 多钐心、，夕 i i：- 圉_ !-围i i i i i _ 高百 时间 儡发相周期相偶发相偶发相 ” 图2 8 周期性数据和偶发性数据传送示例 周期性数据传输能保证对数据的取样进行周期性进行的传输。每一个数据源 都按照事先定义好的周期被轮询。因此数据能在准确的时间内送出。可以利用这 段时间来传送短而确定的过程数据。如，速度、电机电流、司机命令等。 在偶发性访问模式中，总线主设备利用偶发相传送相对冗长但不频繁的消息 数据和管理数据，例如诊断信息和旅客信息等。 m v b 介质访问的优点在于，它将总线上的时间片划分为固定大小( 1 m s 或2 m s ) 的时间段，称为基本周期。而每个基本周期又分为周期相和偶发相，既可以传送 对时间有确切要求的过程数据，同时也可以处理紧急数据。数据请求可以在事先 确定的时间范围内得到响应，满足列车控制系统对实时性的要求。 第2 章t c n 网络介绍 2 4w t b 介绍 绞线式列车总线是一种针对机车专用的现场总线，主要被用于在日常作业中 需要经常改变其编组的列车中连接各车辆单元。相比于一般的车载数据通信网 络，w t b 最显著的特色就是其编组自适应能力。每当列车编组改变时列车总线各 节点就执行“初运行”过程，能够在电气上重新将各节点连接起来，并自动把连 续的地址分配给每个节点。初运行以后，所有车辆均获得列车新的结构信息。 2 4 1 w t b 物理层 w t b 采用屏蔽双绞线工作速率为1 m b p s 。最多可互连3 2 个节点，最长长度至 8 6 0 m 。通过中继器也可以实现更长的距离和更多的节点( 最多6 2 个) 的连接。 w t b 介质是由不同车辆上的电缆连接器连接而成，如图所示。 口口口口口口口口口口口口口口口口：口口口口口 口口口 入ii- 1id口r：鞠oo竺ijouoooddod捌世pu口口口口l l l l ? 。j 。一一一一一一一一一一一 卜一口口口；卜一口口i 图2 9w t b 的电缆连接 w t b 节点通过介质附挂单元m a u 同传输介质连接，如图所示。单一线路的介 质附挂单元由一个线路单元、一个方向切换开关和两个h d l c 通道组成。 口口口口 口口l 图2 1 0 介质附挂单元的结构 口口2 第2 章t c n 网络介绍 2 4 2w t b 帧和报文 w t b 的总线上传输的数据都有统一的帧格式，如图所示。该格式遵守h d l c ( i s o i e c 3 3 0 9 ) 标准。 晏虽：虽薹一吕i 三i 言i 芝 口 2 口口口口 口口口口口口 图2 i iw t b 链路层的帧格式 口口口口口 口口口口口 帧开始的帧头由m a n c h e s t e r 编码器产生，由m a n c h e s t e r 译码器去掉，它不 是帧数据的一部分，长度为1 6 3 2 位，默认值是1 6 位。 w t b 遵循i s 0 3 3 0 9 定义，其使用一种循环冗余校验的帧校验序列，它对位反 相提供的汉明距为4 。通过m a n c h e s t e r 编码而带来较高的帧完整性。 从帧中自包含目标设备和源设备，因此节点无需保持跟踪先前的轮询帧，w t b 总线每个总线段都在一个主节点的控制下，其他节点为从节点。主节点自主发送， 从节点只能在收到主节点的请求时才能发送数据。 主节点发送一个包含请求的主帧，而被主帧选中的从节点则以包含其待发数 据的从帧来响应主帧，主帧和从帧之间有明确的定时关系，这样一对相关的请求 m j 应帧被称为报文。w t b 总线的每次传输都是由一个报文组成的。 第2 章t c n 网络介绍 过程数据报文 目的地址 c 妓轮询节源地址 点) ( 主节点) 主帧( 轮询) 目的地源地址 址 ( 被轮询节 ( 广播)点) 从帧( 广播) 最多1 0 2 4 位过程数据，固定格式。 dd l 捌器l 晋霞雾年f l 蜊s d i s 链路层控制字= 过程数据 消息数据报文主帧( 轮询) 目的地址源地址目的地址源地址 ( 被轮询节( 主节( 可以是广( 被轮询节 点)点) 播) 点) 从帧 ( 单点或广播响应) 最多1 0 2 4 位的消息数据 链路层控制字= 消息数据 络地址 控制字 监控数据报文 主帧 目的地址 ( 被轮询节源地址 点)( 丰节点) 目的地址源地址从帧 ( 可以足( 被轮询节 广播地址)点) 1 l最多1 0 2 4 位 d d l 器lsd | s i z 蕾i ； 蔓蛭枣攀痨j 链路层控制字= 监控数据 图2 1 2 r i b 的3 种报文格式 时间 w t b 的报文共有3 种：过程数据报文，消息数据报文和监控数据报文，由报 文中的从帧类型来决定。报文类型是由主帧的链路层控制字确定的，从帧必须与 主帧相同。分别显示了这3 种报文的格式。 2 4 3w t b 介质分配 和m v b 一样，在w t b 总线上，总线主节点负责协调介质访问，所有其它节点 只有当总线主对它轮询时才响应。在正常运行时，总线主循环工作，它把总线活 动分成若干基本周期，每个基本周期由周期相和偶发相组成。如图所示。 一 亡一 - 一 1 亡一 一 i i： 习冈冈同冈同田冈冈冈向同嘲阳冈 f f ：+ i - 1 1 - i + ： 几几一 口口口口口口口口口口口口口口口口口口口 口口7 口口口 图2 1 3w t b 数据的周期性和偶发性传输 1 4 第2 章t c n 网络介绍 为了保证确定和及时地分发过程数据，总线主在事先预定的间隔即特征周期 内，轮询每个节点的周期性数据；而在两个周期相间的固定时间内轮询节点的偶 发性数据：消息数据及监视数据。 总线主只要按顺序轮询节点的偶发性数据。为缩短搜索时间，在被轮询时， 从节点可通告它有偶发性数据待传送，则总线主在周期相后再次轮询该从节点的 偶发性数据。在每个基本周期里，总线主都要轮询其中一个端节点，检查列车网 络组成的完整性( 如列车缩短或故障) 及检测附加的节点( 如列车变长) 等。如 果端节点是总线主本身，总线主仍然轮询自己并响应它，以便让所有其它节点检 查总线主的存在。 2 5 实时协议介绍 ( 过程) 变量li呼躲答ii 多播消息 l 应膳 应用接口 接口数据集 应用层 示层 会话层 传输层 网络层 信使 过程数据端口l l监控数据i i消息队列l 铿雅 i 周期性访问ll 偶发性访问i 逻辑端口地址卜十实际设备地址 介质 图2 1 4r t p 的协议分层模型 图概括了实时协议r t p ( r e a lt i m ep r o t o c 0 1 ) 的协议分层模型。在t c n 标 准中，链路层可以提供确定性的周期访问和非确定性的偶发性访问的能力以及网 络管理。在此基础上，r t p 定义了两个独立的通信协议栈，分别为周期性通信的 过程变量协议栈和偶发性通信的消息协议栈。过程变量协议栈使用共享存储器来 连接链路层和应用层，没有其他层次，提供实时的变量通信服务。消息协议栈具 有o s i 参考模型的全部七个层次，提供非实时的消息通信服务。如下表所示。 表2 2 实时协议r t p 概要 变量消息 服雾 应用 单独访问、群访问、设置 层访问 呼叫消息j ：, z 答消息、多播消息 表j j 层 统一原语或结构化变景类型 第2 章t c n 网络介绍 会话 交谈建立，呼叫消息和应答消息 层 不存在 对 传输 以报文传输的消息、流控制、滑 层 不存在动窗口协议的错误恢复机制；多播消 息，否定应答和重试 网络 不存在分层寻址方案、目录和路由 从总线上期望的服务 链路 控制 数据集、活跃监控无连接链路层 介质 访问 周期性传送偶发性传送 链路层接口则定义了应用期望从总线上得到变量或消息的服务，而应用层接 口分别定义了提供给应用的变量或消息的服务。变量通常由周期性的过程发起， 表现为控制算法，而消息却相反，由事件驱动的过程发起，表现为诊断任务。 2 6 本章小结 本章介绍了t c n 网络的由来和其结构。分别介绍了w t b 和m v b 两