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西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着列车高速化、自动化的发展，列车通信网络已经成为列车( 尤其是 高速列车，动车组) 上控制系统中的关键技术，自主研发列车通信网络设备 具有很好的市场前景和重大的现实意义。 t c n 网络是列车通信网络的标准之一，它将列车通信网络分成可动态编 组车厢的绞线式列车总线( w t b ) 和连接车厢内固定设备的多功能车辆总线 ( m v b ) 两级结构。t c n 将整个列车的通讯设备连接成一个整体，主控设备对 整个列车的控制命令可以通过列车网络发送到各个车厢，列车的各个车厢的 信息通过列车网络返送回主控设备上显示，确保了列车上的信息通畅。 国外已经运行的高速列车上部分安装有完整的通信网络，t c n 技术已经比 较成熟。我国列车网络推荐使用t c n 标准，但目前尚处在应用积累阶段。随 着铁路跨越式发展，动车组和大功率交流机车引进和消化，对列车通信网络 的需求日益迫切。基于此本课题开展了列车网络一t c n 实时协议的研究与 实现。 本文首先全面分析和理解了i e c 6 1 3 7 5 1 t r a i nc o 皿- n u n i c a t i o nn e t w o r k ( 列车通信网络) ，在重点剖析和比较了通用通信网络的分层和t c n 网络的分 层的异同的基础上，了解和明确了t c n 网络应用层，传送层，网络层，数据 链路层等网络分层所完成的功能及实现原理。 其次，采用网络分层及模块化的设计方法对t c nr t p 的软件系统进行了 层次划分和模块划分，提出系统总体设计方案。在原来w t b 管理器硬件( 富 士通3 2 位主处理器m b 9 1 f 3 6 2 ) 和软件( 嵌入式实时操作系统“c o s i i 和链 路层驱动模块) 的基础之上进行r t p 软件系统的设计和搭建。文中分为过程 数据链路层接口，过程数据应用层接口，消息数据链路层接口，消息数据网 络层，消息数据传送层，消息数据应用层接口等几个部分进行设计和阐述。 最后，根据实际情况提出本系统消息数据网络层和消息数据传送层的测 试方案，并在现有的硬件平台上完成了模块的功能测试，给出测试结果。实 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 物仿真的结果表明设计基本达到了预期要求，为后续的工作提供了一定的参 考和基础。 关键词：列车通信网络；t c n ；实时协议；绞线式列车总线； 多功能车辆总线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1ii 页 _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - - _ _ _ 一- - - - - - - - v - - _ _ - _ _ t _ _ _ _ - a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e da n da u t o m o t i v eo ft r a i n ，t r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh a sb e c o m et h e k e yt e c h n o l o g y i nt r a i n ( e s p e c i a l l yh i g hs p e e dt r a i n ) c o n t r o ls y s t e m d ot h er e s e a r c ho ft r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kd e v i c ei n d e p e n d e n t l yh a s g o o da tm a r k e t f o r e g r o u n da n dr e a l i t ym e a n i n g t c nn e t w o r kiso n eo ft h et r a i nc o m m u n ic a ti o nn e t w o r ks t a n d a r d ， i td i v i d et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki n t ow t b ( w i r et r a i nb u s ) w h i c h c a nl a y o u tv e h i c l ed y n a m i ca n dm ，b ( m u l t i p l ev e h i c l eb u s ) w h i c hc o n n e c t d e v i c ef i x e d t c nc o n n e c tc o m m u n i c a t i o nd e v i c et h a ti nt h et r a i n ， m a s t e rc o n t r o ld e v ic ec a nt r a n s m itc o n t r o lc o m m a n dt oe v e r yv e h i c l e t h r o u g ht r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h em e s s a g ei ne a c hv e h i c l ea l s o c a nt r a n s m i tt om a s t e rc o n t r o ld e v i c et h r o u g ht r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，i n s u r em e s s a g et r a n s m iti nt h et r a i nf r e e l y n o wm o s to fh i g ha p e dt r a i na b r o a dh a sf i x e dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k f u l l y ，t c nt e c h n o l o g yh a sm a t u r e c h i n a st r a i nn e t w o r kt c n r e c o m m e n d e ds t a n d a r d s ，b u tb e c a u s eo fi t sl a t es t a r t ，i ss t i l li nt h e a p p l i c a t i o no ft h ea c c u m u l a t i o np h a s e w i t ht h er a i l w a yb yl e a p sa n d b o u n d s ，e e aa n dt h ei n t r o d u c t i o no fh i g h p o w e rl o c o m o t i v e sa n dt h e e x c h a n g eo fd i g e s t i o n ，t h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf o rt h en e e d s o fi n c r e a s i n g l yu r g e n t b a s e do nt h i ss u b j e c tc a r r i e do u tt h et r a i n n e t w o r k t c nr e a l t i m ep r o t o c o lr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f t h e a g r e e m e n t i nt h ist h e s is ，ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n du n d e r s t a n d i n go ft h e i e c 6 1 3 7 5 - 1 ”t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ”( t r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ) ，t h ef o c u so fa n a l y s i sa n dc o m p a r is o no fac o m m o n c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r kt c ns t r a t i f i c a t i o na n dh i e r a r c h i c a ln e t w o r k b a s e do nt h es i m il a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e s ，u n d e r s t a n d i n ga n dc l e a rt h e t c nn e t w o r ka p p l i c a t i o nl a y e r ，t r a n s p o r tl a y e r ，n e t w o r kl a y e r ，d a t a 1i n k l a y e r - n e t w o r ks u c ha ss t r a t i f i e db yt h ef u n c t i o na n dt h e r e a li z a t i o no ft h ep r i n c i p l e s e c o n d l y ，t h eh i e r a r c h i c a la n dm o d u l a rn e t w o r kd e s i g nm e t h o df o r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1v 页 t h et c nr t ps y s t e ml e v e ls o f t w a r ea l l o c a t i o na n dm o d u l ed i v i s i o n ，t h e s y s t e md e s i g np r o g r a m s w t bm a n a g e ri nt h eo r i g i n a lh a r d w a r e ( f u j i t s u 3 2 一b i th o s tp r o c e s s o rm b 9 1 f 3 6 2 ) a n ds o f t w a r e ( e m b e d d e dr e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ，g c o s i ia n dt h e1 i n kl a y e rd r i v e rm o d u l e ) f o rr t p b a s e do ns o f t w a r es y s t e md e s i g na n db u i l d t h ep a p e ri sd i v i d e di n t o t h ep r o c e s so fd a t al i n kl a y e ri n t e r f a c e ，t h ep r o c e s so fa p p l i c a t i o n l a y e rd a t ai n t e r f a c e ，d a t a1i n kl a y e ri n t e r f a c ei n f o r m a t i o n 。m e s s a g e d a t an e t w o r kl a y e r ，t r a n s p o r tl a y e rm e s s a g ed a t a ，m e s s a g ed a t a ，s u c h a sa p p li c a t i o n l a y e ri n t e r f a c ed e s i g na n dt h ep a r t s f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls o u r c eo ft h es y s t e mt om a k ed a t a a n di n f o r m a t i o nn e t w o r kl a y e rt r a n s p o r tl a y e rd a t at e s tp r o g r a ma n d t h ee x i s t i n gh a r d w a r ep l a t f o r mt oc o m p l e t et h em o d u l e sf u n c t i o n a l t e s t i n g ，t e s tr e s u l t sa r eg i v e n l o o ps i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e b a s i cd e s i g nt om e e tt h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t sf o rf 0 1l o w - u pw o r ka n d t h eb a siso fs o m er e f e r e n c e k e y w o r d ：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 ：r e a lt i m ep r o t o c o l ：w i r e t r a i nb u s ：m u l t i p l ev e h i c l eb u s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密晌用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：酬 日期：叫身钥问 l 仍磊 彳r：f 名 ，、 签 (铆，臌唧 老 ： 导期 乜日 j 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 t c n 实时协议网络层中的路由算法。 2 t c n 实时协议传送层中对于数据的处理。 嚣焉芎：刊 醐。砷、彳厂i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景及意义 随着我国铁路运输的发展，高速、重载、安全和舒适性对列车控制系统 提出了更高的要求。现代列车控制技术正朝着微机化、网络化和智能化方向 发展。目前，铁道机车车辆、城市地铁、轻轨车辆技术大力发展，列车通信 网络技术已经成为列车实时控制和各类信息的传递的关键。机车车辆的发展 必须有网络技术的支持。列车网络技术的运用，不仅可以节省列车连线、减 轻列车总重，而且可以提高系统集成度、可靠性和可维护性【1 1 。 在列车上存在着大量设备控制和旅客服务的信息。由于这些信息的数量 和种类不断增长，就迫切需要一种大容量，高速度的信息传输系统。在这种 背景下，从上世纪8 0 年代中期起，一些大的铁路运营商纷纷用现场总线来连 接列车中由计算机控制的智能部件，从而产生了多种形式的列车通信网络， 例如l o n w o r k s 总线网络，c a n 总线网络。为了建立一个统一的标准，1 9 9 9 年 6 月，国际电工委员会( i e c ) 制定了一项规范铁路车载设备数据通信的标准， 即列车通信网络( 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 ) i e c 6 1 3 7 5 - i 【2 。列车 通信网络( t c n ) 的标准化对目前和将来的开发提供了一个良好的理论基础和 依据。由于它是针对列车控制而制定的一套协议，相比其他的网络协议，在 列车上的应用中具有十分明显的优势。 列车通信网络逐渐成为保证列车控制有效性，安全性及旅客舒适性必需 的组成部分。自主研发列车通信网络设备具有很好的市场前景和重大的现实 意义，同时为了填补国内在这方面的技术空白，也是十分必要的【3 】。本论文 的研究方向就是在这样的一个背景下提出来的。 1 2 列车通信网络概述与对比 列车为保证旅客乘车的安全与舒适，需对机车和车辆的各种设备进行可 靠的控制，监测和诊断。随着现场总线技术的发展，这种过程控制己从集中 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 型的直接控制系统发展成为基于网络的分布式控制系统。 目前，国内外先后用于列车网络控制的总线以c a n 、a r c n e t 、t c n 、 w o r l d f i p 、l o n w o r k s 为主。它们的发展及特点如下。 1 c a n 标准 c a n 是由德国公司在2 0 世纪8 0 年代末提出的控制器局域网，最初要作为 汽车上各电子控制装置e c u 之间的信息交换网络。1 9 9 3 年，c a n 成为国际标 准i s 0 11 8 9 8 ( 高速应用) 和i s 0 11 5 1 9 ( 低速应用) 。近年来，c a n 与c a n o p e n 协议在轻轨、地铁、货车等轨道车辆及车门、空调、倾摆、制动、牵引以及 旅客信息等控制子系统中获得了广泛的应用，如德国货运和法国国铁货车车 辆网络，s i e m e n s 、a l s t o m 、b o m b a r d i e r 、f i a t 、s t a d l er a i l 、g e 等公司在 其内燃机车、轻轨车辆、地铁等项目中使用了c a n 和c a n o p e n 4 5 1 。 c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，非常适合用在 列车网中的设备总线。 2 a r c n e t 标准 a r c n e t 最初由美国d a t a p o i n t 公司于1 9 7 7 年成功开发并用于办公室局域 网中。后来以太网的发展取代了它，但是由于a r c n e t 网络的时间确定性，数 据传输可靠性和组网灵活性，使其在嵌入式系统中得到了很好的应用。 日本的铁路运输业十分发达，但由于日本地形十分封闭的特点，其列车 控制网络技术模式不同于欧洲，而采用了一种适用主义的技术路线：列车总 线采用实时的a r c n e t 令牌环型或梯型网络，而车辆总线则采用基于皿l c 的 r s 4 8 5 总线，同样满足了包括新干线高速列车在内的各种列车的控制需求， 且具有较高的性价比【6 】。 3 t c n 标准 为实现车载数据通信的国际标准化，国际电工技术委员会i e c 于1 9 9 9 年 通过了一项列车通信网络专用标准一- - t c n ( i e c 一6 2 3 7 5 - 1 ) 。该标准将列车通 信网络分成用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通信网络w t b ( 绞线式 列车总线) 和用于连接车辆内固定设备的车辆通信网络m v b ( 多功能车辆总 线) 两级总线的层次结构，它的每个节点包含网络适配器都起着网关的作用。 车辆总线以a b b 的m i c a s 车辆总想为蓝本，而列车总线以西门子的d i n 4 3 3 2 2 和意大利的c d 4 5 0 为基础 7 】【8 】o 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 由于t c n 是专门为列车通信网络制定的标准，在实时性，可靠性，可管 理性，介质访问控制方法，寻址方式，通信服务种类等方面有着一定的优势。 其核心技术又是由西门子，a b b 等公司联合开发，而且是在已经通过实践验 证了的技术基础上制定的标准，因此，t c n 标准得到了s i e m e n s ，f i m a 以及 a d t r a n z 等公司联合开发项目的支持，同时得到了一些控制部件供应商的开 发支持，除s i e m e n s ，a d t r a n z 外，芬兰的e k e 电子公司、意大利的f a r - s y s t e m 公司以及捷克的u n i c o n t r o l 公司都开发出了符合t c n 和u i c 标准的网关产 品，瑞士的d u a g o n 等公司则开发了基于f p g a 的系列m v b 网卡和i o 设备， 用户可以通过购买网络部件来进行t c n 网络控制系统的集成和应用开发。国 内也引进了相应的技术，先后用于“先锋”，“蓝箭 ，“中原之星”，“中华之 星 等动车组【9 】。 4 w o r l d f i p 标准 w o r l d f i p 前身是法国标准的( f i pf a c t o r yi n s t r u m e n t a t i o np r o t o c 0 1 ) 现场总线技术，后经w o r l d f i p 用户组织推荐，于1 9 9 9 年被采纳为现场总线 国际标准i e c 6 1 1 5 8 2 ，现在w o r l d f i p 是欧洲现场总线标准e n 5 0 1 7 0 - 3 和 i e c 6 11 5 8 t y p e 7 。 w o r l d f i p 是开放的现场总线，产品的设计者、用户或集成商都可以得到 w o r l d f i p 组织的技术培训、一致性测试等支持。用户组织目前有1 0 0 多个成 员，经过十多年的应用与改进，已经是一项完全成熟的技术，具有品种齐全 的通信部件、产品和开发工具。w o r l d f i p 在带宽的分配和提供的服务非常灵 活，具有极强的抗干扰能力，能完全满足i e c 关于电磁兼容性的e m c 标准； 通信模式支持后台传输消息、周期和事件变量，保证诊断信息传输不影响实 时控制；w o r l d f i p 可用作列车总线和车辆总线【1 0 i 。 w o r l d f i p 在轨道交通领域的应用由a l s t o m 公司主导，并在高速铁路机车 动车组、地铁列车等关键项目上获得了广泛应用。 5 l o n w o r k s 标准 l o n w o r k s 是美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出的全开放智能分布式测控网络 技术，1 9 9 7 年5 月，美国铁路协会a a r 将l o n w o r k s 作为其列车内部通信规 范，编号为s - 4 2 3 0 ，1 9 9 9 年8 月，i e e e 将l o n w o r k s 作为其制订的列车通信 协议标准i e e e l 4 7 3 - 1 9 9 9 的一部分，即i e e e l 4 7 3 一l 。 l o n w o r k s 具有带宽利用率高、单点故障不影响网络通信和节点可灵活进 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 退网络的优点，7 层协议保证它具有局域网的基本功能，与异构型网的兼容 性比现存的任何现场总线都好，还提供了与l a n 互连的接口【1 1 1 。 美国铁路运输业有辉煌的过去，而目前主要以重载货运为主，其列车控 制网络技术以实用为原则，大量采用l o n w o r k s 、c a n ，无线网络等通用或在 通用技术基础上的改进技术，也较好地满足了铁路运输的需要。l o n w o r k s 的 应用如美国新泽西轻轨“彗星 号列车、旧金山湾地铁( b a r t ) 制动系统监视 器和自动列车控制系统，a l s t o m 公司机车牵引力系统、加拿大b o m b a r d e r 和 日本川崎等公司开发的列车通信网。 1 3t c n 网络国内外的研究状况 在国外，列车通信网络( t c n ) 的核心技术由西门子，f i r e m a ，k e g 和a b b 组成的联合开发组开发，其中包括共同开发网络专用的芯片( m v b c 0 1 ，m v b d ， a m e d ) 以及网络实时协议( r t p ) 软件；一致性测试得到欧洲铁路联盟( e r r i ) 组织的机车测试项目( r o s i n ，t r a i n c o m ) 的支持【1 2 1 。 t c n 标准在国外尤其是欧洲已经相当的普及了，t c n 网络技术得到了很多 供应商，如k n o r re l e c t r o n i c s ，w e s t i n g h o u s eb r a k e s ，i f e ，d e u t a ，f a i v e l e y ， s e c h e r o n ，s e l e c t r o n l y s s ，h o l e c 等的支持。目前，国外已开行的高速列车， 如德国的、法国的、日本的新干线等高速列车都装有完整的通信网络【”】【1 4 】。 t c n 标准的项目主要有：( 1 ) 西门子的t c n 项目，如捷克的布拉格地铁，美 国的s a nj u a np u e r 一0r i c o ，德国铁路摆式动车组，d b b r l 5 2 ，i c e 3 高速电 动车组，等j ( 2 ) a d t r a n z 的t c n 项目，如m v b ：瑞士的s b b l o k 4 6 0 1 2 3 ， i c 2 0 0 0 ，挪威的n s b i c 7 0 e m u ；w t b + m v b ：德国的l r um a n n i t e i m ，b r i o i ，e t 4 2 3 ， 挪威的g a r d e m o n ，瑞典的斯德哥尔摩地铁列车等。 我国虽然把i e c 6 1 3 7 5 - - 1 国际标准等采纳为铁路行业标准之一，并且近 年来随着国内交流传动高速列车、电动车组、城市轨道交通车辆研究工作的 开展，国内也加紧了对这一标准中关键技术的研究。一些单位也购买了国外 公司的t c n 产品和开发工具，并在相关动车组和电力机车上得到了应用。但 是，总体上来讲，国内的列车网络控制技术是在技术引进的基础上发展起来 的，其技术的开发和应用水平还比较低。由于国外厂商只愿提供产品而不愿 转让关键技术，以及难以购买网络专用芯片等种种原因，目前，国内的应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 仍然停留在直接使用国外产品，或者用国外设计好的设备进行系统集成的水 平上，具有自主知识产权的t c n 网络产品不多【l5 1 。其结果是不仅费用昂贵， 而且在系统的安装，调试，维护等方面都存在各种各样的问题。因此，研制 出符合t c n 标准的列车通信网络产品以满足标准化、国际化的要求来增强企 业的竞争力是每个企业所迫切希望的。由此可见，研究有自主知识产权的t c n 网络产品势在必行。 1 ：4 论文的内容和结构 本论文在前期完成的w t b 管理器软件的基础上展开。t c n 实时协议规定 了数据链路层以上，应用以下( 包括网络层，传送层，会话层，表示层，应 用层各层) 的数据处理和传送。论文在分析和理解t c n 实时协议的基础上， 提出了实时协议总体设计方案，根据总体设计方案完成了详细设计，实现了 传送层到链路层之间各层的数据通信。最后给出相应的测试结果和结论。 第一章，介绍了课题的研究背景及意义，列车通信网络的概况，国内外 在列车网络上的研究，论文的内容和结构等内容。第二章，介绍了t c n 实时 协议，横向包括过程数据和消息数据，纵向包括t c n 网络的各个分层。第三 章，根据协议规定的t c n 网络的各个分层，设计网络层，传送层等各层具体 内容。第四章，描述了t c n 实时协议的部分实现，给出部分测试结果。最后 给出结论并对后续的工作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章t c n 实时协议的研究 2 1 概述 i e c 6 1 3 7 5 - - 1 协议，定义的列车通信网络( t c n ) ，包括第一章总则、第 二章实时协议、第三章多功能车辆总线、第四章绞线式列车总线、第五章 列车网络管理、附录at c n 结构导引、附录b 一致性测试导则。其中，多功 能车辆总线和绞线式列车总线定义的是数据链路层的协议。实时协议定义的 是数据链路层以上，应用进程以下( 包括网络层，传送层，会话层，表示层， 应用层) ，各层的内容。 实时协议( r t p ) 为一个应用进程与另一个应用进程在列车通信网络上通 信提供协议和服务。这两个应用进程可以位于不同车辆上、在同一个车辆内 或在同一个设备内。实时协议可用于多功能车辆总线、绞线式列车总线或有 相同基本服务的其它总线的通信。 图21 展示了由不同类型的车辆构成的列车，其中一个车辆用多功能车辆 总线( m v b ) ，一个车辆用未规定的车辆总线，一个车辆上没有车辆总线。列 车总线可以是绞线式列车总线( w t b ) ，也可以是其它总线。如果所有设各都 遵守实时协议，在设备间进行数据传送，就不需要进行协议转换。 送。 _ _ 1 工【岛 0 00 00 00 00 00 0 图2 - i ：列车通信网络上的数据传送 t c n 总线上支持两种类型的数据传送：周期性数据传送和偶发性数据传 周期数据在一个特征周期的周期相内周期性的发送，周期相在每个基 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 本周期中占有固定的部分，在周期相中总线主按一定顺序轮询各设备 以获取周期性数据，这种通信称为周期性通信。 偶发性数据，它是在两个周期相的间隔中按需要传送的数据，这种通 信称为偶发性通信。两个周期相间的间隔称为偶发相。 图2 2 是周期性数据和偶发性数据传送的示例： 一 基本周期 1 一 基本周期 _ 周期相 一偶发相- 卜 一 周期相 监视相 消息相 监视相 消息相 过程数据轮询 过程数据轮询 12 l 3 i 45 l 67s d m dm d ，l 23 l 4567 s dm d 一卜 图2 - 2 周期性数据和偶发性数据传送的示例 t c n 协议的分层结构图如下所示： 问 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 应用层 表示层 会话层 传送层 网络层 数据链路层 至妇 o s i 模型 变量 应用层接口 应用变量适配器 ( a v a ) 空 消息 应用消息适配器 ( 舢) 单播多播 ( 表示层) 会话层 过程数据( l p a ) 过程数据( l m a ) 端口 t c n 模型 图2 3 ：实时协议分层结构图 实时协议分层的具体阐释见下表： 表2 - 1 实时协议摘要 实 时 协 议 总 线 特 定 的 变量消息 应用单个访问呼叫消息应答消息多播消息 群访问 组访问 表示统一的，起始的和结构化的变量类型 会话不存在会话建立呼叫消息及应答消息对 传送不存在消息分段成包，通过滑动窗口协议 的流量控制和差错恢复多播消息 中，允许否定应答和再次传送 网络不存在层次寻址机制，索引和路由选择 期望来自总线的服务 链路层控数据集，刷新管理无连接的链路层 。口队口 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 制 l 介质访问周期性传送偶发性传送 t c n 提供三种链路层服务，包括进程数据，消息数据，监视数据。其中 进程数据是周期性传送的数据，消息数据和监视数据是偶发性传送的数据。 相应的上层提供三种服务，变量，消息，网络管理，其中实时协议部分包括 变量和消息两种服务，可由图2 - 4 说明： 应用层 信使 链路层 介质访问 物理层 图2 4t c n 服务 2 2 过程数据( 变量) 实时协议为时间紧迫的数据或进程变量在列车通信网络上的传送提供变 量服务，变量服务依赖总线对所有设备广播源寻址的能力。进程变量表示物 理进程的状态，传送它们的目的是为了监视、控制和命令。 t c n 用分布式进程数据库的概念，为进程变量提供传送服务。按这种概 念，不同设备中的应用进程可以访问好似位于一个全局数据库中的进程变量， 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 每个设备都有各自的进程变量，它的产生或消费在被成为通信存储器的共享 存储器中，是网络产生的全局数据库的本地的部分拷贝。于是进入分布式数 据库的变量也分配到所有其他拷贝上，产生那个变量的应用称为发行者，而 接收那个变量的应用就是用户。总线负责该数据库的现实化。 图2 5 是一个几个应用进程操作共享存储器的例子，其中有四个应用进 程，应用进程2 暂时执行其它任务。应用进程3 修改一个进程变量，应用进 程3 把值放在它的通信存储器中，然后执行其它任务，一会总线就修改数据 库。为此，源设备总线控制器读出该值并在总线上广播，而用户宿设备的总 线控制器将接收的值存储到它们的通信存储器中，改写了以前的值。过一会， 应用进程1 或应用进程4 从通信存储器中取出该值。 所有的实体，发行者，总线和用户是异步工作的( 如果需要，也可同步) ， 大部分情况下是循环的，但可能有不同的周期。 图2 - 5 变量传送和端口 进程变量有较小的长度，二进制变量用1 位或2 位来表示，大部分的模 拟变量用1 6 位表示，由于单个传送它们的效率很低，因而将同一设备产生的 几个进程变量，组合成进程数据帧来发送。 总线的广播能力提供了一个有效的现实化的分布式数据库。由于同一进 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 程数据常有几个地方需要它，进程数据采用广播可增强通过能力。进程数据 可由它们的源地址标识，而不采用目标地址标识，因而被称为源寻址广播。 总线主广播个含有进程数据帧标识符的主帧，这些进程数据的源设备 响应广播一个从帧，所有其它设备接收该从帧。所有设备都对从总线上接收 到的这些进程数据有兴趣。直观的说明如图2 - 6 所示。 轮嘲 用j - l其它的霞 7 舌 其它酌 月j ，。明户 ( 酞) ( 从)( 从)( 从) 昀晚 刊彳。叫1 毒叫了 信 - l l 5 墓站 i，jj。 - 一 过程数据o从帔 图2 - 6 源地址进程数据广播 由于进程数据是用源标识的，组态是在正常工作之前进行的，这样就保 证总线主，源设备和宿设备三者对给定标识符的数据格式和含义的一致性。 总线主通常不参与数据交换，它只起中介作用。担任总线主的设备也可以作 为从设备工作，像任何其他设备一样参与通信。 源从设备立即响应总线主的轮询，不允许其它设备发送，因而在总线主 轮询后的很短时间内来自从设备的进程数据就可以到达。同样，应用读写变 量的时延只有几个微秒。这么短的应答时延需要应用和网络间有共享存储器， 并保证同时访问不影响坚固性。源应用把它的进程数据放入端口，端口时处 理整个总线帧的寄存器，总线上的主帧寻址一个源端口和多个宿端口，源端 口和宿端口有同一标识符，虽然它们属于不同的设备。端口保证当总线和应 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 用处理器同时访问时数据读出的坚固性。这要求端口至少由两个交替工作的 页面组成。端口也提供控制方向，数据刷新及中断的方法，这由附属于每个 端口的端口控制及状态寄存器来实现。一个设备的端1 3 位于通信存储器中， 它是应用处理器和总线控制器共享的存储器。在简单设备中，没有通信储存 器，端口简化为寄存器。 图2 7 为有8 个端口的典型的通信存储器。 总线 图2 7 端口和通信存储器 通信存储器中含有寻址端口的方法，由于一个设备可以时具有许多宿端 口和源端口的用户。从总线上接收的端口地址译码采用查表法，即查端口索 引表。 由于进程变量用于时间紧迫的控制闭环中，它们的传送应有相对严格的 定时。为此，进程数据采取周期性的传送，其频度取决于它们的紧迫性。进 程变量可以周期性发送，也可以按需发送。周期性传送时不论其值改变与否 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 都进行传送，相反非周期传送时仅当数据值改变时才传送。 周期性传送似乎是一种浪费，即使从上次采样后没有改变，进程数据 仍需采样。周期性数据的缺点是它占用总线带宽的一个固定的部分。 由于工作中，数据帧结构不能改变因而它相对不太灵活。这样就要对 数据格式加以某些限制。 非周期性数据是按需发送的，这种传送与事件有关。二进制变量数值 改变，作为一个事件易于申报，而对模拟变量却是非常困难的。非周 期数据的优点是只当它们需要发送时才占用总线带宽。进一步的应用 扩展相对容易些。相反，它们在不利条件下的分发时延是不能保证的， 因为它们是按需才传送的。 周期性数据和非周期性数据在恢复进程中的区别是显而易见的： 如果周期性数据丢失，不需要恢复。偶然性丢失数据不会引起麻烦， 下一周期将有刷新了的数据，丢失的数据可看成是噪声。这也隐含 者仅转送变量的状态，但不改变状态。 如果非周期性数据丢失，丢失项应重复传送，因而每次传送需要有回 答。 无论是周期性数据还是非周期性数据，接收器应检查进程变量是否周期 性地刷新，以便应用能处理过时失效的数据。这意味着即使是非周期性数据 也有某些刷新。因而有必要在初始化时或是被故障建立车辆整个状态的映象。 基于这些理由，列车通信网络支持进程变量以一个固定的周期，周期性 的传送，当需要非周期性数据时，列车通信网络提供由用户负责的消息服务。 2 。3 消息数据 列车通信网络为两层体系，第一层是连接各车辆的列车总线，第二层是 连接同一车辆内各设备的车辆总线，其结构如下图所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 源 列，i ：总线 目标 ， ii li 一 li 节点节点 节点 ( 网关)( 嗍关) ( 蚓关) 目标 、d_ i l 渊 l _ 1 一 l 。 一1 i ll g_ 1 慧 一 目标 - 最终实体 l 嗣 - 设备羽 蓦 一 i 番 il 一 - 1i喜 源_一起始实体 - j i 萋 一 lj 图2 8 歹u 车总线和车辆总线结构 呼叫者用发送呼叫消息来启动消息交换的应用。呼叫消息被转发到网络 上的另一个应用，即应答者，它注意呼叫消息的到来。呼叫者是呼叫消息的 生产者；应答者是其消费者。应答者接受呼叫消息，并给呼叫者返回一个应 答消息。呼叫者也注意应答消息的到来。应答者是应答消息的生产者；而呼 叫者是其消费者。一次会话由呼叫消息和相关的应答消息组成。包由起始站 发送，而由终点站接收。 数据包和控制包通过链路层的消息数据服务进行交换。在同一总线上， 包以帧的形式从源设备传送到目标设备。消息也可以采用多播协议发送，此 时，没有应答消息。系统消息指经营者与代理者之间为网络管理所交换的呼 叫消息和应答消息。它们互相间按它们的系统地址来标识。用户消息是在用 户应用间交换的消息，它们互相间按它们的用户地址来标识。 消息服务允许一个应用按需对另一应用发送任意长度的数据，另一应用 可位于其它车辆上，其它设备上或在同一设备内。提供消息服务的设备称为 站。一个站可支持多个应用。在一个站内，同一应用可有几种拷贝或应用事 例。概念上说，t c n 的所有应用是作为独立的进程并行运行的( 进程可按任 务、线索表或类似结构来实现) ，为此，术语“应用进程”用于标识消息的终 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 端用户。按寻址方式不同，应用进程有两种类型。1 ) 用户进程执行功能，完 成控制系统的实际工作。本标准不规定功能，但用户可以在企业标准( 如u i c 活页5 5 6 ) 中作出规定。2 ) 给网络管理的两种应用进程：每个站中的代理者 执行网络管理功能，如下载，象远程经营者那样。代理者仅是每个站中才有 的应用进程。经营者发布代理者须执行的请求，代理者可以和经营者在同一 站中，也可以在不同站中。代理者应响应这个请求。只有管理站中才有经营 者。通常经营者与代理者通信，用户进程与其它用户进程通信。但交叉通信 也是可能的。 信使：在每个站中协议由信使执行，概念上说，信使作为独立的进程与 应用并行运行。呼叫者通过应用层接口给信使发送一呼叫消息。信使的 会话层打开( 过一会关闭) 连接。传送层把消息分成数据包序列并发送 到网络层。包的长度应小到足于适应总线帧。网络层查阅它的功能和站 索引，译出包地址并将包转发到链路层。远程信使将给应答者一个完整 的消息已经到达的信号，应答者将在相反方向上用应答消息作回答。生 产者和消费者的传送层执行消息传送协议，实现流量控制和差错恢复以 避免包的丢失或包的重复。如果两个应用驻留在同一站内，则会话层可 简化网络并避免消息分段。例如，用户应用可给代理者发送一个消息来 请求它服务，而无须寻址网络。每个站的信使执行传送协议。生产者的 信使将消息分成若干数据包，而消费者侧的信使用控制包的方法来确认。 参考站：能够提供消息服务的设备，包括3 个要素：1 ) 至少连接一条总 线，能够通过l p i 访问，能够实现链路层进程；2 ) 一种在网络层，传送 层，会话层，表示层和应用层实现的协议机制，称为信使；3 ) 一个或多 个应用进程，其中之一作为网络管理代理者。参考站又可分为两种情况： a ) 终端站，只连接一条总线的站或者终端站只有一个链路层，终端站的 网络层只访问自己的传送层和链路层；b ) 路由器站，连接到几条总线的 站或者路由器站，每一条总线都有一个链路层，路由器站的网络层能够 将包从一条总线送到另一条总线。图2 - 9 和图2 - 1 0 直观的说明了终端站和 路由器站。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 图2 - 9 终端站 应用进程 信使 路由索弓 链路层进程 物理层介质 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 应用进程 信使 路由器 链路消息数据适配 链路层进程 - i 、，b 物理介质 图2 1 0 路由器站 站标识符：站由站标识符( s t a t i o n i d ) 来标识，由于每个站可能只有 一个代理者和一个经营者