（电力系统及其自动化专业论文）列车通信网络底层协议研究与实现.pdfVIP

乾衷交通丈学磺量论文摘要 其物理层彝数据链辨层协议进行了分掇。 然后，引入s o c 的概念，结合i e c 6 1 3 7 5 1 网际标准，提出了实现 m v b 链路屡的网卡设计目标。根据设计目标，将整个控制器系统的开 发进行了模块化的分解，然后在对每个子功能模块进行了深入分掇的基 础上，采用v e f i l o gh d l 硬件描述语言编程，给蹴了爨体i p 模块的解决 方法，并在成功仿真厝，将这些模块下载至f p g a 。 接藿，缝合实验塞现鸯豹网终节点瑗境，剃麓掰设诗的总线逶僖控 制器，提出将m v b 网络应用于连接各功能节点的总线网络方案。并将 本设计网卡与d u a g o n 公司的网卡进行了功能等方面的比较。 最后，本文提出了g l 入0 s 软孩豹概念，搬窭该网卡中还窍特改 进的遣方，难今后的工作进行了展望，并提出了建议。 关键词：髓n ，鹾v b ，总线遥傣控制器，臻核，f p g a 北京交通大学硕： 论文 a b s i r a c t r e s e a r c 珏a n dr e a l l z a ：r i o no f p 薹t o c o lo f 薯r a i nc o m m u n i c a h o n n e t w o r kb o t ，i o ml _ a y e r s a b s t r a c t t c n ( t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o i k ) 主sac o m m 珏n i c 礤o n e 船o r kf o i n n e 确ge l e c t r i ce q u i p m c n t si nat r a j na c c o r d i n gt oi e c6 1 3 7 5 t h e g c n 髓a 王a r c h i t e c 组r eo ft k n 证d u d e st w ob u st y p e s ：悯( w i r e dt r a i n b u s ) 8 i l dm v b ( m u l t i f u 珏c l i o nv e h i c l eb u s ) w t bj n e c o n n e c t sv e h i c l e so f at r a i n ；m v bi n t e r c o n n e c t se 耙c t r o n i ce q u i p m e n tw i t h i nav e h i c l e 。m v bi s b r o a d l y 珏s e d 繇di t i s 氇ef o u n d a t i o no ft c n ，m v bc o m m u n i c a t i o n c o n t r o e r ( a d a p t o r ) t a k e s 如a f g co fs i 辨a l f a 珏s i l i o no fp h y s i c a ll a y c i p e r f b 棚st h ep t o t o c o lo fl i n kl a y e r ，a i l dp r o v i d e s 攮es o f 孵a i n t e 瞧c ef o r c p u ；i ti st h ek e yo fm v bf e a l i z a t 主0 n n 0 w a d a y s ，t h ed e v e l o p m e n to fm v b a d a p t e ri no u rc o u n t f yi si ne l e 玎日0 n t a r ys t 鑫g e ，a n di lh a sb e e nm o n o p o l i z e d b y f e wc o m p a n i e si no t h e fc o u n 垤i e s ，t h i s l u a t i o nm a k e sa g a i n s lt h e d e v e l o p m e n to f 删nn c 晰o r ki no u rc o u n t f y t h i st h e s i si sb a s e do nt h e f e s e a r c ha n dd e v e l o p i n gp r 。j e c lo fm o r ( m i n i s t f yo fr a i l w a y ) 一“r e s e a r c h o f b o t t o ml a y e r sp f o t o c o la n dk e y t e c h n o 王o g yo ft c n ” 北柬交通丈学碗士论文 a b s t r a ( x w “ht h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to fe d aa n ds o c ( s y s t e mo na ( 、h j p ) ，m o d e me l e c t r o n i ct e c l u l o l o g yd e s i g nb e c o m e sm o r ea n dm o r e i n t e 掣a t i n 昏m 蛆y s i m i i a ri n t e r f a c e c h i p s c a nb es u b s t i t i l t e d b y l p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e n y )c o r e so fa s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ) ， t h u sc a i lb em o r ef i e x i b l ei nt h ef i e l do f c o n t r 0 1 l i n g a n d c o m m u n i c a t i n gw i t hu s e r s t h i st h e s i sp r e s e n t st h ed e s i g no fr e a l i z i n gt h e i c l a s sm v b a d a p t e l t h ep r i m a r yw o r ko ft h et h e s i si sa sf o l l o w i n g f i r s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h es t n l c t u r ea n dp r o t o c o lo ft c n ，a n d t h e na n a l y z e st h ep h y s i c a ll a y e ra n dt h ep r o t o c o lo f1 i n kl a y e l s e c o n d ， b y i n t r o d u d n g t h e c o n c e p t i o n o fs o c ， a c c o r d i n g t o i e c 6 1 3 7 5 - 1 ，t h en l e s i sg i v e st h es c h e m eo fd e s i g n i n gm v ba d 印t o lw i t h t h i ss c h e m e ，t h ew h o l ec o m r 0 1 l c rs y s t e mi sd i v i d e di n t os e v o r a ls u b f u n c t i o n m o d u l e s c o n c r e t es o l u t i o n sa r eb r o u g h tf o n v a r da f t e ri n d e p t t la n a l y s i so f e v e r ys u b - f u n c t i o nm o d u l e b yu s i n gv 宅r i l o gh d l h a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ，t h em o d u l e sa r es i m u l a t e ds u c c e s s f u l l y ，a n dd o w n l o a di n t of p g a t h e n ，t h et h e s i sa i i a l y z e st h en e t w o r ks i t u a t i o no fo l l rl a b ，p f e s e n t st h e p l a nw h i c hu s e sm v bt oc o n n e c tt h en o d e s ，a n dc o m p a r e dt h ed e s i g i l a d a p t e rw i t ht h em v b co fd u a g o nc o m p a n y - a tl a s t ，b yu s i n gt h e n c 印t i o no fn l d ss o f il pc o f e ，s o m e s u g g e s t i o n st of u t u r ew o r ka r cp u tf b 聊a r d k e yw b r d s ：t c n ，m v b ，c o m 删n i c a t i o nc o n t f o h e r i pc o r e ，f p g a 北京交通大学硕士论文符号说明 符号说明 i c n ：r r a i nc o m m u n i c a 撖mn e l w o r k ， 列车遵信网络。 w t b ：w i f e dt r a mb u s 。 绞线式列车总线。 m ：m u l t i f u n c t i o nv 曲i d eb u s 多功能车厢总线。 w i i p ：r e a lt i m ep r o t o c 0 1 s ， 实时协议。 i e c ：l 建l e r 珏a t i o n a le l e c 主t e c h 羲i c a l 国m m i s s 黼 国际电工技术委员会，同内瓦。 s o c ：s y s t e mo a c h i p ， 片上系统。 i p ：i n t e l l e c t u a lp r o p e n y ， 直译为知识产权，引申为专粥集成电路芯片知识产权。 a s l c ：a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g 豫t e dc i r c u 至l ， 专用集成电路。 s o p c ：s y s t e mo nap r o g f a m m a b l ec h i p ， 片上可编程系统。 l l c ：g i c a ll i n kc o n t m l ， 逻辑链路控制，数据链路层的一个子层。 北京交通人学硕上论文符号说明 m a c ：m e d l u ma c c e s sc 0 n t r 0 1 介质访问控制，数据链路层的一个子层。 i s o ；i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d0 唱a 1 1 i z a t i o n ， 国际标准化组织，同内瓦。 o s i ：0 p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ， 开放系统互连。 c r c ：c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ， 循环冗余校验。 北京交通大学硕士论文 第一章 第一章绪论 列车透信鼷络是面向燕剖豹种连接车载设各豹数据通信系统，楚 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、控制技本、设备故障诊躜技术、嗣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各层次各单元之间相连接，作为 系统信惑交换和共享的渠道，实现全歹习车邵境下豹信惑交换。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 车系统的信息佬努下了基础。 列车通信网络( 包括地铁列车、城市轻轨列车上的通信网络) 是面向 控制的一种连接车载设备的数据遴信系统，是分布式列车控制系统豹核 心组成部分。铁路列车以及地铁、城市轻轨列车对标准车载数据通信系 统的需求也可以看作是整个工韭赛对标准豹现场设备数据遴信系统需 求的一个缩影。 1 1t c n 列车通信网络 1 9 9 9 年，l e c6 1 3 硝标准提出t c n ( t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e m o r k ) 具有两级总线的层次结构，即用予逶接各节田动态编维的车辆的绞线式 列车总线w t b ( w i r et h i nb u s ) 和用于连接车辆f 或固定编组的车辆单 元) 内部各种设备的多功能车辆总线m v b ( m u l t i f u n c t i 衄v e h j d eb u s ) 。 它们之间的列车总线节点起着网关的作用。w t b 和m v b 在制订的初 北京交通人学硕上论文 第一章 期就有明确具体的列车级和车辆级的数据通信应用需求，这些需求包 括：实时的变量通信；非实时的消息通信；列车编组的自适应能力；网 络的可靠性；网络的可管理性。结构如图1 1 所示。 w t b 和m v b 的物理层和链路层是不同的，但它们遵循相同的实 时协议r t p ( r e a lt i m ep r o t o c o l s ) 。r t p 提供过程变量和消息变量两类 通信服务。 图1 1 列车通信网络结构 f i g l i r e1 - 1a r c h i i e c l u r eo ft r a i c o m m u n i c a i i o nn e t w o r k 1 1 1 实时协议 列车车载设备间的数据通信一般用于下列的几个方面。 列车牵引制动控制和车辆的控制( 如车门、照明、空调等) 远程设备监控、诊断和维护 旅客信息与旅客服务( 如定座、广播、列车运行信息等) 这几类通过列车通信网络交换的数据可归纳为两类。 1 时间关键但较小的过程变量数据，这类数据反映列车状态：如 速度、电动机电流、操作员的命令等，通常被用于过程的监视、控制和 命令。过程变量传输是实时的，即其传输时延必须在确定的时限内，否 北京变通大学硕士论文第一章 则将导致错误的结果。 2 不频繁传送、但可能冗长的消息数擐，例如诊断或旅客信息。 信息的长度在几个到几于字节之问。消息是非实时的，冀传输时延短， 但允许变化。 1 1 2 w 碍网络 w t b 是在德国d i n v 4 3 3 2 2 和意大利c d 4 5 0 高速列车的总线基础 上发展来的，w t b 发送的数据采用曼彻颠特编码，其通信速率为1 m b 口s 以群蔽双绞线为介质，无需中继器即百，传输8 6 0 m ，连接3 2 个节点。 w t b 支持更长的传输距离和最多6 2 个节点。 w 髓j 最显著的特色，是它的以连接顺序绘节点鑫动编号和让所有 的节点识别何处是列车的右侧和左侧的能力。当列车组成改变时( 例如 连挂或摘除车辆) ，列车总线各节点执行初运行过程，该过程在电气上 褥各节点连接起来，并绘每令节点分配连续地址。扔运行嚣，所有车辆 均获褥列车的缩构信息。 w t b 总线主设备节点负赞介质访问，其它所有设备都是从设备， 只在主设各轮询眩响应，轮询时不必进行仲裁。主设备冗余要求有一个 后备主设备。这两个主设备物理上是独立的，并通过直接相连实现同步。 后备主像主设备样工作，但不发送帧。它脓督主设备的动作，如果主 节点如现故障，厝鍪主就接管主设备工作。原剐上从设餐无需后备，除 非该从节点功能十分追切。此情况下，从设备冗余配最和主设备一样。 1 1 3 m v b 网络 m v b 采用曼彻斯特编码，所有介质都以l 。5 m b p s 革一速度操作。 北京交通火学硕上论文 第一章 传输介质有3 种：电气短距离介质e s d ( r s 4 8 5 无隔离) ，2 0 m 传输距离 可连接3 2 个设备；电气中距离介质e m d ( 变压器隔离) ，2 0 0 m 传输距离 可连接3 2 个设备；光纤介质o g f ，通过星型耦合器输出，传输距离可 达2 0 0 0 m 。 m v b 由总线管理器进行管理，管理器是唯一的总线主设备。为了 增强可用性，可能有多个总线管理器，它们以令牌方式传递主设备权， 在一个给定时间，仅有一个管理器在总线上担任工作。 m v b 协议可根据功能分层定义，在实现基于m v b 的机车控制设 备和系统时，通过采用不同的软件模块，可以实现不同类型的设备。 m v b 协议定义了6 类设备： 0 类：属于物理层设备，包括中继器和星型耦合器、总线耦台 器，没有软件； 1 类：具有过程数据传送能力； 2 类：在1 类的基础上，增加消息数据传送能力； 3 类：在2 类的基础上，增加用户可编程能力： 4 类：在3 类的基础上，增加总线管理能力，即可以作总线的 主设备； 5 类：在4 类的基础上，具有m v b 网络管理能力。 1 1 _ 4w t b m v b 国内外应用情况 w t b ，m v b 在欧洲得到大量应用。w t b 作为列车通信网络，m v b 作为车辆总线可以与w t b 一起使用，也可以在固定编组列车中单独使 用。据不完全统计：a d t r a n z 瑞典完成w t b m v b 车载网络3 0 1 套， m v b 车载网络2 6 套。a d t r a n z 其他t c n 项目完成w t b m v b 车载 北京交通大学硬士论文 第一章 网络7 1 7 套，w t b 车载网络5 套，m v b 车载网络3 9 3 套。目前国际上 采焉下c n 标准的项滔主要有：( 1 ) 嚣 l 予瓣t c n 项霜，如捷兖的布拉 格地铁，美国的s a nj u a i l ，p u e r - or i c o ，德国铁路摆式动车组。( 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 ，挪威的 n s b l c 7 0 e m 毛j ；w t b + m v b ：德国的l r 驻m a 珏n 董e 妇，挪威豹g 缸d e m 栅， 瑞典的斯德哥尔摩地铁列车等。 m v b 在圜内已先后用于“先锋”、“澳星”、“熊猫”、“蓝箭”、“中原 之星”、“中华之星”等动车组。 1 2 其它两种流行的列车总线技术 1 2 1 沁n w o 矗s 总线 l o n w b f k s 是美国e 吐e l o n 公司开发的一种通用控制网络协议，也 是美国豳家标准a n s l e l a 7 0 9 1 1 9 9 8 。l e e e 熄功n w o r k s 作为其制 订的列车通信协议标准的部分( 聊el ) 与t c n p e1 ) 抉同构成 l 嚣髓| 4 7 3 。l o 珏w o f k s 在美国铁路列车上应用较为广泛，国内铁路车辆 内也在尝试应用。 h n w b r k s 现场总线是唯一涵盏s e n s o rb u s 、d c v i c eb u s 和f i e l d b u s 三种应照层次的总线按本。它有阻下主要特点： 1 采用i s o o s l 模型的全部七层协议。 2 采用面向对象的设计方法，通过网络变量，把网络通信设计简化 为参数设置，构成一个多主结构的分布式控制系统，其通信速率从 3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) 。 北京交通大学硕士论文 第一鬻 3 l 0 n w o f k s 采用的是l 0 n t a l k 可预测p 坚持c s m a 协议，这种协 议是对p 坚持c s m a 协议的一种改进。新的预测协议由于能够预测网 络的负载，所以可以根据这个量动态地改变等待时间。 4 支持双绞线，电力线，同轴电缆，光纤等多种传输介质。 5 。h n w o r k s 掰以通过多秘收发器提供各萃l | l 典型的拓扑结构系统， 如总线型、星形、环形、混合形等，为网络辩安装提供了极大兹方便。 6 功n w o r k s 可以构成较大规模的网络。b n w o r k s 网络可分为三个 层次：域( d o m a i n ) 、子网( s u b n e t ) 和单个结点( n o d e ) 。每个域可有2 5 5 个子 网，每个子网可脊1 2 7 个节点，这样一个l o n 网络的最大容量为3 2 3 8 5 个结点，可构成一个庞大的分布控制系统。 e c h e l o n 公司的技术策略是鼓励各0 e m 开发商运用l d n w d f k s 技零 及冀核心的幸枣经元芯片，秀发鑫己兹应溺产黠，据称匡莉已经有l o 多家公司推出了n w o r k s 产品，并进一步组织起功n m a f k 互操作协会， 开发推广l j 0 n w o r k s 技术与产品。通过幻n m a r k 认证的l 0 n w o r k s 产品， 无论来自哪一个制造商，都可以达到“无缝连接”，实现互操作。 n w o r k s 在纽约地铁1 0 8 0 节新车厢，每年补充2 0 0 节新车厢；美 国、加拿大、南嚣等国重载货物列车数予辆；美国、澳大利亚、德国、 罗马尼亚等匡数干辅软道车辆；美国a c e 薹_ a 高速列车3 0 4 辆。 l 0 n w o r k s 在豳内已先后用于“新曙光”、“神州”、“金轮”等动车缎， 北京高质车、2 5 g 型客车、1 9 k 型客车等l5 0 0 多辆车。 1 t 2 j 2w o r l d f i p 总线 w 酬d 册是e n 5 0 1 7 0 。瑾c 6 n 5 8 采纳豹现场总线。该总线覆不支撩 奁组态。为满足一个英国铁路客户豹需求，a l s 幻m 公司对该总线进行 北京交通大学硕士论文第一章 了扩展，在不改变主要软硬件的基础上，实现了自组态，使其也能够自 适应编组变化。 w b d d f i p 技术在机车车辆和地铁领域也得到了广泛应用，比如，英 法海峡隧道、t g v 、比利时重载列车、巴黎无人驾驶地铁及上海明珠线 地铁等。w b r l d f i p 现场总线是欧洲现场总线标准e n 5 0 1 7 0 3 ，也属于国 际标准i e c 6 1 1 5 8 八种现场总线标准之一。它采用带分界符的曼彻斯特 编码方式，传输速率为3 1 2 5 k b p s ，1 m b p s ，2 5 m b p s ，5 m b p s 和2 5 m b p s 。 w o r l d f i p 协议单一它在一条传输通道中既可以传输与实时控制直 接相关的控制指令和过程变量，也可以传输一些实时要求不强的监视状 态或偶发的事件信息。它的通讯协议直接固化在芯片中，不需要考虑不 同设备制造厂商采用协议的不一致性。w o r l d f l p 具有总线管理功能的站 点和不具备管理功能的站点分别采用不同的芯片开发，与用户处理器接 口和线路收发器的接口也较容易实现。 w o r l d f i p 现场总线具有实时性、同步性、灵活性和可靠性等特点。 非常适合于对于传输时间具有严格要求的场合。 1 实时性 可以保证在确定时间扫描被指定的周期变量；产 生变量具有动态刷新状态标志位，可以动态反映产生数据的有效性， 使用变量具有提示状态标志位，可以反映使用者使用数据的及时性。 2 同步性 产生者使用者机制。数据一经产生者生成，使 用者可以同时获得。具有时间变量，该时间变量既有绝对时间也有距 此次丌机的相对时间，可以应用该变量使网络上所有站点具有统一的 时间基准。 3 灵活性 标识符变量寻址。只有一个产生者，可以有多个 使用者，通过传输实现变量交换；如果某节点需要使用某变量，无需 北京交通大学硕士论文第一章 总线仲裁器重新组态，将该标识符变量配置为本地使用变量就可直接 使用；可以发送点对点或点对多点的报文，点对点报文可以是带确认 的和不带确认的报文，如果收不到确认帧还可以根据设定的重发次数 重发报文，变量交换可以是周期的、非周地的，报文传送可以是周期 的和非周期的。 4 可靠性具有冗余介质管理功能是当某个站发送帧时，两 个通道同时发送；当接收帧时，先检测到帧数据的通道接收帧；当某 个通道检测到传送错误超过门槛值时，则自动切换到另一通道。总 线仲裁器冗余管理是当工作的总线仲裁器发生故障时。 1 2 3 几种网络的参数比较 1 2 3 1 介质访问控制方法比较 介质访问控制方法对现场总线的性能有非常关键的影响它决定一 种总线的响应时间、带宽利用的效率、适应不同介质的能力、可靠性、 灵活性等许多方面。按总线上的任意设备访问总线的能力分，上述总线 的介质访问控制方式可归为两类：确定性介质访问控制和随机性介质访 问控制。 确定性介质访问控制 即所有设备只能在受控的确定的时间访问介质。 w t b 和m v b 采用主从方式，介质访问由总线上唯一的主设备集 中控制。主设备将总线的带宽分为两部分，即周期性的固定分配的部分 ( 周期相) 和按需分配的部分( 偶发相) 。这种方式保证实时变量通信确定 北京交通大学硕士论文 第一章 的、不受负载影响的响应时间，同时使非实时的消息通信能充分利用剩 余的带宽。主设备最小的带宽分配周期( 基本周期) 决定实时变最的最恢 响应时间，w t b 定为2 5 m s ，m v b 可达1 2 m s 。主设备对带宽的分配 是由应罔预先确定的。 w o r l d f 口也采用主从方式，其介质访问接制方式同w t b 和m v b 相钕，总线带宽鑫舔尧总线传裁器豹设备集中控制，并溺样采用周期烃 分配。w o r l d f 口将总线的基本周期分为4 个窗口： 1 霜定的周期性窑嗣( 等同予w t b 和醚v b 的溺期撩) 闵于周期牲 变量交换； 2 。按需分配的非阎麓变量窗口蠲于 周期事件变量交换； 3 按需分配的非周期消息窗口用于消息传输； 4 闼步窗目由总线仲裁器发送填充标谖来填充湛本周裁中空闲的 部分以保持总线同步。 集中控制的、周期性颈分配的奔质访问控制方式具有能严格保 正交 量响应时间限制的优点，但也有一些缺点。 介矮访问控制梳剿本身港耗一些总线带宽，鬻低了总线零j 嗣率； 主设备故障将使总线不能工作，对高可靠性要求的应用需要有主 设备冗余。 为提高可靠性，w t b 、m 和w j r l d f i p 都提供了从主设备故障 中恢复的枫制。 随视性介质访闻控制 即所有设备可自主地随机地访问介质。 l o n w o r k s 总线采用一种改进的c s m a c d 介瘊访问控割协议，称 她京交遁大学硬士论文第一镦 尧颈潮懿孓整骛岱辫a 。繇个节点需要发送蘩攥瓣竞捻溅分璜凳黉空 闲，弼果介质窆闲就壤备笈邋数据。警惫在发送数据前蘧枫插入1 1 6 个很小的随撬对闽片。对鲻片鲶数霪代表节点坚持发送的概率，时润片 越少袭明节点啜持发送的概率越大。在负载很轻的网络中，每个节点发 送前平均捶入8 个随机对瓣片。轴n 瓢l k 协议霹投据网络负载动态澜熬 坚持发送的概翠p 。l 0 n t a l k 协议报据网络积压动态地调整介质访问， 傻发送冲突的概率降至最低，允诲网络在辍受载情况下爝较短鹃嫡威时 闻片，在重受载情况下雳较较驰晌成露淹片。 鸯蓬蹇紧急事 孛戆醺应辩瀚，功n 骶r 惫强终鬟供了个西选瓣筑 先级鞔鞫。该橇裁竞许蘑户隽镪令嚣要优先缀的节盎分配一个特定的谯 先级簿闻片，并糅涯有置只宥一个节患稀裔这样鹃饶竞级辩润片。低德 先级的节点需等待较多的时间片，而高优先级的节点需等待较少的时间 片，这个对润片船在p - 概率孵溺片之蘸。非优先级的节点必须等待优先 级时间片都完成后，再等待p 檄率时间片后发送。因此，加入优先级的 节点总比菲优先级的节点肖瓣快的响应时隔。 l o n t a l k 协议保鬻c s 垂a c d 协 义的许多优点如实现简单、带疯 剥用率离、单点数簿不影响隧终撩铸、节点霹灵活避逡网络簿，溺醚敬 善了一羧e s 淞c d 秘议雀瓣终鬟羧瓣瓣淫爱。援瘫级筑裁餐繁惫数 据其骞筏先瓣璃瘫对鬻，寝孙鞋w b 瘩s 可以透应控籀睡络静要求。德憨 体来讲上l d n w b r k s 不能保证实时数据在任何网络负载情况下都能满遐 确定的确应辩润限涮。i 府n w o r l 【s 突目寸性能在轻载时较好，重载对较麓。 因此，l e e e 认为l d n w b r k s 柱时间关键的臌用场合，需要应用的仔细设 计和验证。 北京交通大学硕士论文 第一章 1 2 3 2 寻址方式比较 为满足分布控制的需要，车载数据通信系统应具备在多个设备间透 明地、高效地共享数据的能力。这类通信可被形象地称为横向通信，其 数据内容具有全局的意义。同时，车载数据通信系统还应具备点对点的 通信能力以满足诊断、维护和旅客信息等应用的需要。这类通信可被称 为纵向通信，其数据的含义是上下级相关的。各类通信总线已发展出多 种不同的寻址方式来适应上述两类通信的要求。 w t b 和m t b 的寻址方式 w t b 和m v b 有两种寻址方式 1 过程变量采用逻辑地址f w t b 为8 位m v b 为1 2 位) 。在一条 总线工作期间，给定的逻辑地址上传输的数据的含义是固定的，发送方 式为源寻址广播。 2 消息数据采用1 6 位的网络地址，支持成组寻址，并将网络地址 进一步分为用户地址和系统地址。用户地址寻址应用功能，使功能成为 位置透明的：系统地址寻址站，主要用于网络管理，是位置相关的。 w o r l d n p 的寻址方式 w o n d f i p 的寻址方式同w t b 和m v b 类似，共有3 种地址 1 变量寻址采用1 6 位的全局的逻辑标识，广播发送。 2 消息数据寻址采用2 4 位的网络地址，支持同一网段内的多播寻 址。网络地址包含网段地址和网段内的站地址。 3 网络管理采用8 位的物理地址和3 2 字节的应用标签，物理地址 可用于构成网络管理变量标识。复杂的网络管理功能也使用网络地址。 l o n w o r k s 的寻址方式 l o n w b r k s 使用两类地址 北京交通犬学硕士论文第一常 l 。设各地址。n w o r k s 设备避蛙分必3 令层次。第一层结构是域。 域的结构可以保证在不同域中通信彼此独立，第二层结构是子网，第三 层结构是节点。l d n w b r k s 其有支持大规模网络豹能力。 2 物理地址。每个l o n w b r k s 设备有一个的4 8 位i d 地址，类似 e 瞧e r 珏c t 的物理地址。这个她址由制造赛确定，在设备的整个生愈期中 不改变，一般只在网络安装和配置时使用，可以作为产品的序列号。 1 2 3 3 通信服务种类比较 在应用层，w t b 积m 利用r 1 闻握供两类月匿务：交鳖服务和满 息服务。变量服务支持应用对实时变量的单独和成组的访问。消息服务 支持呼日q ，应答消息通信相多援溃患逶信。w b f l d 掰p 圄w t b 和m v b 类似，也提供变量和消息两类服务。变量服务支持周期和非周期实时变 量访掏。消息瑕务在链路屡支持确认帮 确认的消意传辕，程应露层支 持制造业消息规范的一个子集( s u bm m s ) 。 b n w b f k s 提供4 种纂本豹消息服务以满是不瓣的霉靠憔、效率鞠 安全要求。 1 确认涪息服务，可保证单点或多播消患端对端铸输戆碍靠性。 2 非确认消息服务，单点或多播消息只发送一次，并不祥待确认。 这辩服务的拂议弹销小，是最常阁的服务。 3 日 确认重复消息服务，单点或多播消息重复多次发送，并不等 待确认。霪复发邀使潸息琴可能哥纛接收，同时避免臻l | 受确认开销和镣 待，尤其在广播时可避免网络因确认响应葡过载。 4 认证消意服务，露使消息豹接收节点确定消息发送节点是否被 授权发送该消息，从而阻止对设备的非授权访问。例如网络管理可采用 北京交通大学硕十论文第一章 认证消息服务来保证网络的安全。 在此基础上h n w o r k s 应用层提供面向对象的网络变量服务，网络 变量被l d n w o r k s 开发语育n e u r o nc 的谮法飘接支持。 1 2 3 4 可靠性和可管理性 在可靠性方面，几种总线都在各自规定的应用条件下具有可靠的检 错能力。w t b 、m v b 和w b r l d f i p 具备介质冗余能力和主设备冗余能力。 l 0 n w o r k s 的单点故障对其它网络通信没肖影响。几种总线都可以来用 光纤介质以提供更好的电磁兼容性。 在可管理性方面，w t b ( m v b ) 、w b r l d f i p 和l o n w b r k s 都有各自 的网络管理能力，在传输介质、传输速率、信号编码等方面也各具特色。 总体来讲，w t b 用作编组经常改变的列车总线凭疑是最为合适的，其 它的总线都不能提供编织鑫适应的能力。m v b 是为快速的过程控制优 化的总线，能提供最佳的响应速度，透合掰作车辆总线。对予固定编组 的列车，m v b 也可以用作列车总线。此辨m v b 魏可被应羯于其它需 要快速响应的工监控制网络。 1 。3 课题营景 列车逶信弼络震于收集监视、诊新所蒜的数据，嚣时毽传递者控爨 信怠，控制会令可以通避确车通信网终传送到列车的各个都件，孰行戆 结采 鏊可以通过网络返回绘司机，这群馒念车备个部件控翎更加协调， 精确和合理，功能更容易扩充，从而整体上握岗了控制的技术水平。列 车通信网的应用，使得列车控制系统成为个分布式的控制系统，并为 列车信息化打下了纂础。 北衷交越走举颟士论文 第一章 落界上缀多餮家对列车通信蠲的研究和应用都毙较翠，技术穗经相 当成熟，研制成功了器暴特色的列率遥信嘲络按制系统。傻由予这些系 绞童戏体系，互不薰褰。瓷魏，黧器惫工按零娄受会( 瑗e ) 铡迩了 项关于铁路设备数据通信的标准t c n ，以实现车载设备的数据通信 豹国酥标准化。 程黧际上，曩：n 瓣棱心技零囱鹾f l 子、秘e 撤a 、碰g 秘a b b 缰藏 的联合开发组开发，使之能用于锫自的系统。t c n 的芯片w 以在市场 上垂由购买。还宥一然中、小公司摄供m v b 嘏路扳、w 粥节点、组 态霜蕊羧王冀、实融协没筏或文终等。 我圈铁路微机控制系统研制工佟从8 0 年代束开始的。程车载网络 的应瘸孛刀期使用r s 一4 8 5 光电隔离技术，实现筒鹅的数据传送。箕詹发 矮裂主簧覆舞显示懿数据逶信，蒜戮嚣令囊举之间熬数据逶傣，凌中华 之星、内燃摆式动车组、奥凝机翠、唐山三茂动率级中采用了t c n 网 络e 拣渊愈力辊车磷究所舆备了部分t c n 车载网络的产晶的国产化麓 力。荚产菇孛实瑷与联魏瓣终疯鬃接霹翡关镳歌：n 谤囊扳卡袋蕊冀谈 赖进嗣，并没有掌握底层核心技术，这是t c n 技术在我国发展的瓶颈。 暇此我校开越了髓n 底层核心关镳技术豹磺究项銎。 。4 谦题童要内鬻及目标 疑车遵稽鼹绻摄攒强车整懿拣将蠡，采爱辩车戆线帮举灏慧线上下 两级层次。其中多功能车厢总线m v b 是应用于奄磁或固定车缀内这个 特定范戮内的一个简域网，它褥一个车耀内或个率缀内的可缡穰浸餐 互鼗，劳可赢接连接麓革懿转感器帮簸行辍稳。为了蛰舍税n 标准并 北京交通i 大学硕士论文第一章 能方便地实现m 设备之间的艇联，备个与m v b 相连的设备都必须 吴有统一的硬件和软传接口，这个硬件接目称为m v b 网络总线通信控 制器或网络接口单元。 本课题主要是采用f p g a 泉开发设计m v b 总线通信接制器。m v b 通信控制器主要是完成数据链路层的控制功能，提供与物理层的接豳能 力，间时提供了和c p u 以及通信存储器通信的数据、地址总线和控制 总线，自主完成总线通信。本课题采用v e r i l o gh d l 语言开发f p g a ， 实现m v b 总线通信的基本功能，综合实现并下载到f p g a 开发板上， 进行硬件测试和功能验证。 论文共分五章，其具体内容如下： 第一章对列车通信网络及几种常见的机车现场总线进行了简要的 介绍并进行了备方面参数的对比，提出了研究及实现列车通信网络底层 协议的必要性： 第二章介绍了t ( n 总线的总线类勰及总线通信，并详细论述了 m v b 总线协议的物理层和数据链路层，协议规定中的m v b 总线通信 控制器需要完成的基本功能： 第三章引入片上系统s o c 的定义并提出替代现有的t c n 通信板卡 m v b c 的方法，之后阐述了硬件扳卡相关器件的选型及配置，深入分析 了m v b 通信控制器的功能定义和设计思想，同时给出了通信控制釜个 子模块i p 核的设计方案，并简要介绍了f p g a 开发工具软件环境 q u a r t u s l i ，以及下载模块的仿真及实现； 第四章简要介绍了本实验室现有的网络节点环境，对比了现有总线 c a n 以及硎鲍各项参数，参照c a n 网络，提出t c n 网络节点瓣搭 建方案，最后将该设计板卡与d u a 9 0 n 公司板卡进行了比较； 北京交避大学硕士论文 第一牵 第五章是n l o s 软核概念的弓l 入，以及对未来所需进行的工作方向 展望。 北京交通大学硕士论文第二章 第二章t c n 体系结构及m v b 详细介绍 列车控制、检测和诊断系统，是以车载微机为主要技术手段，对列 车的运行控制、机车控制、车辆控制、故降诊断以及旅客服务信息服务 进行综合疑瑾的应用于翻车的控制系统。它应耀多萋申蕊线技术挺分布予 各车厢内部、独立完成特定功能的计算机互连起来形成一种工业局域 网。以实现资源共享、协同工作、分散监测和集中操作等目的。这个系 统是以诗算机网络为核心，把计算枫技术、控制技术、设备故障诊断技 术、网络通信技术紧密结合起来的产物。列车通信网t c n 就是基于这 一系统之上发展建立起来的，它将整个列车微机控制系统的各层次以及 各层次各单元之润连接越来，作为系统信息交换和共享豹渠道。实现全 列车环境下的信息交换。列车通信网的应用，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。 夔着列车透信网络技术豹发震，可靠牲程度豹德高，其功熊氇在不 断增强。它已不再局限于监视、诊断的情报收集，而且也传递控制所需 信息，如各种控制命令都可通过网络传送到各车的各个部件，执行的结 栗也可以逐过网络返霞绘司橇。采弼罗i 车通信网不仅可省去大量豹重联 线，而且也可使全车各部件控制更加协调、精确和合理，功能更容易扩 充，从而总体上提高了控制的技术水平。 北京交通大学碟士论文 第二章 2 下c n 体系结构 2 1 1 总线层次 列车通信潮采用分层结构。根据列车控制的特点，分为上、下两级 层次：列车总线和车厢总线是两个独立的通信子网，可采用不同的网络 和协议，这是由于 1 列车总线能对列车总线节点命名和确定方位，这需要相当复杂 的硬件和初始亿过程，丽对于设备固定的车厢总线来说是多余的。 2 车厢总线比列车总线有更严格的定时要求，车厢总线上的响应 时间比列车总线快1 0 倍。 列车总线和车厢总线之间通过一个列车总线节点( n o d e ) 相连，在皮 用层不同的总线之间通信时由此节点充当网关( g a t e w a y ) 。有时也在车 厢总线设第三级总线，如连接传感器的总线或连接执行单元的控制总 线，可把这些总线认为是车厢总线的一部分。 以上结构并不是绝对的，整个列车的组成可以灵活多样，一节车厢 内可以有一条或多条车厢总线，也可以没有。车厢总线可以在固定编组 的情况下跨接几节车厢。如果该列车是固定编组，列车总线弗不需要对 节点进行连续编号，这时，车厢总线可以起到列车总线的作用。 2 1 。2 总线通信 2 1 2 1 数据类型 确车通信网在列车拄翻系统中的主要功能是作为沟通蒜个控翻系 统单元的信息通道。进行可靠的数据传输，实现信息交流，从而达到控 托寨交通大学硬士论文 第二章 制统一和资源共摩。列车通信网在列车运行时传输的信息主要有以下几 种。 列车运行的控制命令 运行中的各车厢( 包括有动力装置的机车和无动力装置的旅客车 辆1 的状态信息。 故障诊断所需的信息及结果。 驻示单元所要显示和提示的各种信息。 通信网的管理信息。 其它与列车运行、安全及服务有关需在列车内互相传递的信息。 列车通信网以实时方式控制一个列车，其网络传输具有短距离、低 传输率和实时性强的特点。报据信息性质和实对性要求，列车网络中传 送的数据分为三种类型： 1 过程数据( p r o c e s sd a t a ) 列车控制系统中的过程变量表示列车上的状态，如司机的手柄位、 列车运行的速度、电动机的电流、列车当前运行状态、当前的时间及备 单元的工作状态等。过程变量的傻就形成过程数据。 过程数据的特点是：长度短而时间性强，它们传输的时间必须是确 定和有界的，为保证时延，这些数据周期性地发送。过程数据是定时刷 新的，是无确认的广播通信。 2 消息数据( m e s s a g cd a l a ) 消息是一些非紧迫的信息，例如诊断功能、旅客服务功能的消息。 消息及与之相关的控制数据就形成消息数擐。 消息数据的特点是：长度不定、不紧迫、不频繁，由于不定长，较 大豹消息可能分成若于个较小的戗。由于不紧迫，灌息传输时间没有确 北京交通大学硕。：论文 第二章 定的上界，允许随负荷情况而变化。由于不频繁，消息以命令方式传送， 消息传送协议提供流控和差错恢复。消息通信必须得到确认。 用户消息用于如旅客服务信息、开关车门命令等方丽：系统消息用 于列车通信系统本身的鼗督，如设备