（计算机应用技术专业论文）多功能车厢总线控制器（mvbc）的研究与设计.pdf

西南交通天学磺士研宽生学位论文第i i 页 摘要 睫着微枫控制帮现场总线技术的发展，蕊代甍车熬过獠控制已从 集中型的直接数字控制系统发展成为基于网络的分布式控制系统。国 际电工技术委员会也c 为实现攀载数据通信系统的标准化于1 9 9 9 年通 过y 一壤歹l 车遴镶网络标准r p t c n ( i e c 6 1 3 7 5 一1 ) 。该标准将歹l 车透 信潮络分成连接备节可动态编缀车疆静绞线式列车总线w 糟袒连接车 厢内固定设备的多功能车厢总线m v b 。m v b 为快速响应的避程控制总 线，对于固定编缎的列车，也可以用作列车总线。 嚣方发达匿蒙鲍歹l 车通信潮的疆究与应瘸已较先普及，两国内只 肖少数院棱和科研院f 舞有相关磷究。嚣前祭弼的产品帮授术被国步 的 几个公司垄断，而我国对引进技术的理解消化和二次开发都做的不够。 这严重阻碍了m 在国内机车上的推广使用，同时也不利于研制具有 鸯圭知识产权懿列车逶傣网络产晶窥垦后毒订中霪鸯己的罗车遂售网 络标准。正是夔予这辩原因，本文对t ( n 孛静m v b 技术遴行了仔缩磺 究，分析比较了m v b 同其它的几种通用现场总线的优缺点和应用特 点。并在深入了解m v b 的通信机制的基础上，设计了一款m v b 核心专 用芯片多功能车籁总线控专器( m v b c ) 。设计采魇皇上露下豹班坡 设计方法穗功麓樱关的模块分缀验证方法，魄路设计采用v 斓罐饯码 描述，仿真工具采用s y n o p 目y s 公司的v c s ，综念与f p g a 验诚采用x i l i n x 的粲成开发环境i s e 。目前各个横块的代码设计己完毕，并通过了软件 仿真，正在进行f p ( 避扳级验诞潍备工作。由于m v b c 系绞复杂，对可 靠筏、安全缝、实对往、稳定缝玖及寿螽鲍要求离，同露逐需要瑟裕 电磁干扰、大跨殿的温差、强牛几械震动等恶锵环境，要走入实用至少 需要几年的时间进行各种硬件动自蝴0 试和现场稳定性测试。 本文职究的意义在于：1 ) 颁强全部完成朦可实 蛹f p g a 营代现 鸯豹m v b c 专麓蕊片或豢l 遥警已静专蘑龌灌c 芯片，那时我豳就不会 受制于国外对 们，b c 芯片和技术的垄断，这将大大推动国内m v b 的发 展与应用；2 ) 该研究有利于更深入的了解m v b 技术精髓，为国内制 订囊己的列车通臻网络标准打下了一定的基戳+ 关键词：列车通信网络；多功能车厢总线：多功能车厢总线控制器； 现场可编程逻辑阵列；集成电路 堡垒壅墨垄璺堡圭至塞圭鲎璺垒圭墨翌至 a b s t r a g t w 嫩妇d e v e l o p m e n t o f 龇t e c h n o l o g yo f e m b e d d e d m i c r oc o n t r o l l e r a n df i e l db u s ，t h ep r o c e s sc o n t r o lo f m o d e m t r a i nh a s d e v e l o p e d f r o m c o n c e n t r a t e dd i r e c td i 西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 dc o n t a o ls y s t e m w h i c h b a s e o n n e t w o r k 。t r a i n c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k i s a k i n d o f d a t a t r a f f i c n e t w o r k l h 盛d n g m a n y k i n d s o f o n - b o a r d e q u i p m e n t s , w h i c h i s t h e c o r eo f t r a i nc o n t r o ls y s t e m i n1 9 9 9 ，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 血c ) a d o p t e d an e ws t a n d a r df o rt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n o nb o a r dd e v i c e s 。骶嚣s t a n d a r dn a m e d 蛋c 一6 1 3 7 5 - l - - t r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o 矗疆1 c n ) t c ni sd m d e d i n t ow a i nl e v e lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k w i r et r a i nb u s ( 帅) w l f i c hi su s e d f o r c o n n e c t i n gd y n m l f i c a l l y r e o r g a n i z a b l ev e h i c l e sa n d v e h i c l el e v e lc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k - m u l t i p l e v e h i c l e b u s ( m v b ) v a i c h i s u s e d f o r c o n n e c t i n g f i x e d d e v i c e s i n a v e h i c l e 。 m v b c a n 螗珏b e u s e d f o r w a i n b u s i f t h e w a i n i s f i x e d o r g a n i z e d 1 1 1 ew e s t e n st c nr e s e a r c hg o e sf a ra h e a do f c h i n a i nc h i n a , o n l ya f e w u n i v e r s i t y a n d r e s e a r c h l a b a d o p t t o t c n o r r e l a t e dr e s e a r c h ，m 悯 r e l a t e dt e c h n o l o g i e sa n d p r o d u c t s a r em o n o p o l i z e d b ys o m ef o r e i g n c o m p a n i e s , w h i c h b a f f l e s t h e a p p l i c a t i o n s o f m v b i n o u t c o u n t r y 日辔； s i t u a t i o nd i dn o tp r o f i to u ro w bp r o d u c t sr e s e a r c ha n de s t a b l i s h m e n to f o l l r o w n s t a n d a r d f o r a l l o f t h e r e a s o b s a b o v e ，t h e a u t h o r c o m m i t h i m s e l f t o 1 w v b r e s e a r c h , a n a l y z e a n d c o m p a r em v b t os o m eo t h e rf i e l d b u so n t e c h n i c a l s n c i f i c 蕊o n o f a p p l i c a t i o n f i e l d , o n t h e b a s e o f u n d e r s t a n d i n g t h e m ：v bc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m , t h ea u t h o rd e s i r e dam u l f i f u n c f i o n v e h i c l eb u s c o n t r o l l e r ( m w ou s i n gv e r i l o gc o d i n gd e s c r i p t i o n a n d d i s c u s s e d t h e d e s i g n i d e a 舡l d t h e m e t h o d o l o g y o f e v e r y m o d u l e i 觳t h e m v b c a c c o r d i n g t o t h e f a n e f i o n r e q u i r e m e n t i n d e t a i l 羽醵s d e s i g n a d o p t s t o p d o w n e d a d e s i g n f l o w 硼弛s i m u l a t i o n t o o l i s v c s t h e s y n t h e s i s t o o l a n d p m g r a m n 衄t o o l i s l l ：【e i s e 6 1 n o w , c o d i n g d e s i g n a n d s i m u l a t i o n h a v ep a s s e dt h i o u 旗，t h ef p g a 努b - t e l l lt e s to f b o a s tl e v e li so l lt h e w a y m v b c s y s t e m i s c o m p l e x , w i t h h i g h q u a l i f i c a t i o n o f r e l i a b i l i t y , s e c u r i b ； t i m e - c r i t i c a l s t a b i l i t y , l i r ec y c l e i ts t i l lm u s t w o r k e x a c t l y u n d e r e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e h i g ht e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n ds h o c k s o b e f o r em v b ct h a tw ed e s i g n e d b eu s e d0 1 1b o a r d , s e v e r a l y e a r s 据s t o n 西南交运大学硕士研究生学往论文第v 翁 a l lf u n c t i o na n d s t a b i l i t yi sa b s o l u t e l yn e c e s s a r y n l e s i g n i f i c a n c eo f t h i sp a p e r ： 1 ) i f t h ed e s i g n c a n c o m p l e t e a n dt a k ef l a ep l a c eo f m v b ca s i c s u c c e s s f u l l y , o t l r c o l l v l t l j ，w i l l n o t b e e n s l a v e d t o f o r e i g n c o m p 出e $ + m v bc a nb ea p p l i e du n i v e r s a l l yi nr a i l w a ya n do t h e rf i e l d i th a ss o m e m a r k e tv a l u e ， 曩豫d e s i g n i sp r o p i t i o u st ou n d e r s t a n d i n gl l a ek e r n e la n ds o u lo f m v b t e c h n o l o g y , w h i c h a c t s a g a t e f o r t h e r e a l i z a t i o n o f i n d e p e n d e n t d e v e l o p i n g t r a i n c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s t a n d a r d a n d p m d u c t s k e yw o r d s ：了c n ：h , w b ；m v b c ；f p g a ；i c 西南交通天学硕士研究生擎穰论文第1 页 第 章绪论 1 1 列车通信网络的发展 高速列车为保证旅客乘车的安全与舒适，霈对机车和车辆的各种设 餐逡 亍可纛逑控嚣l 、整漫积诊凝。夔藿瑗场憨绫按零錾发溪，这耱过程 控制已从集中型的矗接控制系统发展成为基予网络的分布式控制系统。 现场控制总线出现于上世纪8 0 年代，魑种开放式数字化多点通 信的底层控制网络。这种总线技术把单个分散的测量控制设镊变成网络 节患，隧理场慧绫为邃豢，竞黢筏场叁动诧竣器之润懿多点数字遥薅， 相互共享信息。它打破了原来孤立的直接控蒂系统的信息孤岛局面，既 是一个分布式控制系统，又是一个开放的通信网络。所以非常适合在列 车上应用，即可用于车辆控制，又可传输旅客佾息和进行故障诊断。 底蓑已发震爨了缀多慧线技零，热w o r t d f i p ，l o n w o r k s ，c a n 总线 及p r o f i b u s 等，它们各有特点，在各个方面发挥着重要的伟用。但由于 多方面的原因，而未被业界一致接受作为列车通信网的行业标准。 为实现车载数据通信的国麟标准化，国际电工技术委员会班c 于1 9 9 9 年遴过了项歹l 率透信瓣络专蠲拣凄l i 翼：n ( 纛羚1 3 7 5 - l 。该稼准涛 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 ( 多功能车耀总线) 。车脯总线以a b b 的知n c a s 车厢总线为蓝本， 瑟艇车怠线弦嚣门子麟钙3 2 2 帮意夫羁静4 5 0 惫基礁。 由于t c n 是专门为列车通信网络制定的标准，在实时谶、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 定敬优势。其核心技术又是由麟门予、a b b 等公司联食开发，两里是在 已经遂过实戥验 菝了熬菝术基璐上懿裁定戆臻难，因魏褥鬟了众多铁籍 公司和设备供应商的支持。 目前，t c n 猩欧洲得到了大孱应用，在j b 燕有部分列车采用，国内 也引进了$ 目应技术，先后用于“先锋”、“蓝籁”、“中原之屋”、“中 华之星”等动车缀。 1 2 国内外几种主流列率通信网技术的比较 t c n 虽然在列车总线上有蠢已的优势，但各 通用的现场总线存各 婶南交通大学磺士研究生学镶论文第2 页 自的特点，而且开发时间早，威用面广，拥脊广泛的用户群和很多设备 墓供窝戆支跨，黪以也捻占豹不少歹l 车鼹络懿毒绣癸额。下蕊麓要穷绍 一下各个总线的特点： l o n w o r k s 1 9 8 8 年成立的e c h e l o n 公司开发了分布戏现场总线l o n w o r k s 技 术，莠予1 9 9 4 年公奄了繁l 套l ) 暖a r k 互撵终毪设釜趣范，形成了 l o n t a ik 协议，分男被a n s i 、m e e 等标准缀级所采用，箕应用领域遍 及全世界的楼宇、工厂、交通、家庭，拥有数千家o e m 和系统集成商。 i e e e 将其作为它的列车通信协议标准的一部分( r 四e ：l ) ，与t c n ( t y p e ： t 莛蕊款残醯嚣1 4 7 3 + l o n w o i k s 在美藿、霆本铁路列擎上蠲较为广泛， 国内铁路车辆内也在尝试应用。 w o d d f m w o r l d f i p 是欧洲现场总线栎准e n 5 0 1 7 0 的一部分，作为通用的现场， 总线标准被广泛戆应震予缝漂、纯工、交逶运瓣等工豆l 领域。法重 a l s t o m 公司将w o r l d f p 作为标准通信协议威雨于其开发的a g a t e 列 车羧制系统，并成功应用于t g v 高速列车。 c a n c a n 惑线簸翅是塞德 b o s c h 公司受汽车箍控、控熬滚予系统熬数 据通信应用开发的，现已成为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应用) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( 低速应用) ，威用的非常广泛。目前有些列率的予系统用援0 该总线。 t c n t c n 是丑筻专门秀歹车逶嫠瓣露l 定款蠢毽，毽摇实髓麓秘滚 ( 鞭r p ) ，绞式别率总线( w t b ) 、多功能车厢总线( m v b ) ，它们作 为相对较为独立的部分有各自的体系结构。理论上可以在w t b 和 m v b 上运行非r t p 的其它协议，丽r t p 也可以作为除w t b 昶 m v b p l - 其它惑绫上豹逶信按议，毽一般季筝为一个蒽俸来考虑。 现在将应用的范围限定在列率的车载设餐数据通信系统，以列车车 载应用的需求作为比较的依据来t e 较一下这几种现场总线。 ( 1 ) w t b 、m v b 邋信速率较高。w t b 最多支持3 2 个节点，我运行时可以 逶行鑫囊配置，较逡孺于捌车缀爨络：m v b 缀蹲寿式为颓惫酝嚣，较适 用于固定编组列车的列车级网络和非固定编组列车的车辆级网络。 l o n w o r k s 比t c n j 盥信速率低，既可以作为列车级也可作为率辆级。 ( ) 为适应列车结构的要求，歹悴透信网络一般采用到车级秘车辆级2 缓 西南交通太学硕士研究生学位论文第3 页 网络，w t b m 、，b 缀合可以较好地满足这一要求。 r 3 1w t b 、m v b 和w o r l d f i p 采用主从方式下的确定性的介质访问控制， 瑷有设罄只2 在受控的确定的时间访问介质，这榉可以鹰固定蛔响应时 间，但代价是需要发轮询帧，总线利用率相对较低。而l 舢w o r k s 和c a n 彝乏辱l 的是改进的c s m a 方式，虽然加入了优先级，促不能保证实瓣数据强 任何网络负载情况下都能满足确定的响应时间限制，可是它的总线利用 率在轻负载时枢对较窿。匿此在噙艨时阆娶求严掺的情况下，建议采用 w t b 、m v b 谶w o r l d f i p ，其它可采用l o n w o r k s 绒c a n 总线。 ( 4 ) w t b 、m v b 有嚣釉寻土 方式：过程变爨采用逻辑地缴，一个逻辑蟪 址标识一种嗣定含义的数据，发送方式是广播的，发送方和接收方使用 相同熬逻辑地缝寒标识月一数据。这糖寻址被拣为源寻皴广援，用来实 现多个设备之间横向高效的茫享数据。消息数据采用设备地址( 网络地 娃) ，支持成缀寻址，设备避蛙括识的是设冬，髑来实瑷上下级关系瓣 点对点纵向通信，如网络管理、旅豁信息簿。w o r l d f i p 和l o n w o r k s 的碍 蛙方式也类似，面e a n 只鸯逻爨地缝寻址。 ( 5 ) w t b 、m v b 、w o r l d f i p 和l o n w o r k s 均支持多服务种炎的变溅和消息 l 噩务，可 蔓合理戆安越 实时葶珏 实瓣的数攮传竣，纛c a n 只逶合短栽交 厘服务。 ( 国在列车缠缀鑫适巍毙力上，w 秘8 曼够弧蹶序绘节点鑫动编号帮诖掰 有的节点识别何处是歹0 车的右侧或左侧的能力。每当列车组成改变时( 例 安l 连接蠛攘除车辍) ，列车慧线冬节点砉器据运行过程，该过稳在毫气 上将各节点连接起来，并给缚个节点分配连续地址。这怒、 m 墩显著的 ( 在嚣渡中独特懿) 特色，其余憨线均不其备戴筵力。 ( 7 ) 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锚 貔力。、鞠国、m 3 , r b 、w o r l d f i p 买备奔震嚣余2 力穗主设备踅余麓力。 l o n w o r k s 和c a n 的单点故障对其它网络通信没脊影响。c a n 逐具备严 燕锩误清况下节点蠡动关阕输凄功麓。且葶孛总线辩爵激袋矮凳纾奔凑潋 提供更好的电磁兼容性。 $ ) 奁霹管理瞧方嚣，w 砖、m v b 、w 羽簸。霸l o n w o r k s 露鸯各鸯静 网络管理能力。c a n 总线没有这方面的标准。 憨体来讲，逶震豹现场慧线，w 翻搔紫帮玢则蛐翻c a n 蜀戳在翔 车控制系统的通信中找到合适的应用。t c n ( w t b 和m v b ) 作为专门为 列车逶信霹案l 迩静标准，在制订懿积麓藏离疆确獒俸鹣嗣车级秽车辆缓 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的应用需求定义，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。因此比其他几种现 场总线更适合用作列车通信网。但也正是因为它是专门为列车通信网开 发的，其适用范围、供货商、经济性均不如其它几种通用现场总线。 1 3 国内面临的几个难题 目前国内n m w 发展还面l 临着以下几个难题： 目前毋的产品和核心技术仍然由国外的几个公司垄断 由于国外公司对m ；关键技术，尤其是核心器件多功能车厢总线控 制器( m v b c ) 芯片的垄断，严重阻碍了国内自己开发m v b 网络产品， 而整机引进的周期长且价格难以承受。 国内对引进的标准、技术的理解消化和二次开发都做的不够，这不利 于m v b 技术在国内机车或者其它领域上的推广使用，同时也不利于 吸取经验研制自己的列车网络产品和制定自己的列车网络标准。 国内对列车通信网络的研究较少，没有多少技术积累，而此类技术要 求高、投入大，导致国内列车通信网研究进步缓慢。 1 4 本文的研究内容与目的 随着高速列车车辆对可靠性、安全性、通信实时性的要求提高，列 车机车和车辆对多功能车厢总线技术的需求与国内糟糕的研究现状形成 了一大反差。为了缓解这一需求矛盾，上海铁道大学、北京交通大学、 同济大学、东北大学、株洲电力机车研究所和四方车辆研究所做了一些 探索性工作，对列车通信网的研究起到了重要的启蒙作用。作为以前铁 道部直属的全国重点院校西南交通大学一直是国内铁路通信方面的佼佼 者，其下的铁道部重点实验室“交通信息工程实验室”是国内最早进行 列车通信网络技术跟踪的单位之一。早在1 9 9 3 年，t c n 还在萌芽状态时， 该室就翻译出版了当时r c n 的讨论稿高速列车控制、检测与诊断系 统一书，这也是t ( n 的雏形，该实验室还进行过国内旅客列车旅客 信息系统研究，并一直保持对t c n 技术跟踪研究。 作者作为该实验室的一员，有幸得到了成都国腾微电子有限公司的 支持，可以在实验室先前的研究基础上，对m v b 的核心技术作进一步的 研究。本文的具体工作可以分成以下几个步骤：深入了解m j 的内部通 信机制、分析比较它同其它几种主流列车网络技术的优缺点、研究m 、，b 西南交通火学顾女研究生学位论史第5 页 当翦的几秘戏用方案、最蜃根据文默 1 1 、【2 】n 硬传描述谖言设毒 m v b 豹 核心专用芯片m v b c 。希望熬个项圈完成詹可以用通用的f p g a 替代现有 的m v b c 专用芯片或碌制出国内童已的专用m v b c 芯片。耳翦器个模块 的代码设计已完毕，并且通过功能仿真修改了代码设计中的一魑问题， 现在正在进行f p g a 板级验诞准备工 乍。 本文研究的意义在于：1 ) 该项目全部完成精可实现用f p g a 替代现 有的m v b c 专用芯片或制造盎己懿专用m v b c 芯片，那辩我垦藏不会受 制于国外对m v b c 芯片和技术的垄断，这将大大推动国内m v b 的发展与 应用；2 ) 该磺寒弩列予更深入豹了勰m 豫款技本糖髓，为国内露l 订鑫己 的列车通信网络标准打下了基础。 西南交通走擎磺士研究生掌穰论文第6 页 第2 耄t c n 网络 t c n 将列车遄佰网络分成用予连接各节可渤态编组车辆酾绞线式列 车总线w t b 和用于涟接车辆内固怒设备的多功能车厢总线m v b “3 。图2 一l 给 出了t c n 网结构图。车厢总线在少数著作中翻译成车辆总线，假实际匕m v 8 对动力瓿车巍蔻事车辆邦逶震，掰以这里统称车藤。 列车总线 总线设备 2 1t c n 网络构成 总线 业备总线设备 图2 - 1 强n 弼结魏图 麴踅玉l 蔟示，瓣分秀上下嚣瑟，努勇是： 1 连接列车中器率厢的绞线式歹l j 车总线( w 四) ，w 糟怒一种串行数 据通信总线，主骚设计用于经常相互连挂和解涟的重联车辆( 经常相互 连接和解连是国际u c 列车经常用到的一种1 l 孽况) ，总线能自已组态。 2 。逶菠一令车辆斑竣冬懿多渤缝车瑟葸线( 蠢骶冯) ，m v b 惩主要焉予 有甄操作性和互换性要求的互联设备之f a 的串行数据通信总线，总线能 快速响应。各段m 总线在网必的连接下连接到列车的w t b 总线。 2 。2t c n 的维态 下面先介绍3 种列率构成方式，旗定义如下： 开式列车：由一组车辆构成的列车，其组成在正常运行中是可以改变 的，查u i e ( 国际铁路联盛) 罗# 车。 阔式捌车：盘一组车辆缝簸豹歹| j 车，在爰常运乎亍中荚缎娥不会竣变， 如地铁，城轨列车或高速列车组。 移单元列车：歹0 车由几个闭式列车单元组成，在正常运行中，组成列 西南交通大学磺士研究生学饿论文第7 页 车的单元数爨可以改变。 嵌粼应雳予不强戆镶域可以缓愆不同款缰签，熟图2 - 2 。 a ) 囱动组态的开式列车，如狲c 列车。嗍作为标准豹捌车总线。它 最多支持3 2 个节点，每个机车车辆可没有或有1 个，或有更多的节点。每 个节点最多可挂1 5 个车厢总线( m v b 或其它总线) 。 b ) 多元歹车包含多令稷连熬阉式列车，当这整溺式歹l 车鬟经鬻连鎏蟊薅 连时，可使用作为标准的列车总线。僵如果可能用其它方法缎态时， 也可以用其它总线如m v b 来代镨，m v b 可以穿越几个车厢。 c ) 闭式列车上，m v b 既能作为列车总线，也可作为车厢总线。 辩域辩草 萼 幕莘韩差事耱嚣箍，菇葶鞲臻缝3 菇军璃菇娆 茹单戴州隼 叫卜一一个车辆总蟪十 娥删壤 t 尹章7 1 矛n i 霉瞩i 下i 丽雾十 嬉塑堇里堪= = = 建望望塑坠捶墅堕虽 蹬2 _ 2t c n 斡维态 西南交通大学硕士姘宽生学位论爻第8 页 第3 章赫谲的通信原理与应用 3 1 黼静通信潦理 3 1 。 赣锘的网络搔季争结构 一个i v l v b 结枣每一般包撼多个憨线段，蓦线段霹由下述三秘赍囊孛奄成： 1 e s d ：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 豢鬯气隧裹的馕况下奁2 慨数健输距离内最大霹支羚至3 2 令设备。 2 e m d ：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 令设备，龛诲馒用交莲器l 乍鬯气隔亵。 3 o g f ：光纤介质。通过星耦器汇出，传输距离弛0 0 0 m ，主要用于 较戈苛刻黪臻境( 如掇车上) 。 连接各个总线段的设备叫耦合器，耦合器分为可涟接不同介质的中继 爨 靼霹壤党纾k 入慈线敕星糕器。 图3 。1 列出 了m v b 嬲络拓 扑结构图，e s d 段分为掇耱内 的背板总线和 e s d 电缆。慧线 管理器，机箱内 设备，节点网关 ( m = v b w t b ) 遴过橇禳海戆 背板总线连接， 几个在撬辖乡 的设备通过连 援器接a 橇箱。 e m d 段包括一 个惫线警毽器 嘲3 - 1 ：i d v b 网络拓扑结构强 和几个其他设备。o g f 段上有几个普通设备。总线段之间通过中继器相 逐接。爱3 中静每个总线段都可祓重复戬鬟离实霜褴，又称双线总线段。 西南交通太学硕士研究嫩学位论文第9 页 3 1 2 删b 的设备分类 按照i e c 一6 1 3 7 5 的定义，连接到m v b 的设备按功能可以分为5 类： 0 类设鍪敷不葵在5 类当中，宅翻不参与或汲芟镪方式参与( 逶过 其他协议) 应用数据交，例如中继器和星耦器。 l 类设备参与设荟获态数据积遂程数据逶傣。在憩类设备中，过程 数据的端口地址与设备的地址有关，例如端姐= 地址与设备地址相阊。 2 炎没墨舆毒设螽凝态数据、；窭程数攥瘸溪患羧暴逶蕊款基力。2 类设 备是一种可通过总线酉己置的智能设备，但不可编程。 3 炎设备蒸窍设备获态、过程数据、消息羧据邋 赛襄翅户可编程功戆。 4 淡设备具有设铸状态、过程数据、消息数搬通信和总线管理功自艮 - 1 2 可瑗户编程。 5 炎设备麒有设备状态、过程数据、消息数据通信和t c n 网关性能，5 豢设备龟胃其膏总线管理嚣髅戆。 3 。1 。3w 8 的数据类型 列车通俗阚在熬个列车控制系统中的主要功倦是沟通歹车内各个 控裁蘩元，蜜琨信感流逶，蔽这至l 控隶酶统一和资源共事。在高速到 车控制系统中传输的信息可以分为远程控制、诊断和旅客服务信息。 藏露l 信息色括瘸予牵弓 静信怠精车辆的照黉、车f 1 、空谲、倾攒 控制等信息： 旅客l 务倍惠鸯缀菇、意外、转车、订座等信息； 诊断信息包括设备故障相维修等信息。 所有在歹车透信阏上镄送的倍感统称为数撂。m v b 将上瑟这些数 据定义为： 一 过程数据、| 0 “7 一对“| 消息数据和 ，i。 萼焉挲善蠢 蛰臣蜜 囱 它们之间的l l 。k = 严。：- 关系结构如厂蓄：煮；i 订广而i 0 嚣百一i i 去；硼 图3 - 2 ： ijl ! g e ! ! ! ! l i1 211 i 图3 - 2m v 8 的各种数据类溅的关系结构 西南交通大学硕士研究生学位论文笫10 页 过稷数獬：髭那蹙短而紧迫，传输时间是确定和脊界的数据。把 歹h 车运行的控带喻令耱运行状态稽怠意义为过程数据，知手柄位，列 车遥行速度，当蔫静对闻，各单元静工 笮状态等。卣予过獠数辫豹转 竣时闻必须鸯个确定的上爨，故恧过程数据骢绩辕采用源寻蜓广攘 数据集的周期性传送。 消息数据：定义为那些非紧迫的信息，把诊断信息、显示信息和 服务功能作为消惠数据来传送，这些数据可能数量较大而且传递没有 确定的时间敲翻，困既它们的传送是暑黾雨点对点或广播数据报文的偶 发链传送，褥显可能撮据需要分犊传送。 监黎数掇瞧叫佟管理数据，是网络鸯身繁理、维护秘勰始纯对， 在通信刚中传递的数据。监督数据是在相同总线内用于监视设备状态、 检测寂静( s i l e n c e ) 的设备、总线主设备权转移( m a s t e r s h i p - t r a n s f e r ) 、 ：事件轮询等的数据。 3 。1 。4w b 的帧与掇文 m v b 总线馒爝露葶孛峻 睾纛透髅手段： a 主帧，只鸯主设冬发出； b 从帧，主帧呼叫地址的源设备发出( 也有可骚就是主设餐囊己) 。 每种帧的主体都怒由曼彻斯特码构成。曼彻斯特编码中的每个数据谯应 用以下规范编码： a ) 一个“1 ”的编码在位元的前半部分位“高”，借半部分为“低”： b ) 一令“”酶编码在位元静蔫半帮分位“低”，焉半都分为“高”； 如暴曼缨凝特玛孛出现整个谯元懿意彀平( n i - i ) 或整个位元懿低电 平烈l ) ，则被认为j 数搌符，用于特殊场合，如噱头、尾标识。峻头、 尾的格式严格区别于数据项，这样能提高解码可靠性。 1 有效帧格式 m v b 的有效帧应包括： a 个起始分界符，接着是： 转曼餐簸特壤鹞数据符，然纛为； e 。个终止分雾簿。 2 帧起始分界符 主帧应一个越始分界格作为帧头，这个分界符称为主起始分界符， 它的序列为： 起始位，謦m ”，爸儿”，0 ，n h n u ，”0 ”，”0 ”，”o ” 。 鸯禹交逮太攀磺毒舞安生擎拉静文第1l 夏 从帧也啦一个起始分赛德l 乍搀峻头，这个分爨簿称为从越鲶分界簿， 它的序列为： 起始五”1 ”，11 ，”1 “，n l , n h ”，”1 ”，l n p ，n h ” 。 3 。骥终盎努爨蒋 在帧的最后一位数据单元后，发送器将发送个终止分界符，依据介质 黪不霹，蜷分必以下，己静薅凝： a 当介质为e s d 时，添加一个“n l ”编购，并停止发送； b 当余覆为辩，在“n l ”之磊秀i 一令“n i t ”编码，势筹建发送： c 当介质为o g f 时，添加个“n l ”编弼，并停止发送。 注：终止分要簿蠼剡囊介质鲍类型决定。 4 主帧格式 主蔽应传送1 6 整数据字，发送黪数据字鹣第一位应势它黪最高寄效 位，用b i t 0 来表示，如图3 1 3 。 图3 - 3 ：主帧的内容 主帧的内签：1 6 位字中最高宵散前四徒应必fc o d e ，次有效的后1 2 位应表示fe o a e 黼遮蘸或参数。西魏，主羧有露定豹穆式为： 3 4 b i t ( 9 b i t s e 帧分界符十1 6 b i t 数据位十8 b j _ c 校验能+ 1 b i t 终止分界符) 。 5 。从蛟揍式 一个从帧应： a ) 淡觚黻超媲分雾镣开始； b ) 接着为1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 骂鲩2 5 6 像帧数据； o 褒镶雒个数撂位鼹包含一个8 娥豹校验澎歹或囊峻数攘只穰1 6 蔑3 2 馒 时将一个8 位的校验序列附在蒺蜃，如图3 _ 4 。 l 麓盛低 裁3 - 4 ；从帧格式 从帧镪禽了9 b i t 从帧分爨符，数据段长度跟主帧功码有关，其中4 f 皤4 b i t 薅南交通走擎硪士研究生攀俄论文第12 页 数据后面附3 口8 b i t 的校验码，长的从帧最多会使用四个6 4 + s b i t 数据段。 6 校验摩爱 帧数据应用一个或多个剐立校验序列来保护。数据豹遗容应处理成6 4 位的代码字( 对小一些的数据用1 6 或3 2 位) ，不包括起始分界符和终 止分界符。这个代码字和随后的校验序列应作为最高有效的数据位首先 发送。较验痔翻羧渡冀漂护弱1 6 ，3 2 z 弱, 4 位数舞弱疆嚣冗衾校验( c r c ) 计算。校验序列的运算公式应符合日b c6 0 8 7 0 - 5f o r m a tc l a s sf 1 2 中的规定。 校驰序列应按如下的多项式公式计算：g ( x 产- x 7 + x 6 + x 5 + ) ( 2 + 1 7 位余数的绪聚应用一个偶校验位扩展，所有的8 位数据取反发送。 7 凌麓钱璐( f _ e o d e ) 主帧中的4 位fc o d e 称为功熊代码，它不仪区分后面的地址是逻辑地 址还是设备地址，还对应不同的操作，详细的功能代码意义可参见表3 - 1 。 表3 1 功能代码详细列液 8 。报文 西确变通大学硕女研究生学, t c - - 沦r 第13 更 m v b 总线中总线管理器又称总线主设餐，它的一令霾要的臻裁楚 负责通信的发起，总线主发起个主帧作为数据请求，相应的从设备发 送从犊进嚣真正螅数据传埝。这撵姻主顿烟上响疲该主犊的从蛟裁维成 了m v b 的报文。m v b 的三种数据必型的报文组成如下： 过程数据请求垃 氅黛学响成 主设备幢 f 从设备帧 l 匾雪墨圈霍盈置墨l - 图3 - 5 ：过程数据缀文 过程数据的报文如图3 。5 ，主设备通过发送一个过程数据请求来请求 发送过程数据，这个过程数据请求是一个禽有数德为0 - - 4 的f _ e o d e 的主 帧。主帧的1 2 位逻辑地址部分所标识的从设备( 源) 回反过程数据扶桢， 这样组成过程数据报文，但从帧长发要符食主帧中fc o d e 的规定。 图3 - 6 ；消息数据撒文 消息数据的报文如图3 - 6 ，主设备通过发送一个消怠数据诸求( 一个 fc o d e = 1 2 的主帧) 来请求该帧中设各地址指定的设备发送消息数据，从 丽形成一个消息数据报文，从帧的开鍪畿是消息模式，0 0 0 1 表示单 播寻址目的设鍪方式， 1 1 】l 表示广播，其后的耳盼没餐地址可以用 来传数据。目的设备地址后4 位( p t ) 规定了协议类型，然后是1 2 位的源 地址，其后的8 位( s z ) 表示在后续的链路数据中窍意义的字节数目。如 果链路数据的尺寸小予2 1 6 位，剩下的将用“0 “填满。 篮蓉数据请求篷磐教撵堍盎 ( 主设鬻糖，( 从城备材) 0 6 1 6髓l s )( 硼s ) 7 鞠3 _ 了：箍鬣数攒擐交 西南交通大学磺士研究生学彼论文第 4 页 监视数据报文如图3 7 ，主设备向一个设铸发送监视数据请求，被呼 l 瓣没套摄据蠡溅静谤凝发出簸餐数据薅应扶竣。这令羹瓣羧搓请求侵 爝下列fc o d e ( fc o d e = 8 主权转移请求，v _ e 似l e = 9 一般豢件请求， fc o d e = 1 3 组事件请求，fc o d e = 1 4 单一事件 青求，fc o d e = 1 5 设备状 态请求) 。监督报文的格式虽然很固定，但它的操作比上两种复杂，在 羼瑷粒奔痿访竭方式里蠹将详纲举倒说鹄。 3 1 5 州b 的报文定时 m v b 的编码方式、校验和帧格式只能保诞m v b 工作的可嚣性。但作 为牵鼯总线，鸯确定戆响应跨阕方是宅最六瓣特点。臻迂这个嚏瘟露霾 就褥依靠m l 精确的报文定时。一个完整的撮文包括一个主帧以及响应 主帧的从帧。主设备上的总线控制器定期从m 中读取主帧并发送，地址 相关的设备源响应，从t m 读取从帧并发送，地址相关的设备德接收从帧， 这徉蓑宠残了一次蓥本豹逶售，絮罄3 1 8 。藏纛辩瘸t 一珏措是觚主枣蠡蓬至l 驭 顿头所经历的时闻，对于主设备来说，这段时间包括：传输延时+ 2 + 从设 备解码以及取从帧需要的时间。i e c 6 1 3 7 5 规擞作为源的从设备端自勺tl i l s 应在2 6 u s 之间。作为宿的从设备端( 目标设备) ，tm s 在4 4 2 。7 u s 之 淘。蘸令圭竣之藤煞踅褰t 狂聪波该夸予i 。3 m s 。警然，主设蘩本身氇毒胃 能怒源或者是宿。 羹 主梭鼯歇簸 ， 。主鞍 e l | # 蛐 dn 1 峭挺削靓2 疵 i 博挺2 4 2 艄能0 挝 一 时劁 1 2 2 淤 叫2 m ：1 2 2 辨- l 霉g 辨 t k 口v 燃d 盘起蛤势摊持 s s n 孰起嫡分界特 辨靛蝗性 出；簸嬲菇瞻疯主蟥嚣融秧乏辩魏唾嘲矧龋 l 一瑚 敏融被瓢下点壤船* 事辩辩磋 t 。蝴点啦蚜主槭土酬瞬时拇简磁 囤3 - 8 ：m v b 的报文定时 堡垒奎墨垄兰茎查堡壅生兰堡垒查 整：! 要 3 6 赫铺的介质访潞方式 l v l v b 采舅主一从方式螅礁定性分质访阉控制，余质谤趣由总线上瞧一 的主设备集中控制。这时的主设备又称总线管理器，总线管理器设备在 轮回时阍内保持对慧线款控制。褒羚回结窳时，当兹主擞餐将撼控睾投 移交给下一个待选主设备，如果没有找到合适的主设备则它将继续执行 控毒权。 为了保证实时变量通信确定的、不受负 载影响的响腹时间，同时使 l 实对的消息逶售充分裂鲻黎l 余螅豢宽，m 豫总线上熬量设器将一令 轮回周期划分为固定的时间片，这个时间片称为“基本周期”，一个基 本周疑又分必4 令稳： a ) 周期相，主设备在此时域论询周期数据； b ) 煎襁据，圭设墨琴l 爰该蝴进行设餐扫接窝主教转移； c ) 事件相，主设备谯此时域进行事件查询； 硅) 保妒穗，俸为提供下一髑期稳数舞始。 i ?接_ 辩k l 一w 州，张t l j p ， 一 - n # 舯一 _ - 一剐均聃i cl 曲a s o _ 呻 ；麓瓣秘 _r 一攀洲一毫 _r 霸辩藕簸我耜攀髓嘲 蠢 嚣瓣鞠 鞋 羝 l 姑 门同隔i 镛pi i同固隧圈i生t i s n i s n i 例到掌 隅蕊翻罗 睾i t 鹫3 固嬲慧绒数据基本瘸期 懿窝3 9 ，慧线主设备嗣麓周麓榴聚传送安嚣戆要求缀严静遥程数据， 利用监督相进行事件轮询、设备状态扫描和主权的传送；在事件相，根 攥事 孚轮谗熬结果传递渭惠数据帮敬交熬设备状态。在锅发往发送之詹 保留的保护相作为缓冲以保证下一个周期自正确开始。 蠢予车矮总线静经务不蔺，总线静基本周期、周麓栩和儡发稽在一 个基本周期内的比例。主设备最小的带宽分配周期( 基本周期) 决定实 # 事变量静最快响应雾孛闯，氛 v b 煞最傻晌应孵闻胃遮l 2 m s ，该髑期的实 西南交通羌擎硕士研究生擘俄论文第l6 页 现、各个相的比例通过配置通馏存睫器( t m ) 来实现。 下覆疼详绥娥介绍m v b 楚翅壤在一令基本趣絮匏各令矮孛莛送蚤手孛 数据的。 过程数据通俗： 过程数据通信是在周期相中进行的源寻址广播，由主设冬首先定期 逢发凄主藏，主枣蠡数臻位一共t 6 b i t ，蓑瑟遗弱磊秘l 健玛( fc o d e = 0 4 ) ， 后颡1 2 b i t 的逻辑地址。总线上的所有设备都对接收的主顿进行译码( 包 用户设备 慝一 用户设备 日 用户设备用户设备 口口黧 裂3 一1 0 黼搬文通信( 澡寻自广播) 瘦 m v b 括主设备自己) ，地址匹配且为源的设备端翻回复从帧，从帧的长度跟 fc o d e 的值有关，该从帧也被艨蠢设备接收，地址医配且为窕的设备端 目嫡应并接狡该觚赣。就像鋈3 | o