（电力系统及其自动化专业论文）mvbcan通信网关的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 l 页 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dd i s t r i b u t e d f i e l d b u s t e c h n o l o g y , t r a i nm o r ea n dm o r eu s eo ft h e t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，a n dg r a d u a l l y r e a l i z e dt h et r a i nc o n t r o ls y s t e m si n t e l l i g e n t 、n e t w o r k i n ga n di n f o r m a t i o n m v bi s d e v e l o p e ds p e c i f i c a l l y f o rt h e r a i l w a yv e h i c l e d e d i c a t e dn e t w o r kw i t l lh i g hs p e e d c o m m u n i c a t i o n s ，r e a l - t i m ei sg o o d h o w e v e r ，m v bi ss p e c i f i c a l l yd e v e l o p e df o rt h et r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，i t ss c o p e ，s u p p l i e r s ，e c o n o m ya r en o ta sg o o da sc a nb u s c a n b u sa saf i e l dd e v i c el e v e lc o m m u n i c a t i o nb u s c o m p a r e d 、 ，i t l lt h eo t h e rb u s e sw i t hh i g h r e l i a b i l i t ya n dc o s tp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，i ti s al o to fl o c o m o t i v et r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ks y s t e m sa r eu s e dt oc a nb u sa n dt h em v bf o r m sc o m p o s e do fh e t e r o g e n e o u s n e t w o r k s t h et w ob u sc o n n e c t i o n sa st h em v b c a ng a t e w a yi sa l s om o r ea n dm o r e a t t e n t i o n m o s to fr a i l w a yr o l l i n gs t o c ki nc h i n ab yt h eb a c k b o n en e t w o r kt c nb u sp r o t o c o l ，t h e c a r - c l a s sn e t w o r kw i t hm v bn e t w o r kp r o t o c 0 1 t a k i n gi n t oa c c o u n ts o m ev e h i c l e e q u i p m e n to n l yw i t hc a n b u si n t e r f a c e ( s u c ha sv e h i c l ef a c t o r yi nt h em a r k e tp u r c h a s e a d d i t i o n a lc o m m o ne q u i p m e n to ro t h e rm o n i t o r i n ge q u i p m e n t ，n o te q u i p p e df o rt h ep r i c eo r o t h e rr e a s o n sm v bi n t e r f a c e ) ，t h i sp a r to ft h em o n i t o r i n ge q u i p m e n ts h o u l db ei n c o r p o r a t e d i n t oc a r sb a c k b o n e ，t h e r ei sm v ba n dc a nd a t ac o m m u n i c a t i o np r o b l e m s t h i sp a p e r s t u d i e st h ei n t e r c o n n e c t i o np r o b l e mo fe q u i p m e n tw i t hc a ni n t e r f a c ea n dt h em v b n e t w o r k b a s e do nt h em v ba n dc a nc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li n d e p t ha n a l y s i s ，t h e r e b y e n a b l i n ga l lm v b c a ng a t e w a yd e s i g n ，e f f i c i e n tc o m p l e t i o no ft h ed a t ac o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h et w op r o t o c o l s t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h et h r e ep a r t so fm v b - c a ng a t e w a y s y s t e m ：h a r d w a r ed e s i g nd i a g r a m ，s o f t w a r ed e s i g n a n ds y s t e mp e r f o r m a n c et e s t i n g c o m p l e t e dt h ei n t e r f a c em o d u l ed e s i g no ft h em v b a n dc a nb u si nh a r d w a r ep a r td e s i g n a n dt h eg a t e w a yb a s e do np c10 4b u s s y s t e mi n i t i a l i z a t i o na n db u sd a t ae x c h a n g ei sak e y p a r to fs o f t w a r ed e s i g n ，m v bb u sa n dc a nb u sd a t at r a n s c e i v e rp r o g r a m m i n gi nt h e s o f t w a r es e c t i o no ft h i sa r t i c l ea r ea l s od i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dt e s tp e r f o r m a n c eo fs y s t e m g a t e w a y k e yw o rd s ：t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ；m v b ；c a n - b u s ；g a t e w a y 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 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“小) 学位论文作者签名嘞鹂1 ) 日期：么p 箩习 嗽：侧1 岬娩 指导老师签名： 1 ) fh ii 乃u ( 一 日期 b ( d 如。f 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： l 、首先在研究m v b 和c a n 总线的性能特点及通信协议的基础上，完成c a n 网的组网设计。 2 、利用基于p c i 0 4 总线的m v b 实验平台实现m v b c a n 网关的硬件设计 3 、编写了m v b 总线设备接口通信软件、网关协议通信和c a n 总线设备接口通 信软件。 4 、测试了m v b c a n 网关性能。 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己经发表或撰 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说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：勃稻西j +：f 日期：润弋弓 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 当今人类正进入网络信息时代，计算机网络的迅猛发展正在改变着人们的工作和 生活。铁路运输也不例外，列车运行中越来越多的信息，例如车厢状态信息、列车控 制信息、列车诊断信息、旅客服务信息等，需要在列车组中的各个车辆之间进行传输 和交换，这就需要通过一种网络来实现，这种网络被称之为列车通信网络。i e c 制定 的列车通信网路国际标准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 ) 将成为一个标准的数据 通信平台。按照t c n 标准，列车通信网分为两级，第一级绞线式列车总线w t b 实现 车辆间的数据通信，第二级多功能车辆总线m v b 主要实现同一个车辆内各个功能控 制单元之间的数据通信。 计算机测控技术是对计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器技术等学科 的综合运用，它也是伴随着这些学科的发展而发展的。计算机测控技术从产生直到今 天的广泛多样的应用大致经历了集中式、分层式、集散式及现场总线这四个阶段。现 场总线技术是测控技术与网络技术的成功结合，它在世界范围内己得到广泛应用，并 形成了多种成熟的技术标准，如基金会总线( f i e l db u sf o u n d a t i o n ，f f ) 、l o n w o r k s 、 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 、c a n ( c o n t r o l l e r a i e an e t w o r k ) 等。控制器局域网络c a n 最初是为汽车内部数据通信而设计，由于得到m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p 等公司的支持， 它以广泛应用于工业控制领域，被认为是最有前途的现场总线之一心3 。 1 1 课题的研究背景与意义 2 0 世纪8 0 年代初，以微机为代表的计算机开始应用到列车故障诊断、运行参数 显示等方面。随着技术的进步和市场的需求变化，铁路机车车辆工业对列车微机控制 系统中的车载数据通信网提出了新的要求，期望建立一个在机车车辆内部及列车和地 面控制系统之间交换控制命令、状态信息、故障诊断及旅客信息等的数据通信网络。 为此，i e c 为列车通信网络制定了标准的数据通信协议t c n 。列车通信网络是一个安 装在列车上的计算机局域网络系统，负责对整列车各个车载设备信息的采集与传递， 对整列车进行控制、检测、诊断及记录，并为乘客提供信息服务。列车通信网络是一 种面向控制，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各层次各单元之间连接起 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 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 下了基础1 。 1 9 8 8 年，国际电工委员会i e c 电气牵引设备( t c 9 ) 成立了第2 2 工作组( w g 2 2 ) 与国际铁路联盟联合着手定制了t c n 标准i e c 6 1 3 7 5 。根据定义，这里所说的t c n ， 是指进行通信的车辆总线及列车总线的集合。并确定绞线式列车总线w t b 和多功能 车辆总线m v b 作为列车总线和车辆总线。 科技的发展和社会的发展，使2 0 世纪末的全球化市场竞争空前激烈。竞争中的 企业逐渐开始实施计算机集成制造系统，采用系统集成、信息集成的观点来组织工业 生产。在这个系统中，为实现现场智能设备之间的多点数字通信，计算机测控技术与 计算机网络紧密地结合在一起，产生了能在工业现场环境运行、性能可靠、造价低廉 的现场总线( f i e l db u s ) 技术h 3 。现场总线的关键是把网络化、信息化的概念彻底引用 到控制领域和工厂的控制中，构建完整的控制网络和信息网络。它和传统集散控制相 比，具有全开放、全分散、互操作等优点。人们认为，现场总线的出现标志着工业测 控技术领域又一个新时代的开始。 现场控制总线出现于上世纪8 0 年代，是一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备变成网络节点，以现场总线为纽带， 完成现场自动化设备之间的多点数字通信，相互共享信息。它打破了原来孤立的直接 控制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，又可传输旅客信息和进行故障诊断。 我国的现场总线技术起步很晚，起点也较低。c a n 现场总线是一种支持分布式控制 系统或实时性控制的串行通信网络，具有成本低、可靠性高、抗干扰能力和实时性强 等特性，是最普及的工业现场总线之一晦1 。 随着微电子技术和分布式现场总线技术的发展，越来越多的列车采用了列车通信 网络，利用网络实现了对车载设备的集散式监视、控制和管理，逐步实现了列车控制系 统的智能化、网络化与信息化。我国大部分铁路机车车辆主干网络采用的是t c n 总 线协议，其车厢级网络采用m v b 网络协议，考虑到部分车载设备只具备c a n 总线 接口( 如车辆厂在市场上采购的通用设备或其它附加监控设备，因价格等原因并未配 备m v b 接口) ，这部分设备的监控也要纳入车厢主干网，就存在m v b c a n 的数据 交换，则必然要使用m v b c a n 通信网关，从而实现两个网络间的数据传播。本文主 要研究带有c a n 接口的设备与m v b 网络互联问题。 m v b c a n 通信网关的设计与实现具有现实意义，为列车通信网络的多元化发展 提供了有力的支持，也为其他异构网络组网方式的设计提供了参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 1 2 国内外研究现状 1 2 1m v b 总线的国内外研究现状 列车通信网络专用标准即t c n 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 和用于连接车辆内固定设备的车辆通信网络m v b 。车厢 总线以a b b 的m i c a s 车厢总线为蓝本，而列车总线以西门子的d n l 4 3 3 2 2 和意大利 的c d 4 5 0 为基础1 。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 技术基础上的制定的标准，因此得到了众多铁路公司和设备供应商的支持。目前，t c n 在欧洲得到了大量应用，在北美有部分列车采用，国内也引进了相应技术，先后用于 “先锋”、“蓝箭 、“中原之星”、“中华之星 等动车组。 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，国内加紧了对这t c n 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。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。广 州地铁、上海地铁、香港地铁等已经面临这方面的问题。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 所迫切希望的盯1 。 目前国内的m v b 发展还面临着以下几个难题： 目前m v b 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 v b 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，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。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 产品的后期服务、维修配件、升级换代等方面面临困难。铁路产品的生命周 期相对较长，如果没有完全自主掌握，在产品的后期服务，维修配件、升级换代等方 面必然会带来极大的困难。 1 2 2c a n 总线的国内外研究现状 现场总线是用于生产制造现场的最底层通信网络，它实现了微机化的现场测量控 制仪器或设备之间的双向串行多节点数字通信。现场总线技术的关键是使自动控制系 统与现场设备具备通信能力，将它们连接成网络系统，实现现场通信网络与控制系统 的集成。作为网络系统，它具有开放统一的通信协议隅1 。以现场总线为纽带的现场总 线控制系统( f c s ) 是一种新型的自动化系统和底层控制网络，它承担着生产运行测量 和控制的全部任务。现场总线还可与因特网、企业内部网相连，使自动控制系统与现 场设备成为企业综合自动化系统和信息系统的一个组成部分。它具有以下特点：系统 的高度开放、互操作性强、现场设备智能化、系统结构高度分散、对现场环境适应性 强。 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，由于得到m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p 等公 司的支持，它以广泛应用于工业控制领域，被认为是最有前途的现场总线之一。1 9 9 3 年，c a n 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) 。如德国货运和 法国国铁货车车辆网络，s i e m e n s 、a i s t o m 、b o m b a r d i e r 、f i a t 、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 。中国铁路高速c r h 5 型动 车组由北车长春客车厂与法国阿尔斯通联合生产，其中的部分车载设备( 如充电机、 厕所设备监控及自动车钩中央控制单元) 由c a n 总线联网，通过m v b c a n 网关接 入主干m v b 网旧。 c a n 的协议建立在i s o o s i 模型基础之上，但只采用了该模型地层的物理层、 数据链路层和项层的应用层。c a n 总线具有如下主要特征：多主站依据优先权进行总 线访问、无破坏性的基于优先权的仲裁、借助接受滤波的多地址帧传送、远程数据请 求、配置灵活、错误检测和出错信令、可寻址2 k 节点等。c a n 卓越的特性、极高的 可靠性和独特的设计特别适合工业过程监控设备的互连，受到工业界的高度重视。 尽管c a n 协议已经有1 5 年的历史，但它仍处在改进之中。从2 0 0 0 年开始，一 个由数家公司组成的i s o 任务组织定义了一种时间触发c a n 报文传输的协议。b e m d m u e l l e r 博士、t h o m a sf u e h r e r 、b o s c h 公司人员和半导体工业专家、学术研究专家将 此协议定义为“时间触发通讯的c a n ( t t c a n ) ”，计划在将来标准化为i s o l l 8 9 8 4 。 这个c a n 的扩展已在硅片上实现，可实现闭环控制下支持报文的时间触发传输。因 为c a n 协议并未改变，所以，在同一个的物理层上，既可以实现传输时间触发的报 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 文，也可以实现传输事件触发的报文。 现在，c a n 在全球市场上仍然处于起始点，当得到重视时，谁也无法预料c a n 总线系统在下一个1 0 1 5 年内的发展趋势。这里需要强调一个现实：近几年内，美国 和远东的汽车厂商将会在他们所生产汽车的串行部件上使用c a n 。另外，大量潜在 的新应用( 例如，娱乐) 正在呈现，不仅可用于客车，也可用于家庭消费。同时， 结合高层协议应用的特殊保安系统对c a n 的需求也正在稳健增长。 结合c a n 总线可靠性、实时性强特点和列车通信特定的环境，在列车( 包括地铁 列车、城市轻轨列车、磁悬浮列车) 上，c a n 总线基本上有两种应用：一种是用作列车 通信网络的车辆总线和列车总线；另一种是用作列车车载监控系统。近年来，c a n 总 线协议在轻轨、地铁、货车等轨道车辆以及车门、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应用u 们。 1 2 3m v b c a n 网关的研究现状 对于m 3 c a n 网关的设计有两种方法： 1 基于c p u 的m v b - - c a n 网卡设计。网关由m v b 总线板卡、c a n 总线板卡、 c p u 板卡组成；其中c a n 板卡负责c a n 总线设备的数据收发，m v b 板卡负责m v b 总线设备的数据收发，由c p u 采用一般并行接口模式在两种网络接口之间交换数据， 实现网关功能。采用这种方式构建的网关符合国际标准的t c n 网络技术，具有设计 简单、容易实现、开发周期短、可靠性高等特点。缺点是成本较高、数据传输延迟时 间较大。 2 基于f p g a 、m v b 网卡、c a n 网卡直接转换的网关设计。由于要实现 m v b c a n 协议的转换则必须完成帧格式转换等一系列问题。其特点是技术复杂、开 发周期长。优点是成本较低、数据传输延迟时间短。 我国目前做列车网络控制的公司主要有：大连机车车辆有限公司，中国北车股份 有限公司等。两家公司都开发了自己的m v b c a n 网关。其中大连机车车辆有限公司 研发中心于跃等人研发的基于a r m 7 核微处理器的m v b c a n 网关设备已申请 国家专利。其特征在于包括核心处理电路、m v b 协议控制电路、m v b 接口电路、共 享r a m 电路、c a n 协议控制电路、c a n 接口电路和逻辑控制电路。核心处理电路 利用共享r a m 电路与m v b 协议控制电路进行数据通信，并通过m v b 接口电路与 m v b 总线进行数据传输；同时它也利用逻辑控制电路与c a n 协议控制电路进行数据 通信，并通过c a n 接口电路与c a n 总线进行数据传输。具有m v b 过程数据、消息 数据、监视数据和网络管理功能，也具有c a n 链路层管理、应用层管理功能。 中国北车股份有限公司的m v b c a n 网关产品c n t r a ce b m v b c a n 0 1 ，主 要由自主研发的m v b 协议控制器和c a n 协议控制器组成。产品具有冗余的m v b 接 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 口和c a n 标准接口，可采用标准的c a n 2 0 a b 协议。它可实现m v b 数据流和c a n 数据流之间的数据交换，主要用于带有c a n 接口的设备与m v b 网络互联。 目前中国铁路高速c r h 5 型动车组由北车长春客车厂与法国阿尔斯通联合生产， 其中的部分车载设备( 如充电机、厕所设备监控及自动车钩中央控制单元) 由c a n 总线联网，通过m v b c a n 网关接入m v b 主干网。 1 3 论文的研究目的和方法 m v b 是为轨道车辆专门开发的专用网络，具有通信速率高、实时性好等特点。但 由于m v b 是专门针对列车通信网络而开发的，其适用范围、供货商、经济性均不如 c a n 总线。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。c a n 作为现 场设备级的通信总线，与其他总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比，用c a n 总线做工程最大的特点就是启动成本低。因此，目前很多铁道机车车辆的列车通信网 络系统都采用了以c a n 总线和m v b 共同组成的异构网络形式。而作为两种总线连 接节点的m c a n 网关也越来越受到人们的关注。由于我国引进的部分车辆采用的 是c a n 总线协议，当应用在m v b 列车通信网络时，要实现m v b c a n 的数据传输， 则必然要通过m v b c a n 的网关。本文主要讨论带有c a n 接口的设备与m v b 网络 互联问题。 本文设计的m v b - - c a n 通信网关是基于c p u 的m v b - - c a n 网卡设计。网关由 m v b 总线板卡、c a n 总线板卡、c p u 板卡组成；其中c a n 板卡负责c a n 总线设 备的数据收发，m v b 板卡负责m v b 总线设备的数据收发，由c p u 采用一般并行接 口模式在两种网络接口之间交换数据，实现网关功能。采用这种方式构建的网关符合 国际标准的t c n 网络技术，具有设计简单、容易实现、开发周期短、可靠性高等特 点。本论文就是从实现构建高性能、易开发的m v b c a n 通信网关设备的角度出发， 实现m v b 和c a n 总线网的直接数据交换。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 第2 章m v b 和c a n 通信协议 2 1m v b 通信协议 多功能车辆总线m v b 是在国际标准正c 6 1 3 7 5 列车通信网络t c n 中被详细定义 的一种现场总线。m v b 总线是快速的过程控制优化的总线，能提供最佳的响应速度。 m v b 总线被设计用于连接车辆内部的设备或固定编组的列车组中各车辆之间的设备， 主要被用于有互操作性和互换性要求的互联设备之间的串行数据通讯总线。其节点功 能较为简单，实时性较强，适合用作车辆总线，对于固定编组的列车m v b 也可以用作 列车总线。 2 1 1m v b 通信网络层次 列车通信网络属于局域网，它采用分层的拓扑结构，根据列车控制的特点分为上、 下两级层次：上层为绞线式列车总线w t b ，属于较高一级的列车主干网络，连接各个 车厢的网络节点。下层为多功能车辆总线m v b ，连接一个车厢或固定车组内部各个 可编程终端装置。 列车总线和车辆总线是两个独立的通信子网，可采用不同的网络和协议。车厢设 备是通信网络上各种信息的发源地，也是服务命令的执行机构。车辆总线连接各个车 厢设备，周期性地广播用于牵引和列车控制的时间严格的过程数据。车辆总线在机车、 车辆或正常操作期间不分开的车厢组中是标准数据的传送载体。它既提供可编程设备 之间的互连，也提供可编程设备与其传感器和执行机构之间的互连。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，由总线管理器负 责控制整个车厢内各设备对总线的访问。总线上可以有多个总线管理器，但在一个给 定的时间内，只能有一个总线管理器是主动的，称为主设备，其他的管理器作为一个 从设备在总线内出现，并作为冗余以防止故障的出现。总线主之间以令牌算法进行切 换管理总线。由于列车的干扰状况和运行环境的恶劣程度是其它工业场合不可比拟 的，所以车辆总线通信的可靠性要求极高。同时，车辆总线要求通信具有强实时性， 能在规定的采样周期内及时响应操作命令，及时采集机车的工况参数，及时给出控制 指令等。 在m v b 总线中，总线访问每个设备由专用的总线控制器控制。m v b 控制器包 含编码器和译码器，以及控制通信存储器的逻辑。总线控制器对到达的帧译码并寻址 相应的通信存储器。m v b 的实时协议包括物理层和链路层。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 2 1 1 1m v b 通信网络物理层 物理层为数据链路上的两端实体间提供建立、维护和拆除物理连接信道所必需的 ( 机械、电气、功能) 特性，目的在于保证可靠的电信号的传输。m v b 物理层是m v b 总线信号传送的物理载体。根据工作的传输距离的不同，m v b 采用了三种不同的物 理介质，分别为电气短距离e s d ( e l e c t r i c a ls h o r td i s t a n c e ) 介质、电气中距离 e m d ( e l e c t r i c a l m i d d l ed i s t a n c e ) 介质和光纤o g f ( o p t i c a lg l a s sf i b e r ) 介质，他们都在 1 5 m b i t s s 的相同速率下工作。下面分别对三种传输介质进行介绍： 1 、电气短距离介质e s d 电气短距离介质基于采用标准r s 4 8 5 用于传送的差动收发器，在发送器和接收 器之间无需电气隔离，导线末端需加以端接和偏置，并且具有附加的偏置电压。在设 计时，选用的收发器应严格遵循i s 0 8 2 8 4 ( r s 4 8 5 ) 的规范，这些规范允许在不使用中继 器或无需电气隔离情况下在2 0 m 的距离内可连接3 2 个设备( 一个段内) ，但实际上传 输距离和所支持设备的数量受限于电缆、连接器和设备所引起的传输波形的失真，同 时还受限于接地质量和干扰等级的影响。若使用电气隔离则传输距离可更远。因而它 适用于封闭小室内，采用背板总线。数据采用基带串行曼彻斯特编码。 2 、电气中距离介质e m d 2 0 0 m 以内采用的电气中距离介质，每段最多可支持3 2 个设备，采用双绞屏蔽线 传输，收发器与接收器之间用变压器作电气隔离，允许使用标准的i e c l l 5 8 2 变压器 和收发器。在闭式列车组中，m v b 可以穿越几个车辆，最长距离为2 0 0 m ，相当于4 节车辆长度而无需中继器，每段最多支持3 2 个设备，因此，这种介质适合于连接运 行中经常连挂和解连的车辆。采用变压器耦合隔离按差动方式传送，提高了抗共模干 扰的能力，其数据的编码方式和e s d 相同采用基带串行曼切斯特编码。与e s d 类似， 实际距离和支持设备的数量也受限于电缆、连接器和设备所引起的传输波形失真，同 时受限于接地和屏蔽的质量。 3 、光纤介质o g f 2 0 0 0 m 以内采用的光纤作为传输介质，具有很好的防电磁干扰能力，抗裂防震性 能强、传输质量高，主要用于较为苛刻的环境。采用一对构成全双工点对点的光纤或 星耦连接。光纤既可以直接对设备进行连接，也可以通过星形耦合器连接。用有源星 形耦合器或无源的星形耦合器把几条光链路连接起来，构成星形总线光纤段，通过中 继器连接到电气段上。由于光纤传输有很多优点，如传输速率高、误码率低、抗电磁 干扰能力强、损耗小及绝缘性好等，并且车厢内的光纤接头的插拔只需在维修时才需 要执行，从而车厢内也比较干净，油灰、水汽污染也较低，所以采用光纤很合适，这 样以来，就可以提高列车通信网的传输频率和扩大信息传输量。数据采用基带串行曼 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 切斯特编码。 对所有介质来说，收发器接口说明了在设备内部总线控制器和收发器间的连接， 也可将其定义为电接口，该接口位于设备内部时需要保证接口的可测性，它无需进行 一致性测试。收发器接口认为介质采用两种截然不同的电平：高电平和低电平，其定 义如下： t x s ：发送器信号，该信号控制着介质的电平，当介质采用低电平标准时其值为 “0 ”，高电平时为“1 ： t x e ：发送器使能，该值为“l 时发送器有效，在光介质传输中无需此信号，在 不同介质中其时序有所不同： i 奴s ：接收器信号，该信号表明介质的状态，当总线为低电平时其值为“0 ”，高电 平时为“l ”。 m v b 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 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。 m v b 总线拓扑结构为总线型、星型两种。m v b 可以支持三种物理介质，任一种 介质连接几个m v b 设备就可以构成一个总线段。段与段之间采用中继器或者通过星 耦器连接多路光纤和中继器连接。连接各个总线段的设备叫耦合器，耦合器分为可连 接不同介质的中继器和可将光纤汇入总线的星耦器。星耦器把几条光链路互连起来， 构成星型拓扑结构，如图2 1 所示。 图2 1m v b 总线拓扑结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 图2 1 中含有一个电气短距离段e s d 、一个电气中距离段e m d ，不同的段间采 用中继器互连。在总线段的末端都采用端接器短接。e s d 段分为机箱内的背板总线和 e s d 电缆。总线管理器，机箱内设备，节点网关通过机箱内的背板总线连接，几个在 机箱外的设备通过连接器进入机箱。e m d 段包括一个总线管理器和几个其它设备。 总线段之间通过中继器相连接。图中的每个总线段都可以被重复以提高实用性。m v b 采用中继器可扩展到2 0 0 0 m ，网络的扩展受任何两个设备之间的最大应答时延的限 制。在实现时，在距离超出的情况下，由用户负责处理应答延时。 2 1 1 2m v b 通信网络数据链路层 数据链路层利用物理层提供的比特序列传送的功能，在邻接的节点之间实现透明 的、高可靠性的数据传输。一般具有链路的建立和释放、组帧的序列化、传送确认、 流量控制、传送错误检测和恢复功能。根据列车通信网络的特点，列车故障诊断系统 中m v b 总线的数据链路层分为两个子层一逻辑链路控制l l c 子层和介质访问控制 m a c 子层n 羽。 在列车通信控制网络中，数据链路层决定着网络系统的性能，通过对数据链路层 中各种数据的格式和传输模式的研究分析，可以进而得出系统网络性能的特征。因此， 在这里着重对数据链路层进行研究分析。 一、m a c 子层 m a c 子层主要有两个功能：数据封装( 成帧、编址和差错检测) 和介质存取管 理( 信道分配、解决争用问题等) 。 1 、常用的m a c 控制方法有： 1 ) 争用方法( c s m a j c d 一载波侦听协议) 。 2 ) 令牌传送方法( 正e e 8 0 2 4 令牌总线8 0 2 5 令牌环f d d i 等) 。 3 ) 轮询方法( 指定一台设备为主设备，以事先定好的顺序查询其他设备，即从 设备，看它们是否有消息发送) 。在m v b 的特殊环境中采用轮询是一种理想的方式。 2 、m a c 帧结构格式 物理层只能传送比特位，当物理层把收到的比特流传递给m a c 子层时，m a c 负责把这些比特流转换为数据的逻辑单位一组帧。m v b 中介质访问控制帧的格式由 分界符、数据位和校验序列( c s ) 组成。在m v b 中有两种帧格式，一种是只能由总线 主设备发送的主设备帧，简称主帧，其结构如图2 2 所示。一种是为响应主帧而由从 设备发送的从设备帧，简称从帧，其结构如图2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 图2 2m v b 主帧格式 图2 3m v b 从帧格式 终止分解符 矗i d 如罔 8 位 终止分解符 建i ：一却图 8 位 主设备帧固定为3 3 位，包括9 位分界符，1 6 位数据位和8 位帧校验序列。其中 数据位的高4 位为功能码，其余的1 2 位则由功能码定义为源地址或其他参数。从设 备帧有3 3 ，4 9 ，8 1 ，1 5 3 和2 9 7 位五种格式，包括9 位分界符，1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 和 2 5 6 位五种数据位格式，以及每6 4 位数据为一组的8 位校验序列，少于6 4 位的数据， 如1 6 位或3 2 位其后也应加8 位校验序列引。 1 ) 位编码 帧的编码和解码采用两种不同电平的二进制介质，这两种电平称作h i g h 和 l o w 。单个数据位，“1 ”和“o ”，应按如下规则在位单元中编码，如图2 3 所示： 一个“1 ”的编码在位元的前半部分应为h i g h ，后半部分为l o w ：一个“o ” 的编码在位元的前半部分应为l o w ，后半部分为h i g h ( b t = 6 6 6 7 n s ) 。此编码称作 曼彻斯特编码。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 2 ) 非数据符编码 非数据符n h 和n l ，应按如下规则在位元中编码，如图2 4 所示：一个“n h ” 的编码在整个位单元为h i g h ：一个“n l ”的编码在整个位单元为l o w 。 图2 5m v b 帧非数据符 3 ) 主起始分界符 发送器用一个起始位来开始一个帧，该起始位以逻辑“l ”送出。 数据以帧的形式传送，解码器能辨认的有效帧应包含：一个起始分界符，其后为 由“0 和“1 编码组成的帧数据；接着为一个终止分界符。主帧应当以一个起始分 界符作为帧头，起始分界符可以用来辨别主从帧，这个分界符称为主起始分界符，它 的序列为： 起始位，“n h ”，“n l ”，“0 ”，“n h ”，“n l ”，“0 ”，“0 ”，“0 ” 。主起始 分界符格式如图2 6 所示： t x s l2 34 5 678 r x s 一起始位_ 卜 n h n l “0 ” n hn l “o ”“0 ” “o ” o 5 b t 古 问 ， e i t h e r 低 、 l ：- ，5 n s 帧的起始 图2 - 6m v b 主起始分界符 4 ) 从起始分界符 从帧也应当以一个起始分界符作为帧头，这个分界符称为从起始分界符，它的序 列为： 起始位，“1 ，“l ，“l ”，“n l ”，“n h ”，“l ”，“n l ”，“n h ”) ，从起始分界符 格式如图2 7 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 t ) ( s 12 3456 78 r x s 一起始位。1 ”。i ” “1 ”n ln h “l ”n l n h o 5 b t 高 厂一 厂l ， e i d e r 低 、 l ：1 5 n s - 帧的起始 图2 - 7m v b 从起始分界符 5 ) 终止分界符 在帧的最后一位单元后，发送器将发送一个终止分界符，当介质为e s d 时，添 加一个“n l ”编码，并停止发送；当介质为e m d 时，在“n l ”编码之后添加一个 “n h ”编码，并停止发送；当介质为o g f 时，添加一个“n l ”编码，并停止发送。 终止分界符规则由介质的类型决定。 6 ) 校验序列 帧数据应用一个或多个8 位校验序列来保护。数据的内容应处理成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。校验序列按被其保护的1 6 ，3 2 或6 4 位数据的循环冗余校验( c r c ) 计算n 钔。校验序列的运算公式应符合i e c 6 0 8 7 0 5 f o 皿a tc l a s sf t 2 中的规定。校验序列应按如下的多项式公式计算： g ( x ) = x 7 + 工6 + x 5 + x 2 + l ( 2 一1 ) 一个主帧应以主起始分界符开始，其后为1 6 位帧数据，接着为8 位校验序列， 最后为终止分界符。主帧应传送1 6 位数据字，发送的数据字的第一位应为它的最高 有效位，用b i t 0 来表示。主帧的内容：1 6 位字中最高有效前四位应为fc o d e ，次有效 的后1 2 位应表示fc o d e 所指定的地址或参数。因此，主帧有固定的格式为：3 4 b i t ( 9 b i t 主帧分界符+ 1 6 b i t 数据位+ 8 b i t 校验位+ 1 b i t 终止分界符) 。 一个从帧应以从起始分界符开始，接着为1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 或2 5 6 位帧数据，在 每6 4 个数据位后包含一个8 位的校验序列或当帧数据只有1 6 或3 2 位时将一个8 位 的校验序列附加其后。从帧包含了9 b i t 从帧分界符，数据段长度跟主帧功能码有关， 其中每6 4 b i t 数据后面附加8 b i t 的校验码，长的从帧最多会使用四个6 4 + 8 b i t 数据段引。 二、l l c 子层 l l c 子层在m a c 子层的基础上建立