（电力电子与电力传动专业论文）wtb底层协议的研究与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c l l i n1 9 9 9 i n t e r n a t i o n a le l e e t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o na d o p t e das t a n d a ln a m e d t r a i nc o r m n u n i c a t i o nn e t w o r k ( t c n ) 。w h i c hp r o v i d e dan o r m a lp l a t f o r mf o rd a t a t r a f f i co f t r a c t i o nc o n t r o l ，d i a g n o s t i ci n f o r m a t i o na n dp a s s e n g e ri n f o r m a t i o ne r e b e t w e e nl o c o m o t i v e w t b ( w i r et r a i nb u s ) i sd e f i n e di nt c nf o ri n t e r c o n n e c t i o no f v e h i c l e si nat r a i n w t bf u l l yc o n s i d e r st h ec a s eo f d y n a m i cc o m p o s i t i o nc h a n g ea n di t c a nm e e tt h er e q u i r e m e n tt h a tv e h i c l e sm a y b ec o u p l e do ru n c o u p l e df r e q u e n t l yi nd a i l y o p e r a t i o n i n t e r n a t i o n a l l yi ti sw i d e s p r e a df o rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f t c na n dr e l a t e d p r o d u c t sa n de q u i p m e n t sa r em a t u r e i no u rc o u n t r ys o m er a i l w a yr e l a t e du n i v e r s i t i e s a n dr e s e a r c hl a b o r a t o r i e sa l s od e v e l o pt c nr e l a t e dr e s e a r c hs e p a r a t e l ya n d c o o p e r a t i v e l y b u tw e c a l l tm a n a g et h ep i v o t a lt e c h n o l o g yo f t c nb o t t o ml a y e r n l i st h e s i si sb a s e do nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p i n gp r o j e c td f m o r ( m i n i s t r yo f r a i l w a y ) - r e s e a r c ho f b o t t o ml a y e r sp r o t o c o la n dk e yt e c h n o l o g yo f t c n ，t h et h e s i s a n a l y s e sw t bb o t t o ml a y e r sp r o t o c o la n dp i v o t a lt e c h n i c a ld e t a i l s o nt h eb a s i so f u n d e r s t a n d i n gw t bc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m ，ac u s t o mw t b t r a n s c e i v e ri p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) i sd e s i g n e d t 五ed e s i g na d o p t st o p - d o w nd e s i g nf l o wa n d c o m b i n e sv e r i l o gh d la n dd i a g r a mi n p u t 弛ei pc o m p o n e n ti sd i v i d e dt os e v e r a l r e a l i z a b l eb o t t o mm o d u l e c o d i n gd e s i g ni sv a l i d a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o n t h et h e s i s a d o p t ss o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) t e c h n o l o g yt oi n t e g r a t et h ec u s t o m w t bt r a n s c e i v e ri pc o m p o n e n ta n d3 2 - b i tn i o ss o f t w a r ep r o c e s s o ri n t oas y s t e m t h e s y s t e mi sc o m p i l e da n dd o w n l o a dt of p g a o f h a r d w a r ed e v e l o p i n g p l a t f o r m aw t b n o d eo f b o t t o ml a y e r sp r o t o c o li si m p l e m e n t e d t h r o u g ha p p l i c a t i o nv a l i d a t i o n , t h i s n o d e 勰as l a v en o d ec a nc o m m u n i c a t ew i t hs t a n d a r dg a t e w a yt oc o m p l e t ei n a u g u r a t i o n t h ci n n o v a t i o no f t h i st h e s i si s t oi n t r o d u c et h en e wt e c h n o l o g ys o p ct ot r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k n 峙p r o c e s s o r , pc o m p o n e n ta n dm e m o r i e si n t e g r a t et o c y c l o n e i ie p 2 c 8f p g a i tm a k e se a s i e r f o rs y s t e r nt oe x t e n da n du p g r a d e t h et h e s i s b u i l d st h eb a s ef o rp r o m o t i n gt h ea p p l i c a t i o na n dd e s i g no f t c ni no u rc o u n t r y k e y w o r d s ：t c n ：w t b ：s o p c ；i pc o m p o n e n t c l a s s n 0 ：t n 9 1 5 8 5 2 ：t p 3 6 8 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 要娜 导师签名：l 矽霹 签字日期：2 d 0 7 年f 2 月2 f 日签字日期：扣刁年，2 月z 己日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：妻诩p 签字日期： 2 明年2 月2 f 日 i 致谢 紧张而充实的研究生生活转眼就要结束了，回首这两年半的时光，心中充满无 限感慨。我在一个充满知识和智慧、尊重与友爱的实验室中学习和生活，我的导 师和同学都给予了我热心的帮助和鼓励，使我不断取得进步。 我的论文是在我的导师申薄教授和王立德教授的悉心指导下完成的，从课题的 选择，研究，直到论文的撰写、修改的每一个环节都倾注了两位老师的心血。他 们广博的知识，丰富的经验都使我受益匪浅，而他们严谨的治学风格、刻苦的钻 研精神和实事求是的科学态度又是我学习的榜样。研究生期间在两位老师的指导 下，我在各方面都有了很大的进步。在此谨向申老师和王老师表示衷心的感谢! 另外还要感谢我的师兄王永翔，因为同一个课题组的关系，他给予我非常多 的帮助。他总是给我最耐心的指导与讲解，帮助我克服了许多课题上的难关，他 的宽容、严谨与勤奋给我留下了至为深刻的印象。同时也向本课题组的杨宁表示 感谢，是我们的合作和互相鼓励才使得项目顺利进行。 在研究生期间，还得到了周围许多老师、同学的真诚相助，鼓舞我面对困难， 不断进步，在此也向他们表示衷心的谢意。 我还要感谢我的父母，永远支持和信任我，永远是我最坚强的后盾。 1 引言 1 1t c n 列车通信网络 1 i 1 列车通信网络的发展 列车通信网络是针对铁路列车流动性大、环境恶劣、可靠性要求高、实时性强 等特点，与列车控制系统紧密相关的分布式控制网络。随着微电子技术、控制技 术、计算机技术和分布式现场总线技术的发展，当代先进列车特别是新型铁路动 车组都采用了列车通信网络技术，对车载设备进行集散式监视、控制和管理，从 而实现列车控制系统的智能化、网络化与信息化。 2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初，列车通信网络的雏形分别在西门子公司和b b c 公 司出现。开始仅仅是用于传动装置的控制，随着控制和服务对象的增多，列车通 信网络在初期的串行通信总线的基础上应运而生，并从原来不周公司的企业标准 推向国际标准，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。如瑞士a d t r a n z 公司的m i c a s 系统、 德国s i e m e n s 公司的s i b a s 系统、日本的t i s 系统及法国a l s t o m 公司的f i p 系统等。 但这些系统由于自成体系，缺乏统一的通信协议及标准，互不兼容。 1 9 8 8 年，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 z 作组w g 2 2 ，其任务是 制订一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂，车上的可 编程电子设备能够互换。1 9 9 9 年6 月，经过长达1 1 年的工作，在a d t r a n z 公司的 m i c a s 、西门子公司的d i n 4 3 3 2 2 等运行经验的基础上制订的列车通信网络( t r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，简称t c n ) 标准i e c 6 1 3 7 5 1 正式成为国际标准【l l 。紧随其 后，i e e e 于1 9 9 9 年制订了i e e e l 4 7 3 列车通信协议，该协议包含i e c 6 1 3 7 5 ，1 规定的 t c n ( 1 4 7 3 _ t ) 和现场总线l o n w o r k s ( 1 4 7 3 - l ) 。 参照上述两大国际标准，并结合国内铁道牵引的实际情况，2 0 0 2 年，我国铁道 部也制订了相应的中华人民共和国铁道行业标准列车通信网络，同样也 规定了两种类型的列车通信网络：t 型和l 型i lo 】。 韭塞銮迪厶堂 亟堂 盈监塞 l 蠢 1 1 2 列车通信网络的体系结构 列车通信网络具有分层控制、开放性、实时性和高可靠性的特点。其任务主 要有：实现各动力车的重联控制；实现全列车( 动车和拖车) 所有由计算机控制 的单元联网通信和资源共享；实现全列车的制动控制、门控制、空调控制及轴温 检测等功能：完成全列车的自检及故障诊断决策。 根据列车控制的特点，i e c 6 1 3 7 5 1 定义的t c n 结构分为两层总线，分别是： 1 连接列车中各车厢的绞线式列车总线( w i r et r a i nb u s ，简称w t b ) ，w t b 是一 种串行数据通信总线，主要用于经常相互连挂和解连的重联车辆( 经常连挂和解 连是国际u i c 列车经常用到的一种情况) 。w t b 的一个重要特点是总线能实现自 组态。 2 连接一个车辆内设备的多功能车辆总线( m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ，简称 m v b ) ，m v b 是一种用于有互换性和互操作性要求的互连设备之间的串行数据通 信总线，总线能快速响应。各段m v b 总线通过列车总线节点连接到列车的w t b 总线，节点起网关的作用。 图1 1 列车通信网络结构 f i g u r e1 1a r c h i t e c t m eo f t r a mc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k 列车总线w t b 和车辆总线m v b 是两个独立的通信子网，采用不同的网络协 议，它们之间通过一个列车总线节点( n o d e ) 互连。在不同总线的应用层之间通信时， 由此节点充当网关( g a t e w a y ) ，负责两种总线协议的转换。在车辆总线下扩展第三 级总线即设备总线( d e v i c e b u s ) ，如连接传感器的总线或连接执行单元j 均控制总线， 它们可作为车辆总线的设备连接到车辆总线上。 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 一条或多条车辆总线，也可以没有；车辆总线亦可以在固定编组的情况下跨接几 节车厢。如果整列车是固定编组，列车总线并不需要对节点进行连续编号，这时 车辆总线可以起到列车总线的作用。 2 1 1 3 列车通信网络国内外应用及研究现状 一国际现状 国际上t c n 的研究与应用已经较为普及，且已有较为成熟的t c n 网络相关产品 和设备。许多国际主要铁路机车车辆及设备制造企业如a d t r a n z ，s i e m e n s ， f i r e m a e r c o l e m a r e l l i 推出了大量符合t c n 标准的产品，其它公司如d u a g o n ， u n i c o n t r o l 等也推出了t c n 标准的通信器件和设备。 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 其它t c n 项目完成w t b m v b 车载 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。目前国际上采用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 n ， p u c 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 i c 7 0 e m u ；w t b + m v b ：德国的l r um a m 正i e i m ， 挪威的g a r d e m o n ，瑞典的斯德哥尔摩地铁列车等。 二国内现状 2 0 世纪9 0 年代中期，随着动车组研究在我国升温，对列车通信网络的需求十分 迫切。一方面，铁道部开展了列车通信网络研究课题：另一方面铁路相关院校和 科研院所也先后开展了自我开发、联合开发和技术引进工作。例如上海铁道大学、 北京交通大学、同济大学、铁道科学研究院、株洲电力机车研究所和北车集团研 发中心都展开了关于列车通信网络的研究 2 0 1 。 其中株洲电力机车研究所和北车集团研发中心具备了部分t c n 车载网络的产 品的国产化能力，但是与t c n 网络底层接口的访问扳卡或芯片依赖进口，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。 目前，国内引进的t c n 的相应技术和网络产品，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。动车组较为完备的列车通信 与控制系统的成功应用，标志着我国列车通信网络的发展已经进入实用化的新阶 段，但目前我国在列车通信网络方面的研究较一些发达国家还有一定的差距，所 研制的相关产品在实用性和可靠性方面还有待于进一步检验。 我国开发或正准备开发的电动车组、高速列车、城市轨道交通车辆等新的铁 路机车车辆都需要装上列车通信网络产品，以实现整个列车的正常运行。t c n 国 际标准的制定为我国低水平铁路计算机通信技术的迎头赶上提供了良好的技术基 础和科学的发展方向，为此必须加大列车通信网络研究开发力度，开发出具有自 主知识产权的列车通信网络产品。 i e塞塞运太堂 速 堂焦逾塞i i直 1 2国内外几种列车总线技术的比较 t c n 在列车总线上有自己的优势，并且国内外有较为广泛的应用，但各种通 用的现场总线有各自的特点，而且开发早，应用面广，拥有广泛的用户群和很多 设备提供商的支持，所以也抢占不少列车网络的市场份额。下面简要分析国内外 其它几种流行的列车总线技术 l o n w o r k s l o n w o r k s 是美国e c h e l o n 公司开发的一种通用控制网络协议，其应用遍及航空 缬天、建筑物控制和工厂自动化等领域，拥有数千家o e m 和系统集成商。1 9 9 9 年 l o n w o r k s 正式成为列车通信方面新的标准i e e e l 4 7 3 l ，与t c n ( i e e e l 4 7 3 t ) 共同 形成列车控制蹰络的国际标准。l o n w o r k s 在美国日本铁路列车上应用较为广泛， 已在列车制动、门控、辅助电源控制、旅客信息等方面有应用实例。国内铁路车 辆内也有其应用。 二w 砌d f 坤 w o f l d f i p 是欧洲现场总线标准e n 5 0 1 7 0 的一部分，作为通用的现场总线标准被 广泛应用子能源、化工、交通运输等工业领域。法国a l s t o m 将w o d d f i p 作为标 准通信协议应用于其开发的a g a t e 列车控制系统，并成功应用于t g v 高速列车。 三a r c n e t a r c n e t 是种基于令牌传递( t o k e np a s s i n g ) 协议的现场总线，1 9 9 9 年成为美 国国家标准a n s i a t a 8 7 8 1 。近年来a r c n e t 技术广泛应用在能源、交通、电力、 机器人控制、楼宇自动化等领域，在欧洲的风机、中国的发电设备、日本的工业 机器人和美国的无线基站中都能发现其应用。我国引进的电动车组e 2 1 0 0 0 采用了 a r c n e t 局域网技术。 四c a n c a n 总线最初是由德国b o s c h 公司汽车监控、控制电子系统的数据通信应用 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 o l l 5 1 9 ( 低速应用) ，应用 非常广泛。目前有些列车的子系统用到该总线。 五t c n t c n 是i e c 专门为列车通信网络制订的标准，分为两级总线：多功能车辆总线 m v b 和绞线式列车总线w t b 。它们是独立的通信子网，采用不同的通信协议。它 们的物理层和链路层是不同的，但遵循相同的规则，即实时协议r t p ( r e a l t i m e p r o t o c o l s ) 。r t p 是为了让不同的应用能通过列车通信网“透明”地相互通信而制定的 一组协议和服务。为此，r t p 使用网关来连接不同的总线。 现将应用范围限定在列车车载设备通信系统，以列车车载的应用需求作为依 4 j e塞銮垣叁堂塑堂僮迨塞i 宣 据来比较一下上述几种现场总线的技术特点： 一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。 w t b 、m v b 采用主从方式下的确定性的介质访问控制，即所有设备只能在受 控的确定时间访问介质，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的、不受负载影响的响应时间，主设 备对带宽的分配是由应用预先确定的。 w o r l d f i p 也采用主从方式，其介质访问接制方式同w t b 和m v b 相似，总线带 宽由称为总线仲裁器的设备集中控制，并同样采用周期性分配。 而l o n w o r k s 和c a n 采用改进的c s m a c d ( 即载波监听多路访问肿突检测) 介质访问控制协议，称为预测的p 坚持c s m a ，所有设备可自主地随机地访问介质。 它们的总线利用率在轻负载时较高，但是不能保证实时数据在任何负载网络情况 下都能满足确定的时间响应。 a r c n e t 采用令牌传递机制来仲裁网络上各节点对网络的访问权，令牌沿逻 辑环从低地址节点向高地址节点传递，它赋予节点发送信息的权利。这样使得信 息的传输具有时间确定性。 二寻址方式比较 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。 w t b 和m v b 有两种寻址方式：过程变量采用逻辑地址( w 1 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；消息数据采用1 6 位的设备地址，支持成组寻址。设备地址 标识的设备，用来实现上下级关系的纵向通信，如网络管理、旅客信息等。 w o r l d f m 和l o n w o r k s 的寻址方式与m v b w t b 类似，有设备地址和物理地址两 种方式；而c a n 只有逻辑地址寻址。 三通信服务种类比较 在应用层，m v b w t b 利用r t p 提供两类服务：变量服务和消息服务。变量服 务支持应用对实时变量的单独和成组的访问。消息服务支持呼叫，应答消息通信和 多播消息通信；w b r l d f 和l o n w o r k s 同样均支持多服务种类的变量和消息服务， 可以合理的安排实时和非实时的数据传输；而c a n 只适合短的变量服务。 四可靠性比较 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 o r l d f i p 具备介质冗余能力和主设备冗余能力；l o n w o r k s 和 a r c n e t 的单点故障对其它网络通信没有影响；c a n 还具备严重错误情况下节点 自动关闭输出功能。几种总线都可 ；上使用光纤介质以提供更好的电磁兼容性。 总体来讲，通用的现场总线w o r l d f i p 、l o n w o r k s 、c a n 、a r c n e t 都可以在 列车通信系统中找到合适的应用。t c n 作为专门为列车通信网络制订的标准，有 明确具体的列车级和车辆级的应用需求定义。w t b 用作编组经常改变的列车总线 无疑是最为合适的，其它的总线都不能提供编组自适应的能力；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，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。此外m v b 也可被应用于其它需要快速响应 的工业控制网络。 1 3课题的研究意义及内容 随着我国电动车组、高速列车、城市轨道交通车辆等新的铁路机车车辆的开 发，国内对列车通信网络的需求十分迫切。铁路相关院校和科研院所也先后开展 了自我开发、联合开发和技术引进工作，其中株溯电力机车研究所和北车集团研 发中心具备了部分t c n 车载网络的产品的国产化能力，但是产品中实现与t c n 网络底层接口的访问板卡或芯片依赖进口，并没有掌握底层核心技术。 北京交通大学电气工程学院牵引控制与网络实验室于2 0 0 5 年开始了铁道部科 技司课题q c n 底层协议及关键技术研究”的研究。该课题的最大创新点在于将片 上可编程技术s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) 这一新技术引入列车通信 网络中。前期已经完成m v b 协议的消化吸收，成功开发出具有自主知识产权的 m v b 总线访问口模块。采用s o p c 技术设计而成的m v b 网卡作为通信设备，已 经成功应用于实验室另一个课题“分布式车载故障检测记录系统”。 列车总线w t b 和车辆总线m v b 为列车通信网络t c n 的上下两级网络，在 国际标准i e c 6 1 3 7 5 1 中，它们遵循不同的协议要求。本课题以“铁道部科技研究开 发计划一t c n 底层协议及关键技术研究”为背景展开。在实验室前期工作的基础 上，本课题的主要任务概括为三点：一是深入研究作为列车总线的w t b 底层协议， 尤其是物理层和数据链路层的技术特点；二是采用v e r i l o gh d l 语言设计w t b 编 码和解码模块；三是在前期成功应用s o p c 技术的基础上，设计w t b 收发器d 模块，实现n i o sc p u 与该口模块的联合工作，初步设计出w t b 节点。 论文共分五章，其具体内容如下： 第一章重点介绍t c n 列车通信网络，以及与国内外其它几种列车总线技术进 行了各方面参数的对比，提出了本课题的背景及研究意义。 6 韭 夏 銮 垣丕堂 亟堂 僮 途塞i直 第二章详细论述了w t b 总线协议的物理层和数据链路层，明确实现w t b 节 点需要完成的基本功能。 第三章引入本课题所采用的s o p c 设计方法，从整体上阐述了w t b 节点实现 的功能以及总体结构划分。 第四章详细描述了w t b 节点的硬件平台设计，详细阐述了硬件板卡相关器件 的选型及配置。重点介绍了自定制w t b 收发器口模块的设计和验证，深入分析 了p 模块的功能定义和设计思想，同时给出了各个子模块的设计方案以及皿模块 的a v a l o n 接口设计，并仿真验证设计的正确性。最后运用工具s o p cb u i l d e r ，将 p 模块、n i o sc p u 以及各种外设集成为片上可编程的w t b 硬件系统。 第五章将本课题设计的w t b 节点与标准的t c n 网关组网，给出了上层应用 程序的设计流程，初步实现了两个节点问的网络初运行。 7 j e 塞銮逼友堂亟堂焦途塞丛缝式到主簋线盟! 璺 2 绞线式列车总线w t b w t b 最显著的特色，是它的以连续顺序给节点自动编号和让所有的节点识别 何处是列车的右侧或左侧的能力。每当列车组成改变时( 例如连挂或摘除车辆) ， 列车总线各节点执行初运行过程，该过程在电气上将各节点连接起来，并给各个 节点分配连续地址。初运行后，所有车辆均获得列车的结构信息。 本章在消化吸收标准协议的基础上对w t b 的底层协议做详细分析。 2 1w t b 网络层次结构 w t b 标准定义了对应o s i 参考模型的物理层和数据链路层，所遵循的层结构 如图2 1 所示，从最底层的电气及机械特性到上层的链路层适配器将w t b 模型具 体分为七层，其中数据链路层为w t b 协议的研究重点。 i l t 图2 1 w t b 分层结构 f i g u r e2 1l a y e r e ds t r u c t u r eo f w t b 8 一rl獬 llii十冁 j e 塞窑重厶翌亟主堂位监塞缠线式副主簋线受至垦 物理层 子层1 ： 子层2 ： 链路层 子层3 ： 子层4 ： 子层5 ： 子层6 ： 子层7 ： 定义电缆、连接器、收发器的电气特性等内容； 定义曼彻斯特编码解码和介质冗余处理等内容； 定义可选的冗余方案； 定义h d l c 帧格式、报文格式、报文定时等内容； 定义介质分配的方法； 定义初运行过程； 定义链路层接口，高层协议通过该接口使用链路层的服务。 2 2w t b 物理层 2 2 1w t b 的拓扑结构 w t b 节点由列车中各车辆内的干线电缆通过跨接电缆和扩展电缆链接而成， 拓扑结构如图2 2 所示。连接到一个节点的两个电缆节分别命名为方向l 和方向2 。 一 i jll _、 ， 鲰酉瓢馘曲雠飘叫荆 卜束端牟麓斗 中筒车辆 多十j + 卜末端车辆_ 图2 2w t b 列车编组 f i g u r e2 2t r a i nc o m p o s i t i o n 中间节点：位于线路中间，将接到其上的两个总线段连接起来，并去掉其线 路终端器。 端节点：位于总线末端，将按到其上的两个总线段保持断开，使一个总线段 朝向线路中间，另一个总线段朝向线路开路的一端，并用线路终端器将两个总线 段阻抗匹配以减少反射。 w t b 的传输速率为1 m b p s ，传输介质采用屏蔽双绞线，可互连最多3 2 个节点， 在不使用中继器的情况下电缆长可达8 6 0 米。这相应于u i c 2 2 个车辆组成的列车， 每个车辆长2 6 米再考虑到弯曲增加5 0 。 由于u i c 列车要经常连挂和解挂，w t b 一个重要特性是：当列车组成改变时， w t b 可自动重新组态，给各个节点分配地址、分发新的拓扑。 9 韭瘟窑堙太堂亟圭堂焦j 金塞筮线基到奎簋缉盟! 旦 2 2 2w t b 节点安装单元 w t b 节点通过介质安装单元；( m e d i u ma t t a c h m e n tu n i t ，m a u ) 同传输介质连接， 如图2 3 所示。单一线路连接时m a u 由以下三部分组成： 一两个线路单元 线路单元由一个总线开关、两个端接器开关、两个收发器和两个曼彻斯特编 解码器四部分组成。线路单元的功能其一是负责节点在两个方向上数据的发送和 接收，其二是完成中间节点和端节点设置所必须的开关动作。 二一个主通道和一个辅助通道 主通道和辅助通道都具有向线路单元发送或从线路单元接收w t b 帧数据和 控制信号的能力。网络中节点将靠近总线主方向的通道设为主通道，相反的方向 设为辅助通道，它们之间的转换通过方向转换器来完成。相对于主通道而言，辅 助通道仅用于检测附加的节点和接收它的地址时发送和接收帧。 三一个方向转换器 方向转换器使主通道与方向1 相连，辅助通道与方向2 相连，或反之。 注意：在设计w t b 节点时，方向转换器并不是必须的物理组成部分，它的功 能可由逻辑方式或软件实现。 图2 3 介质安装单元结构图 f i g u r e2 3s t r a c m r eo f m e d i u ma t t a c h m e n tu n i t 1 0 j 塞变通态堂亟主堂僮j 金塞筮线基到奎基线盟i 曼 w t b 拓扑结构中，只有一个总线主，由总线主利用中问设定帧和末端设定帧 来设置从节点的状态。位于总线两端的节点将被配置成端节点，其余节点被配置 为中间节点。 中间设定时，介质安装单元具有如下特性： 1 总线开关k b 闭合，在左右两边的总线节间建立连续性； 2 端接器开关k t l 和k t 2 断开，从而切除端接器z t l 和z t 2 ； 3 设定方向转换器使主通道通过线路单元a 1 或线路单元a 2 与线路线连； 4 关闭辅助通道和未用的线路单元。 末端设定时，介质安装单元具有如下特性： 1 总线开关k b 打开，隔离两个总线节； 2 。端接器开关k t l 或者k t 2 关闭，接入端接器； 3 设定方向转换器使辅助通道与一个方向相连，主通道与另一个通道相连。 2 2 3收发器接口 对所有介质来说，收发器接口说明了在设备内部线路单元和收发器间的连接， 该接口位于设备内部要保证接口的可测性。连接到冗余总线上的m a u 共有四个收 发器，分别命名为a 1 ，a 2 ，b 1 和b 2 ，在非冗余设计中，w t b 节点只使用收发器 a l 和a 2 ，负责方向l 和方向2 的数据的收发。收发器接口信号示意图如图2 4 所 示。 图2 4 收发器接口 f i g u r e2 4i n t e r f a c eo f t r a n s c e i v e r 收发器接口的三个信号定义如下： 1 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 韭塞奎运盔堂亟主堂焦逾塞丝缮基到圭簋线盟! 旦 其值为“o ，高电平时为i ； 2 t x e ：发送器使能，该值为“1 ”时发送器有效； 3 r x 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o ， 高电平时为“l ” 2 3w t b 数据链路层 2 3 1w t b 数据帧 w t b 帧头和帧数据位采用曼彻斯特编码方式， 一个位单元的前半部分为负电平，在位单元的中间跳变为正电平的位编码为 1 ： 一个位单元的前半部分为正电平，在位单元的中间跳变为负电平的位编码为 0 ： 二- 七 lo 图2 5 w t b 位信号表示 f i g u r e2 5w t b b i ts i 印a l w t b 帧数据格式与i s 0 3 3 0 9 标准中定义的h d l c ( 高级数据链路控制) 格式 一致，具体定义见图2 6 。 图2 6 w t b 帧格式 f i g u r e2 6f r a m es t r u c t u r eo f w t b 1 2 帧数据是8 位位组组成的序列，由1 6 位的帧头开始，在起始位和结束位1 之间，有七组0 ，l ”位对，帧由2 0 b t 宽的正电平组成的终止分界符结束。其中， 帧头和结束分隔符不属于h d l c 数据。 目标设备d d ：接收该数据帧的节点地址，范围在1 ( 8 b 0 0 0 0 0 0 0 1 ) 到 6 3 ( 8 b 0 0 1 1 1 1 1 1 ) 之间，该范围是初运行过程分配的。地址2 5 5 ( 8 b l l l l l l l l ) 是所有 节点收听的广播地址。未命名的节点通过它的两个通道响应地址1 2 7 ( 8 b 0 1 1 1 1 1 1 1 ) 。 链路控制l c ：用来区分请求帧和响应帧。当该帧数据l c 的最高位为1 时， 说明该帧为请求帧，当最高位为“o 时，说明该帧为响应帧。 源设备s d ：发送该帧的节点物理地址。 链路数据长度：该帧发送的有效链路数据长度，范围是o 一1 2 8 字节。 注意：关于w t b 数据帧，还有以下几点需要关注的细节： 1 h d l c 数据发送时，每个8 位位组的最低有效位先发送。但是，作为一个 例外，两个f c s 的8 位位组的最高有效位先发送。在w t b 节点的编解码器设计 时，数据位的发送顺序尤其应该注意。 2 为了防止标志序列出现在标志之间的数据中，在编解码时采用了零比特 填充删除”的方法，即发送器在每5 个连续的“1 ”的数据中插入一个“o ，接收器去 掉每5 个“l ”后面的0 2 3 2w t b 报文 w t b 总线每个总线段都在一个节点的控制下，该节点被称为主节点，其它节 点被称为从节点。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。端节点是辅助通道的主节点。 w r b 总线通信由叫报文的帧对组成。帧对由主节点发送的主帧和在规定时间 内从节点响应的从帧组成，这样一对相关的请求响应帧称为报文。标准规定：从 主帧的终止分界符到从帧的帧头的时间为6 4 - - 3 0 0 u s ，总线上任何位置的报文定时 如图2 7 所示。 主帧( 请求)从帧( 响应) 下一次 轮询 e e 帧头帧数据 d 帧头帧数据 d 帧头 时闸 u ”= 主帧持续时间-卜t - 5 = 从帧持续时间，p t _ m s 主帧到从帧的时间问隔 图2 7 报文定时 f i g u r e2 7t e l e g r a mt i m i n g t s m 从帧到主帧的时问间隔 w t b 有三种类型的报文：过程数据报文、消息数据报文和监视数据报文。它 们的类型由主帧的链路控制字节( 【) 确定。图2 8 显示了这三种报文的主帧和从 帧的具体格式。 过程数据报文 过程数据请求( 主帧)过程数据响应( 从帧广播) 从设备地址主设鲁地址ol o 2 啦e t 程数据广播地址潭地址 o1 0 7 a 植过程数据 消息数据报文 消息数据请隶( 主帧) 消息数据响应帻( 单个或广播从幢) 从设备地址主设备地址 目标地址趴设鲁地址o 1 0 7 a 嘘消息数据 监视数据报文 监视黏据请求( 主帧) 从设备广播 或未命名主设备或来 i 电址 命名燕址n 1 舵卅琵盛覆数据 主设备广播 监视数据响应( 从帧) 或未命名 地址 扶设鲁j 蠹址& 1 0 2 4 位聋税数据 图2 8w t b 报文 f i g u r e2 8t e l e g r a m so f w t b 1 4 韭虚銮垣太里亟堂毽途塞缝缮嚣塑主蓝缮翌至垒 其中监视数据报文共有8 种，分别是： 1 ) 检测报文( d e t e c l r e q u e s t d e t e c l r e s p o n s e ) ，只在辅助通道使用，用于检测 相邻节点的存在。 2 ) 存在检测报文( p r e s e n c 吐e q u e s c p r 龉e n c e r e s p o i l s e ) ，用于监视总线的完整 性。正是由于w t b 周期性的发送存在检测报文，有编组改变可以及时进行初运行， 所以w t b 具有编组自适应的能力。 3 1 状态报文( s t a t u s _ r e q u e s t s t a t u sr e s p o n s e ) ，用于报告节点状态信息a 4 ) 命名报文( n a m i n g _ r e q u e s t n a m i n g _ r e s p o n s e ) ，用于命名从节点。 5 ) 拓扑报文( t o p o g r a p h y _ r e q u e s t t o p o g r a p h y _ r e s p o n s e ) ，用于发布节点拓扑 信息和初运行数据。 6 ) 置中间设定报文( s e t i n tr e q u e s t s e t i n tr e s p o n s e ) ，用于将从节点置为中间 设置状态。 刀置端设定报文( s e t e n dr e q u e s t s e t e n dr e s p o m e ) ，用于将从节点置为端设 置状态。 8 ) 消名报文( u n a a m e，无响应)，总线主向所有从节点广播并要求从_request 节点取消它们自己的名字，而扶节点并不发送响应帧。 2 3 3w t b 介质访问方式 w t b 总线支持两种数据传输：周期性数据传输和偶发性数据传输。周期性数 据和偶发性数据共享同一总线，但在各设备中被分别处理。周期性数据和偶发性 数据发送由总线上的一个设备( 节点) 控制，这个设备称为总线主设备( m a s t e r ) ， 其它设备为从设备( s l a v e ) 。从设备不能主动向总线发送数据，只能在主设备控 制下发送数据。这保证了确定性的介质访问，是实时数据通信的基础。 在正常操作期间，w t b 总线的基本周期固定为2 5 m s ，每个周期由周期相和偶 发相组成，如图2 9 所示。 为保证确定和及时分发过程数据，总线主在预定的间隔( 即它的特征周期) 内轮询每个节点的周期性数据；在两个周期相间的固定时间内总线主轮询节点的 偶发性数据，即消息数据及监视数据。 具有紧迫过程数据的节点( 即牵引机车车辆，如图2 9 中节点1 和1 2 ) 可以请求 每个基本周期都被轮询，而具有不紧迫过程数据的节点( 如客车) 可请求按特征 周期轮询，一个特征周期是基本周期的整倍数。 j e 塞窑重丕堂亟堂焦迨塞丝线基到奎望缝受! 旦 b 鳆土笺硝再钟l z 鬈u 巩酉j 裂控蚋过程墨鬻 图2 9w t b 周期性和偶发性数据传送 f i g u r e2 9p e r i o d i ca n ds p o r a d i cd a t at r a n s m i s s i o no f w t b 周期相主节点在总线初运行期间纪录各从节点的节点周期和过程数据长度， 然后根据这些信息生成周期性数据的轮询次序。各从节点的节点周期是由各自的