列车通信网络标准TCN.ppt

1 列车通信网络Train Communication Network TCN 2 定义列车网络层次结构 3 列车网络提供的服务内容 两条总线在链路层都提供了以下相同的两种服务 过程数据传输 轮询式的 源寻址的广播数据 消息数据传输 按需求的 目的寻址的数据报 在更高层 实时协议提供了两种与总线无关的应用服务 变量 分布式过程数据库 消息集 呼叫 应答消息或多播消息 网络管理支持配置 维护和操作 一套一致性测试的方针使得设备能够协调工作 4 数据分类 列车通信网络将传输两类数据 短而紧迫的过程变量 Process Variables 如用于牵引控制 不太紧迫 但可能较长的消息变量 如用于诊断 5 列车通信网络 TCN 的主要作用 连接车厢内的可编程设备 以便于实现 机车 车厢和列车控制 远程故障诊断和维护 旅客信息服务 6 列车通信网络的特点 工作环境恶劣 可靠性要求高 控制操作实时性 时间确定性 要求高 列车组成的动态性 7 国际标准及我国铁路标准 IEC 61375 1TCN 本课程主要介绍内容 IEEE1473TCN LonworksTB T3035 2002实际应用还有 FSK HART WorldFIP HDLC等 8 IEEE1473允许协议设计组合 9 TB T3035 2002允许协议设计组合 10 西门子公司TCN之产品 SiemensAG与德国Adtranz一起生产牵引电气设备 西门子生产的列车通信网络设备 主要是基于其车载微机SIBAS SIBAS32系统的WTB和MVB的网卡和输入输出接口卡 11 杜冈公司 duagonGmbH 产品 12 优尼康公司 UniControls 产品 捷克一家从事运输及能源系统开发生产的公司 在列车通信网络方面的产品有 车载微机 WTB总线网关 13 TCN的优缺点 优点 TCN的功能齐全已经成为铁标有一定国内应用的前例TCN的不足 WTB协议复杂TCN产品市场小 价格昂贵 14 TCN的主要内容如下表 15 16 拓扑结构 列车通信网络基于以下的两层结构 将不同车厢内的节点连接起来的列车总线 将同一车厢内的设备连接起来的车厢总线 17 列车总线WTB 列车总线用于连接不同组成的列车中的各个车厢 列车总线支持UIC556规定的列车组成 总线传输距离可达860米 22个车厢 列车总线至少可以容纳32个节点 分配给列车总线节点一个位置地址 可识别方向 左 右 前 后 及其它节点的位置 多个车厢连挂时 列车总线自动运转 初运行 列车总线可承受大约每小时一次的车厢连挂及解挂操作 为使总线在节点故障时仍可工作 事先把各节点编号和类型通知给所有的应用 以便证实列车组成的完整性 当车厢数目改变或在总线上进行添加 移除设备时 不需手动干预列车总线也能继续工作 列车总线使用专用介质 UIC电缆或EP电缆 电气制动电缆 的要求 18 车厢总线MVB 车厢总线用于将一个车厢内或不可分的车厢组内的设备连接起来 车厢总线允许设备的安装间距在200米以内 车厢总线至少支持256个设备 车厢总线在最差情况下的响应时间低于16ms 19 MVB物理层 MVB提供三种不同的物理介质 它们以相同速率运行 电短距离介质传送距离 20米 使用标准的RS 485收发器 每段最多支持32个设备 电中距离介质传送距离 200米 每段最多支持32个设备 屏蔽双绞线 变压器隔离 光学玻璃纤维介质 星型连接或点到点方式下最大距离2000米 20 电短距离介质ESD 该介质使用RS 485收发器 基于基本的差分传输 无需在发送器和收发器之间电隔离 适用于位于密闭机箱里的底板总线之间的通信 ESD布线拓扑如下图 21 ESD端接器接线 22 ESD连接器布置 23 ESD端接器的连接器布置 24 ESD信号波形 帧开始示例 25 ESD的发送器 发送器应ISO8482 RS 485 标准 约束条件为 a 当驱动一个并联电容为50 0PF的54 0 负载时 信号的上升时间 10 90 应小于0 03BT 20ns 1 5Mbit s b 发送器以两种有源电平提供低阻抗差动电压源 高电平 此时电压差 Up Un 在以下范围内 1 5V Up Un 5 0V 驱动为54 0 阻性负载时 1 5V Up Un 6 0V 无负载时 注 本规范比ISO8482更严格 在选择商用收发器时必须留心 IEC61158 2的收发器能够满足本规范 26 ESD的接收器 接收器遵循ISO8482 RS 485 标准 约束条件为 a 根据不同的线路电压 接收器在其RxS输出上产生两种不同的电平 当线路朝高电平驱动 如果电压差 Up Un 大于 0 200V 则为高电平 当线路朝低电平驱动或线路无驱动只有偏压存在时 如果电压差 Up Un 小于 0 200V 则为低电平 b 接收器至少应有0 050V的滞后 但不能大于0 200V c 接收器在有RS 485规定的相对于Bus GND线的共模电压存在时 应能正确工作 27 ESD拓扑 28 电中距离介质EMD 在封闭的列车系统中 MVB可以跨越几个车厢 在这种应用中可采用电中距离介质 每段最大可以达到200米 约4个车厢 用于连接不解挂的车厢组合 29 EMD传输介质 采用双绞屏蔽线 屏蔽方式如图 收发器与传输介质之间采用变压器隔离 30 收发器与传输介质的连接 31 设备与EMD的双线连接 冗余 32 EMD连接器的布置 33 EMD帧起始示例 34 光纤介质连接 光纤介质由一对构成全双工点对点连接的光纤组成 光介质被推荐用于高电磁噪音的区域 例如机车 35 拓扑结构 电介质采用总线拓扑结构 而光介质通常采用星型拓扑 36 MVB总线段连接 混合拓扑结构 37 总线控制器 Bus Controller 总线控制器用途 控制总线的访问 通过发送器和接收器附挂到两条冗余总线 包含编码器 译码器和通信存储 Traffic Store 控制逻辑 译码到达帧并寻址通信存储 38 端口与通信存储器 通信存储器设立目的端口分为两类逻辑端口物理端口通信存储器的组成通信存储器的访问者 39 MVB信号编码 MVB速率 1 5MB s 数据采用曼切斯特编码 数据位编码如图 40 MVB信号编码 非数据符编码NH和NLa 一个 NH 的编码在整个位单元为HIGH b 一个 NL 的编码在整个位单元为LOW 41 MVB帧起始定界符 帧数据以9 bit帧源定界符开头主设备帧起始符MSD MasterStartDelimiter 从设备帧起始符SSD SlaveStartDelimiter 42 MVB帧结束分界符 当介质为ESD时 添加一个 NL 编码 并停止发送 当介质为EMD时 在 NL 编码之后添加一个 NH 编码 并停止发送 如下图所示 当介质为光纤时 添加一个 NL 编码 并停止发送 43 MVB信号传输 以9 bit帧Start Delimiter 源定界符 打头 以8 bitCheck Sequence 校验序列 结束 44 介质冗余 45 光纤介质冗余 46 主设备权的转移 令牌传送算法 47 MVB链路层 一次传输包括两种类型帧 主设备帧 Master Frame 只由总线主设备生成 从设备帧 Slave Frame 由从设备在响应主设备帧时发送 一个主设备帧及相应从设备帧共同形成一个报文 48 报文类型 MVB中有16种报文 由主设备帧中的F code区分 49 Process Data 过程数据 报文 对F code 0 4和Logical Address的Master Frame进行响应的Process Data 50 MVB帧长度 51 Message Data 消息数据 报文 Message Data是对包含F code 12和设备地址的Master Frame的响应 其长度固定为256bits Message Data包含一个供所有设备译码的12 bit目的地址 52 监督数据 Supervisory Data 报文 Supervisory Data帧是对F code 8 9 13 14或15的Master Frame的响应 其长度总是16bits 53 MVB介质分配 MAC MVB由单个主设备控制 该设备是能发送Master Frames 主设备帧 的唯一设备 所有其它的设备都是从设备 他们不能自发发送 在持续几秒钟的一轮期间 可能有几个设备 Bus Administrators 总线管理器 能够成为主设备 但一次只能一个成为主设备 主设备可位于总线的任意位置 主设备按照某种预定顺序 策略 对端口进行周期性的轮询 Polling 54 MVB介质分配 基本周期 周期相 偶发相 过程数据 消息数据 主设备轮询 源寻址广播 55 MVB介质分配 过程数据 根据所传送数据的需要安排访问时间间隔 时间间隔以基本周期为单位 按2n关系统一部署 56 MVB介质分配 57 HDLC数据帧格式 起始标志要传输的数据块结束标志0111111000010110011011101111110包括起始和终止标志的信息块称为HDLC的 数据帧 起始和终止标志采用相同的帧间隔符 01111110 即在HDLC规程中 帧与帧之间用 01111110 所分隔 帧 构成了通信双方交换的最小单位 58 0 比特插入法 为保证帧间隔符 01111110 的唯一性和帧内数据的透明性 保证A 地址字段 C 控制字段 I 信息字段 FCS 帧校验序列 中不出现01111110的位模式 HDLC采用了 0 位插入法 发送端发送 01111110 后 开始数据发送 并在数据发送过程中 检查发送的位流 一旦发现连续的5个 1 则自动在其后插 附 上1个 0 并继续传输后继的位流 数据发送结束后 追加帧间隔符 01111110 接收端识别出帧间隔符 01111110 之后 启动接收过程 若识别出连续5个 1 和1个 0 则自动丢弃该 0 以恢复原来的位流 若识别出连续的6个 1 表示数据结束 该数据帧接收完成 59 HDLC数据传输模式 正常响应模式 NRM 主站具有选择 轮询从站的能力 并可向从站发送命令或数据 从站只有在主站询问时才能作为响应传输数据 异步响应模式 ARM 主站具有初始链路 差错校验和逻辑拆链功能 从站可以主动传输数据 异步平衡模式 ABM 任一组合站 兼有主 从站功能的站 均可控制链路 主动传送数据 60 HDLC控制字段格式 61 HDLC控制字段 信息帧 I 用于传输用户数据 其控制字段的第0位规定为 0 Ns 发送帧序号 说明本帧对应的帧序号 采用模8计数 发送端可以不必等待确认 而连续地发送若干帧 不超过8帧 每发一帧 Ns模8计数一次 P F 查询 终止指示符 对于不同的传输模式 该位具有不同的含义 当采用ARM和ABM传输模式时 P 1要求对方立即予以响应 并在响应中置F 1 无论使用何种传输模式 P F总是一一对应的 在接到F 1的帧之前 不允许再发P 1的帧 Nr 待收帧序号 说明希望接收对方帧的序号 采用模8计数 Nr隐含指示该序号之前的所有帧已被正确接收 62 HDLC控制字段 监控帧 S 用于表示接收状态 其控制字段的第0 1位规定为 10 第2 3位表示了四种类型的监控帧 Type 00 接收准备就绪 RR 发送该RR监控帧的一方准备接收编号为Nr的帧 Type 10 未准备就绪 RNR 发送该RNR监控帧的一方说明已经收妥Nr以前的所有帧 但希望对方暂缓发送Nr帧 Type 01 拒绝接收 REJ 发送该REJ监控帧的一方说明已经收妥Nr以前的所有帧 但编号为Nr的帧有差错 希望对方重发编号为Nr及其以后的所有帧 Type 11 选择接收 SREJ 该帧的含义类似REJ监控帧 但希望对方仅仅重发第Nr帧 63 HDLC控制字段 无编号帧 U 用于命令的传输 建立 拆除链路 等 控制字段的第0 1位规定为 11 第2 3位 M1 和第5 7位 M2 表示U帧的类型 M M1M2 11100 SABM 某一组合站置本次链路为异步平衡模式 M M1M2 00010 DISC 主站请求释放 拆除 本次链路 M M1M2 00110 UA 从站对主站命令的确认 类似BSC中的ACK M M1M2 10001 CMDR 从站对主站命令的否认 类似BSC中的NAK 64 绞线式列车总线 Wire Train Bus WTB 65 WTB总线拓扑 66 WTB物理层 WTB采用屏蔽双绞线 要求有较高的机械连接性能 使用该种介质可以达到1Mbit s通信速率 长度为860m 对应22节26m长的UIC列车 可连接至少32个节点 MVB采用曼彻斯特编码 每一数据位码元中间都有跳变 从高到低的跳变 负跳变 表示 1 正跳变则表示 0 67 WTB介质附挂单元 介质附挂单元有两个收发器 一个方向上一个 收发器使用变压器实现与外部导线的电隔离 并附挂到曼切斯特编码 译码器上 68 WTB介质冗余 69 W