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列车通信网络技术 TrainCommunicationNetwork 6 2TCN网络 TCN网络 列车通信网络 是一种现场通信网络 现场通信网络又称为广义的现场总线 是广泛应用于计算机测控领域的串行双向数字通信网络 其功能是实现对现场 或底层 数据的收集和执行设备的控制 完成系统管控设备与现场设备之间 现场设备相互之间的信息交换 安装在列车上的计算机局域网络系统TCN 负责对整列车各个部分信息的采集与传递 它将整列车连成一个整体 司机对整列车的控制命令通过TCN网络传送到列车的每节车辆车上 而每节车辆的工作状态通过TCN传送到司机显示屏 使整列车有效安全地运行 6 2 1列车通讯网络结构 列车通信网络可分为三个层次 即列车总线 车辆总线和设备总线 TCN网络上层为绞线式列车总线 WTB 下层为多功能车辆总线 MVB 在车辆总线下面还可设置第三级 由安装在同一车辆上的传感器执行机构构成 这一级不受列车控制网络的限制 可被认为是车辆总线设备的一部分 一列列车中只能有一条列车总线 但可以有多条车辆总线 列车总线连接不同车辆 单元 中的网络节点 网关 车辆总线连接同一车厢或固定车组内部的各种可编程终端装置 列车通信网络结构示意图 从图6 1可见 TCN连接整个列车 每节机车或车辆的车辆总线通过网络节点与TCN连接 机车或车辆上的各种设备则直接挂在车辆总线上 这样 车辆的控制 检测 故障诊断等信息的传输 都可以方便地通过列车总线和车辆总线及其对应的节点传输到需要这些信息的设备 图6 1所示的列车通信网络结构并不是绝对的 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 车辆总线也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 则列车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 列车总线和多功能车辆总线 列车总线 WireTrainBus 简称WTB 贯穿整列车 连接列车中的各个车辆总线 WTB总线能自己组态 传输速率可达1 0Mbit s 介质为双绞屏蔽线 多功能车辆总线 MultifunctionalVehicleBus 简称MVB 是一种用于连接车辆内各个设备的现场总线 MVB总线能快速反应 传输速率可达1 5Mbit s 介质为双绞线或光纤 6 2 2TCN的通信协议及网络管理与组态 TCN标准遵循实时协议 RTP 用于TCN中的所有设备在MVB WTB或其它总线上进行数据通信 实时协议RTP规定了TCN提供的应用接口 它由两种基本的服务组成 变量群和消息群 TCN标准可部分使用 也可整体使用 有WTB而没有车辆总线 或WTB与非MVB的车辆总线连用 上图所示为需要自动组态的开式列车 如UIC列车 WTB作为标准的列车总线 它最多支持32个节点 每一列机车车辆可没有或有一个 或有更多的节点 每个节点最多可挂15个车辆总线或其它总线 有MVB而没有列车总线 或MVB与非WTB的列车总线连用 上图示出了两个相连的闭式列车 当这些闭式列车需要经常连接和解连时 可使用WTB作为标准的列车总线 但如果可以用其他方法组态时 也可以用其他总线如MVB来代替 车辆总线可以穿越几个车辆 RTP用于其他非WTB或非MVB的总线 上图所示的组态中 MVB既能作为列车总线 也可以作为车辆总线 6 2 3列车总线WTB 绞线式列车总线 WTB 是为互连车辆而设计的串行数据通信总线 也可以用于其它场合 这些互连车辆在每天作业中需要连挂和解连 如国际UIC列车 WTB满足UIC556的要求 它定义了由最多22个客车组成的UIC列车的通信要求 WTB的组成结构如下图 WTB特性摘要表 WTB采用屏蔽双绞线 信号传输速度 Mbit s 采用规定型号的电缆 可互连最多32个节点 长度最长至860m WTB介质是由不同车辆上的电缆节链接而成 它有一个段是朝向列车中间 另一段是朝向敞开的端部 端节点电气上用与它连接的端接器来终止两个总线节以减少反射 连接两个总线节 段 电缆规范WTB介质为屏蔽双绞线 为连接各个车辆 它需要有较高的机械稳定性 规定的电缆允许速度1 0Mbit s 860m长 其中包括所有的干线电缆 扩展电缆和耦合电缆 WTB可以使用自动连接器连接电缆 也可用手动插拔电缆 在主干电缆中插入节点所用的电缆 每路线由两根独立的绞线对组成 截面可能小于主干电缆 6 2 4多功能车辆总线MVB 多功能车辆总线是将位于同一车辆中的标准设备连到TCN网络上的一种总线 是可靠的实时通信总线 MVB最多可以寻址4095个车载设备 其中有256个是可以参与消息通信的站 MVB总线传输实时性好 可靠性高且易于网络互联 其数据传输速率为1 5Mbit s 为冗余总线结构 MVB传送三类数据 过程数据 Process Data 源地址数据的周期性广播 最快周期为1ms 消息数据 Message Data 按需求 目标寻址的单播或多播或者广播 监视数据 Supervisory Data 传输事件分解 主设备权传送 设备状态等数据 6 2 5TCN网络的数据传输 列车总线或车辆总线传送三种类型的数据 1 过程数据 列车通信网络用过程变量来表示列车运行的控制命令和运行状态 例如速度 电机电流 操作员的命令等 过程变量的值叫做过程数据 过程数据是由发行者设备发送至多个用户设备的广播数据 并由他们的逻辑地址来标识 这种类型的传送称为源寻址广播 2 消息数据 消息是冗长但不频繁传输的数据 消息的长度在几个字节到几千个字节之间 为了传输较大的消息数据 可以将消息分成小的包 这些包分别编号并由目的站确认 消息数据是从一个源设备发送到一个目标设备或是同一总线上的所有设备的面向目标的数据 消息数据是有需要时才传送的 3 管理数据 管理数据是在相同总线内用来监视设备状态 检测沉寂的设备 总线主权转移 总线初运行等方面的数据 某些管理数据是周期性传送的 但另一些管理数据是按需传送的 严格来说 过程数据也可作为偶发性数据按需传送 但由于这种服务不可靠 TCN标准不支持这种发送方式 同样消息数据也可以周期性地传送 TCN标准也不予支持 6 2 5 2数据传送模式 TCN总线传送两种类型的数据 周期性数据及偶发性数据 周期性数据在一个特征周期的周期相内周期性地发送 一个特征周期可以是基本周期的若干倍 周期相在每个基本周期中占有一固定的部分 这部分在最初的网络组态时可以变动 但在通信应用过程中严禁改变 在周期相中 总线主按预定顺序轮询各设备以获取周期性数据 这种通信称为周期性通信 在两个周期相的间隔中按各自需要传送的数据称为偶发性数据 这种通信称为偶发性通信 两个周期相间的间隔称为偶发相 周期性数据和偶发性数据 注 从设备在偶发相中不能自发的发送数据 6 2 5 3过程变量的发送 过程变量的发送由主节点控制 主节点广播一个请求发送某个变量的帧 而在此帧中并不指定变量源来自哪个设备 在下一相 变量的源设备通过广播对所有的设备回答一个包含请求的帧 所有对此变量感兴趣的设备则采集此值 源地址广播 数据集 帧的格式在初运行时被固定 以供所有的总线成员使用 为了提高效率 每个从帧带有相同周期的若干变量 这些变量被称作数据集 一个数据集包含数值和检查位 但不包含地址 每个变量由它相对于数据集起始地址的偏移量来标识 例 由模拟及二进制过程变量混合在一起的数据集 例 过程变量传送示意图 1 发行者应用3将过程变量写入源通信存储器 2 源设备总线控制器读出该值并在总线上广播 3 用户宿设备的总线控制器将接收的值存储到它们的通信存储器中 改写了以前的值 4 应用1或 用户 从通信存储器中取出该值 传送过程分四步 6 2 6TCN网络的编址与寻址方式 1 对节点的编址节点作为列车总线和车辆总线之间的网关 在列车通信网中扮演重要的角色 每个节点都连接到列车总线上 一条列车总线最多可以挂连64个节点 当列车的组成发生变化时 例如车辆的连挂或解挂 列车主节点重新组织总线 给每个节点分配6位的节点地址 列车的每个节点都有两个方向 方向1和方向2 车辆的两侧称为A侧和B侧 A侧和B侧与方向1和方向2有关 若方向1朝北 A侧则朝西 列车总线用相对于主节点的位置来标识节点 主节点的节点地址总是01 在主节点方向2上的节点 从02开始按递增顺序依次编号 最后命名的节点为顶节点 在主节点方向1上的节点 从63开始按递减顺序依次编号 最后命名的节点为底节点 2 对设备的编址 连接到总线上的器件称为设备 设备由设备地址来标识 车辆总线最多可以寻址4096个设备 所以在车辆总线上用12位的设备地址 列车总线上的设备地址为8位 其中低6位是节点地址 因为连接到列车总线上的设备只有节点 连接到多条总线上的设备对每条总线可以有不同的设备地址 一些特殊的设备 例如中继器 因为它仅仅参与物理层的工作 所以没有设备地址 设备地址0用来标识本地链路层 最高的设备地址 例如8位的设备地址11111111B 表示对总线上的所有设备的广播 这两个地址都不能分配给某个特定的设备 3 组地址 为了按类型访问车辆或一组车辆 用组地址来取代节点地址 车辆类型的分组与应用有关 如图所示第二节车辆既属于第一组又属于第三组 属于哪一组是由不同的应用决定的 每一个组都有一个组地址 组地址也是6位 4 网络地址 网络地址分为系统地址和用户地址 系统地址用来标识网络中的一个站 用户地址用来标识网络中的一个功能 在调试和检错时工程师用管理消息来访问设备 由于列车通信网络组态的多样性 管理消息一般不使用设备地址 为了在各种拓扑下寻址设备 网络管理把列车通信网络看成是由挂在每个节点上的多个站组成 如下图所示 系统地址 站就是列车通信网中进行消息通信的设备 一个节点上最多可以挂255个站 节点本身也被看成一个站 每个站用一个8位站标识符来标识 节点作为一个站也有站标识符 图中以 开头的就是站标识符 节点地址 或组地址 与站标识符一起组成了系统地址 通过系统地址就可以找到一个站 用户地址 每节车辆都支持一些功能 如门 空调 照明 制动等 功能可以由连接到车辆总线上的设备执行 也可以直接由节点执行 一个设备可以执行几个功能 一个功能也可以由几个设备来执行 列车总线的用户不期望知道一个车辆所包含的全部设备 而只考虑一个车辆能支持何种功能 因此 用户并不对远程设备寻址 而是对一个远程功能进行寻址 通过功能而不是设备来寻址的方式也适用于车辆总线 应用只调用一个功能但没有规定由哪个设备来执行这个功能 用户应用把网络看成是由能支持多个功能的各个节点组成 每个功能用一个8位的功能标识符来标识 节点地址 或组地址 与功能标识符一起组成用户地址 通过用户地址就可以寻址一个功能 5 端口地址 因为过程变量很小 为了提高传输效率 将多个过程变量放在一个过程数据帧中传输 这些过程变量构成了一个数据集 列车通信网中的设备都提供一个或多个通信存储器来存储数据集 通信存储器可以由网络和用户共同访问 一个设备中最多可以有16个通信存储器 通信存储器用4位的通信存储器标识符来标识 每个通信存储器包含多个端口 端口是一种共享的内存结构 数据集存储在端口中 每个端口只存储一个数据集 一个通信存储器最多可有4096个端口 所以每个端口用一个12位的端口地址来标识 6 各地址间的映射 在列车通信网中 一个设备很可能有多个地址 例如一个节点 它有节点地址 同时作为一个设备 它有设备地址 而且它又是一个站 所以它有系统地址 为了将一个设备的各种地址联系起来 列车通信网提供了多个索引 如节点索引 组索引 站索引 功能索引等 索引实际上就是一个表 这个表将某个设备的各种地址一一对应起来 例如 节点索引将节点地址映射到设备地址 知道某个节点的节点地址 通过节点索引可以知道这个节点的设备地址 反之 知道了设备地址也可以通过节点索引查到节点地址 7 变量的寻址 在一个设备内 数据集由其所在的通信存储器的端口地址来标识 通过总线发送时 数据集由其所在总线上的过程数据帧来的逻辑地址标识 过程数据帧的逻辑地址与数据集所在的通信存储器的端口地址相同 在一条总线工作期间 在给定的逻辑地址上传输的数据的含义是固定的 发送方和接收方使用同一个逻辑地址来标识同一个数据集 例如 在某个设备中 存储某个数据集的端口 其端口地址为1 那么在另一个设备中 端口地址为1的端口还是存储了这一数据集 消息数据是通过网络地址来寻址的 消息分为系统消息和用户消息 系统消息是指管理者与代理者之间为网络管理所交换的呼叫消息和应答消息 这类消息使用系统地址来寻址 用户消息是在用户应用间交换的消息 这类消息使用用户地址来寻址 8 消息的寻址 工业以太网及其在列车网络中的应用 以太网技术原理 1 1以太网 Ethernet 的诞生 以太网最初是由Xerox公司开发的一种基带局域网技术 使用同轴电缆作为网络媒体 采用载波多路访问和冲突检测CSMA CD CarrierSenseMultipleAccess CollisionDetection 机制 数据传输速率达到10Mbps 以太网被设计用来满足非持续性网络数据传输的需要 而IEEE802 3规范则是基于最初的以太网技术于1980年制定 以太网版本2 0由DigitalEquipmentCorporation Intel和Xerox三家公司联合开发 与IEEE802 3规范相互兼容 冲突检测 由于两个站点同时发送信号 经过叠加后 会使线路上电压的摆动值超过正常值一倍 据此可判断冲突的产生 1 2以太网模式图 1 总线型2 星形 1 3以太网帧结构 IEEE802 3以太帧头 最小帧长 64字节 由最大传输距离和冲突检测机制共同决定 规定最小帧长是为了避免这种情况发生 某站点已经将一个数据包的最后一个BIT发送完毕 但这个报文的第一个BIT还没有传送到距离很远的一个站点 而站点认为线路空闲而发送数据 导致冲突 1 3 1最大传输距离 最大传输距离 通常由线路质量 信号衰减程度等因素决定 IEEE标准将支持最大距离为550米的多模光纤 最大距离为70千米的单模光纤和最大距离为100米的同轴电缆 1 3 2以太网的MAC地址 MAC地址有48位 但它通常被表示为12位的点分十六进制数 MAC地址全球唯一 由IEEE对这些地址进行管理和分配 每个地址由两部分组成 分别是供应商代码和序列号 其中前24位二进制代表该供应商代码 剩下的24位由厂商自己分配 如果第8位是1 则表示该地址是组播地址 44 45 53 54 00 00 1 4以太网发展 IEEE802 3以太网标准IEEE802 3u100BASE T快速以太网标准IEEE802 3z ab1000Mb s千兆以太网标准IEEE802 3ae10GE以太网标准 万兆以太网出现 70年代 80年代 90年代 以太网产生 10M以太网发展成熟 共享式转发LAN交换机 100M快速以太网 92年 96年 千兆以太网迅速发展 2002年 1 4 1标准以太网 开始以太网只有10Mbps的吞吐量 这种早期的10Mbps以太网称之为标准以太网 以太网可以使用粗同轴电缆 细同轴电缆 非屏蔽双绞线 屏蔽双绞线和光纤等多种传输介质进行连接 并且在IEEE802 3标准中 为不同的传输介质制定了不同的物理层标准 在这些标准中前面的数字表示传输速度 单位是 Mbps 最后的一个数字表示单段网线长度 基准单位是100m Base表示 基带 的意思 Broad代表 宽带 1 4 2快速 100M 以太网 数据传输速率为100Mbps的快速以太网是一种高速局域网技术 能够为桌面用户以及服务器或者服务器集群等提供更高的网络带宽 IEEE为快速以太网制订的标准为IEEE802 3u 快速以太网相关技术指标 1 4 3千兆以太网 千兆以太网是对IEEE802 3以太网标准的扩展 在基于以太网协议的基础之上 将快速以太网的传输速率100Mbps提高了10倍 达到了1Gbps 标准为IEEE802 3z 光纤与铜缆 和IEEE802 3ab 双绞线 1 4 4万兆以太网 万兆以太网规范包含在IEEE802 3标准的补充标准IEEE802 3ae中 它扩展了IEEE802 3协议和MAC规范 使其支持10Gb s的传输速率 除此之外 通过WAN界面子层 WIS WANinterfacesublayer 10千兆位以太网也能被调整为较低的传输速率 如9 584640Gb s OC 192 这就允许10千兆位以太网设备与同步光纤网络 SONET STS 192c传输格式相兼容 1 自协商技术 自动协商模式是端口根据另一端设备的连接速度和双工模式 自动把它的速度调节到最高的公共水平 即线路两端能具有的最快速度和双工模式 自协商功能答应一个网络设备能够将自己所支持的工作模式信息传达给网络上的对端 并接受对方可能传递过来的相应信息 从而解决双工和10M 100M速率自协商题目 自协商功能完全由物理层芯片设计实现 因此并不使用专用数据包或带来任何高层协议开销 2 自适应技术 ReceivePair TransmitPair TransmitPair ReceivePair TransmitPair ReceivePair TransmitPair ReceivePair 交叉网线 直连网线 不需要知道电缆另一端为MDI还是MDIX设备两种电缆 普通 交叉 都可连接交换机 集线器或NIC设备 2 1RJ45接口 RJ45接口通常用于数据传输 最常见的应用为网卡接口 RJ45头根据线的排序不同分为两种 一种是橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 另一种是绿白 绿 橙白 蓝 蓝白 橙 棕白 棕 因此使用RJ45接头的线也有两种即