第五章绞线式列车总线1

1、大连交通大学电气信息学院1第五章 绞线式列车总线大连交通大学电气信息学院2l 5.1 概述l 5.2 物理层l 5.3 绞线式列车总线的数据格式l 5.4 WTB介质访问控制方法l 5.5 WTB初运行l 5.6 WTB总线主冗余l 5.7 WTB链路层接口大连交通大学电气信息学院35.1 概述概述 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：大连交通大学电气信息学院4 WTB 采用屏

2、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它有一个段是朝向列车中间，另一段是朝向敞中间，另一段是朝向敞开的端部。端节点电气开的端部。端节点电气上用与它连接的端接器上用与它连接的端接器来终止两个总线节以减少来终止两个总线节以减少反射。反射。连接两个总连接两个总线节（段）线节（段）WTB总线由下列类型的电缆段组成：沿车辆走的干线电缆（连贯的车辆只有一根干线电缆）；沿车辆走的干线电缆（连贯的车辆只有一根干线电缆）；连接不同车辆干线电缆的跨接电缆；连接不同车辆干线电缆的跨接电缆；为达

3、各节点而对干线电缆进行延伸的扩展电缆。为达各节点而对干线电缆进行延伸的扩展电缆。 WTB 在一给定时间内只由一个总线主控制。在总线主控制下，WTB周期性地广播牵引和列车控制所用的过程数据；它也按需发送比较长但不太紧迫的消息数据。在编组发生改变或节点出现故障时总线主权可以转移。为此，总线主指示中间位置上的节点连接电缆节，命令末端的端节点插入端接器，这个进程称作初运行，每个节点指出它的位置地址和相对于总线主的取向。大连交通大学电气信息学院5WTB 特性摘要表：大连交通大学电气信息学院6WTB规定了3种不同类型的数据：1、过程数据、过程数据 从功能上划分，过程数据有两类：用于表示列车内设备状态的变量

4、用于表示列车内设备状态的变量对列车设备的控制变量对列车设备的控制变量2、消息数据、消息数据 消息数据是指冗长但不频繁的数据项，数据项被拆分成小包并按需发送，属于偶发性数据。3、监视数据、监视数据 监视数据用于总线的监视、控制和管理，以保证过程数据和消息数据在总线上的顺利传输。大连交通大学电气信息学院7监视数据有监视数据有8类，监视报文有以下几种形式：类，监视报文有以下几种形式： 1、检测报文 2、存在报文 3、状态报文 4、中间设定报文 5、命名报文 6、消名报文 7、末端设定报文 8、拓扑报文大连交通大学电气信息学院8大连交通大学电气信息学院95.2 物理层物理层5.2.1 电缆规范电缆规范

5、 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。在主干电缆中插入在主干电缆中插入节点所用的电缆，节点所用的电缆，每路线由两根独立每路线由两根独立的绞线对组成的绞线对组成,截截面面可能小于主干电可能小于主干电缆。缆。1、机械特性、机械特性 所有电缆节都是由两个导体、绞线式的、可屏蔽的、带护套的电缆段组成。两导线每米至少应绞12次。主干电缆的横截面积要求是0.75mm2，跨接电缆的横截面积要求是1.34mm2，如果使用D型连接

6、器进行间接连接，则每个扩展电缆的横截面积不能超过0.56mm2。2、标记原则、标记原则 双绞线的每一根线都要分别标识为X和Y，屏蔽层为S。电缆的每一根线也应清楚的标记。在所有连线和接合处也应有类似的标记。大连交通大学电气信息学院103、屏蔽概念、屏蔽概念 为了保障WTB总线信号传输的可靠性和不同应用场合的需求，WTB总线屏蔽采用了两种不同的方法：接地接地屏蔽和浮动屏蔽。屏蔽和浮动屏蔽。 接地屏蔽是指屏蔽层直接接地，注意：一是每个节点的屏蔽层要直接连接到该节点的地；二是车辆之间的跨接电缆不可以在车辆之间存在屏蔽层的电气连接。大连交通大学电气信息学院11浮动屏蔽是指屏蔽层通过一个RC回路连接到地，

7、在应用这种方式的时候，应注意：当屏蔽层没有连接到一个节点的时候，需要与地隔离开。参数选择：Rs=47.0（15%）K，并联电容Cs=100（1 10% ）nF，750V。大连交通大学电气信息学院12WTB所用连接线的基本性能参数所用连接线的基本性能参数大连交通大学电气信息学院13阻抗特性（0.52.0BR）120.0（110%）（）衰减特性（1.0/2.0BR）10.0/14.0（dB/km）分布电容（1.0BR） 65（pF/m）电容失衡（1.0BR） 1.5（pF/m）串扰抑制（0.52.0BR） 55.0（dB）传输阻抗（20.0MHz） 20.0（m/m）差分传输阻抗（20.0MHz）

8、 10.0（m/m）注：BR（1BR=1.0MHz） 表示测量时输入的正弦信号的频率大连交通大学电气信息学院145.2.2 节点连接方式节点连接方式 连接到一个节点的两个电缆节将被命名为Direction_1和Direction_2。原则：1、车辆的一个末端确认为末端1，另一末端确认为末端2；2、节点的Direction_1与末端1相连，Direction_2与末端2相连；3、如果Direction_1指向北，则车辆的西侧命名为A侧，东侧命 名为B侧；4、车辆内节点的A和B的命名遵循同样的约定。大连交通大学电气信息学院15 在常规操作中，每个节点都被插入到干线电缆中，连接两个总线节。位于总线末

9、端的节点，将在电气上终止连接它们的两个总线节；而位于总线中间的节点，将在电气上连接到它们的两个总线节。大连交通大学电气信息学院16 为了保障通信的可靠，可采用线路冗余方案，即增加一条具有相同电气特性的并行总线作为冗余备用，在这种方案中，每个节点通过独立的线路单元连接到冗余的两路总线上。大连交通大学电气信息学院17n 冗余的两条线路应被标识为线路A和线路B；n 上述标识对于同一车辆内的所有节点来说必须一致；n 属于不同线路的电缆（如跨接电缆应分别做标记）；n 线路A和线路B必须按照车辆定向的原则来进行标识。大连交通大学电气信息学院185.2.3 介质附件单元介质附件单元 节点通过它的介质附件单元

10、（MAU）连接到介质上，单一线路连接时，MAU由以下几部分组成：一个线路单元、一个方向转换器、一个主通道和一个辅助通道一个线路单元、一个方向转换器、一个主通道和一个辅助通道大连交通大学电气信息学院191、线路单元组成、线路单元组成 一个总线开关（Kb）、 两个端接器开关Kt1和Kt2、 两个收发器电路 两个曼彻斯特编码、解码器。2、方向转换器、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，切换它则改变两个通道的连接方向。3、主通道和辅助通道、主通道和辅助通道 网络中节点将靠近总线主方向的通道设为主通道，相反方向设为辅助通道，方向切换器用于转换主通道和辅助通道。大连交通大学电

11、气信息学院204、节点和开关设置、节点和开关设置总线主利用中间设定帧和末端设定帧来设置从节点的状态。1）中间设定）中间设定 连接两个总线节； 切除端接器； 主通道通过 收发器1或收 发器2与线路 线连； 关闭辅助通道 和未使用的收 发器。大连交通大学电气信息学院212）末端设定）末端设定隔离两个总线节；介入两个端接器；使辅助通道与一个方向相连，主通道与另一个方向相连。大连交通大学电气信息学院22 冗余线路单元冗余线路单元l 设计用于冗余连接的MAUs应通过独立的线路单元与线路A和线路B连接；l 应用于两个线路单元的节点设置（末端设定或中间设定）应相同。l 应保证一条线路断开时，另一条线路正常操

12、作。大连交通大学电气信息学院23大连交通大学电气信息学院24 WTB支持两种冗余级别：总线冗余和节点冗余。使用总线冗余时，节点总是在两路总线上发送相同的数据，但每个节点只从一路总线上接收，同时监视另一路总线，检测它是否仍在工作。 WTB线路冗余方案采用双线并行模式，每个节点通过独立的线路单元连接到冗余的两条总线上。WTB线路冗余原理：节点同时通过线路A和B发送相同的数据，但只从其中的一个线路接收数据，此线路称作信任线，它同时监视另一线路，此线路称作监视线。 WTB的线路切换依据线路受扰信号，连接到每个节点的总线节上都有一个线路受扰信号。5.2.4 WTB双线处理双线处理大连交通大学电气信息学院

13、25时滞：时滞：由于信号在线路A和线路B上的延时不同，因此它 们的时滞（时间差）在发送器、接收器或线路上其他任何地方是不同的。大连交通大学电气信息学院26线路受扰后的线路切换情况：大连交通大学电气信息学院275.3 绞线式列车总线的数据格式绞线式列车总线的数据格式 包括总线主发布的主帧和从设备响应的从帧，主帧和从帧共同组成一个报文，与MVB的区别在于：WTB的主帧与从帧格式是统一的。大连交通大学电气信息学院285.3.1 WTB帧格式帧格式 WTB总线上的待发送数据采用曼彻斯特编码，即“1”用位元中间的正跳变表示，“0”用位元中间的负跳变表示，这与MVB数据位的表示是一样的。帧格式帧格式大连交

14、通大学电气信息学院29WTB帧格帧格式式HDLC帧帧格式格式实时协议实时协议消息数据消息数据帧帧1、帧头编码、帧头编码 一帧信号由帧头开始，帧头由电平为“1”的起始位“S”开始，随后是若干个（“0”，“1”）位对，最后一位是“1”。大连交通大学电气信息学院302、终止分界符、终止分界符 帧由终止分界符结束，它将使线路维持2.0BT宽的正电平。为补偿失衡，在正电平后附加了一个2.0BT宽的负电平，最后回到空闲状态。大连交通大学电气信息学院313、帧数据、帧数据 16位的帧头和2位高电平的终止分界符不属于帧数据，但它们都属于WTB帧的组成部分。 所 有 帧 数 据 具 有 相 同 的 编 码 结

15、构 ， 并 服 从ISO/IEC3309标准中HDLC信号一致的结构。一帧数据由8位的标志符“01111110”开始和结束。在两个标志符之间为HDLC数据，此数据最少为32位，最大为1056位。HDLC数据应为8位位组的整数倍，各部分代表不同的含义，具有固定的顺序。HDLC数据后接错误检测代码。大连交通大学电气信息学院32p 报文定时报文定时l 总线通信由叫做报文的帧对组成，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。l 测得的帧间间隔是从终止分界符的最后一位的跳变到下一帧帧头起始位的中间跳变的一段时间。大连交通大学电气信息学院33p 应答延时的计算应答延时的计算l 对于一个给定

16、的总线来说，应答延时T_reply 是在主节点测得的可能出现在主帧端与响应主帧的从帧的开始之间的最大延时。l 应答延时由传播延时、解码和访问延时组成。l T_reply 是一个配置参数，它告诉总线在没有收到从帧时，总线主在发送下一个主帧之前应等待多长时间。大连交通大学电气信息学院34l 例：有17个节点（16节）的编组，假设总线主是总线的一个端大连交通大学电气信息学院35l对于一个给定应用，它在最坏情况下的应答延时T_reply计算如下： T_replyus=2*T_pd+T_source_max注：T_source_max为主帧解码和在源设备上的响应时；T_pd是在给定应用中，端节点之间的帧

17、在最坏情况下的传播延时。l发送帧间隔发送帧间隔l主侧主侧l在 主 通 道 ， 总 线 主 期 望 在 主 帧 发 送 结 束 后 的T_main_max=1.756ms 时间间隔内，完全接收响应它的主帧的从帧，同时主接收到从帧后的T_sm_min=0.064ms 内或超过时间（1.756ms+0.064ms=1820ms）期满后，总线主开始发送下一主帧；l在辅助通道，端节点期望在时间T_aux_max=1.047ms 内，完整地接收到响应它的主帧的从帧，同时在接收检测响应的端或超过时间（1.047ms+0.064ms）后，它开始发送它的下一个主帧。l 从侧从侧被寻址的从节点应按以下规则开始发送

18、帧：在接收到主帧的端后，不早于T_source_min=64.0us的时间内；以及不迟于T_source_max=0.300ms的时间内，除非是检测响应。在初运行状态，该时间可增加到0.600ms，在正常运行状态，该时间增加到0.800ms。大连交通大学电气信息学院395.3.2 WTB报文报文 总线主对从设备进行轮询时，主帧和从帧都采用广播方式被所有节点接收。在一次轮询过程中，由主帧和其响应从帧组合在一起就形成了报文。 在WTB总线上传输三种类型的报文： 过程数据报文过程数据报文 消息数据报文消息数据报文 监视数据报文监视数据报文 从设备总是以与它接收的主帧相同类型的帧来回答。大连交通大学电

19、气信息学院40l 过程数据报文过程数据报文 过程数据报文是由一个过程数据请求帧和紧随其后的过程数据响应帧组成。 当总线主自己发送过程数据时，它先发送一个轮询帧。然后按与从设备相同的定时发送一个从帧。这称为自轮询。大连交通大学电气信息学院41l 消息数据报文消息数据报文 总线主设备发送消息数据请求帧请求其他节点发送消息数据，被寻址的节点用消息数据响应帧来响应，目标地址为单个节点地址或广播地址。与过程数据不同，消息数据的与过程数据不同，消息数据的长度可变，在被轮询节点没有长度可变，在被轮询节点没有消息数据可传送时，它可以是消息数据可传送时，它可以是空的。空的。大连交通大学电气信息学院42l 监视数

20、据报文监视数据报文 除了过程数据帧和消息数据帧外，WTB 为初运行及组态控制还发送监视数据报文。总线主通过一个监视请求帧来请求节点发送监视数据给主设备或发送监视数据给某一节点，被寻址的节点将通过一个监视数据响应帧予以响应。大连交通大学电气信息学院435.4 WTB介质访问控制方法介质访问控制方法 WTB的介质访问控制方法为主从方式，即总线主节点负责介质访问的控制，所有其他从节点只有当总线主对它轮询时才响应。总线主在预定的间隔内轮询每个节点的周期性数据（过程数据）；在两个周期相间的固定时间内总线组轮询节点的偶发性数据：消息数据及监视数据。当列车的组成改变时，每个节点都报告总线主，他所需要被轮询的

21、周期，总线主根据各节点的轮询要求建立轮询策略。随着车辆的增加，周期相增长而偶发相缩短。对偶发性数据，总线主只需按顺序轮询节点。在每个基本周期里，总线主轮询其中一个端节点，检查组成的完整性及检测附加的节点。如果端节点是总线主本身，总线主仍然轮询自己并响应它，以便让所有其它节点检查总线主的存在。大连交通大学电气信息学院44基本周期宽度l基本周期宽度为T_bp = 25.0ms1.0ms.l总线主在基本周期开始后，只要基本周期没有结束,将不会发送消息数据请求帧或监视数据请求帧。特征周期l同一节点的两个连续轮询之间的间隔叫特征周期，T_ip，特征周期为基本周期T_bp的倍数,即T_ip = (2n*T

22、_bp).大连交通大学电气信息学院45周期扫描表周期扫描表l周期扫描表是在宏周期的每个基本周期都被轮询的所有节点的列表。它同时也定义在每个基本周期中剩余给偶发相的时间。l总线主将根据每个节点要求的特征周期（node_period） 和 在 初 运 行 期 间 接 收 到 的 过 程 数 据 长 度 （node_frame_size）来配置周期扫描表。l总线主将在基本周期内平均发送轮询，这样每个基本周期都可留出40%给偶发相。大连交通大学电气信息学院46周期扫描表周期扫描表l如果周期相占基本周期的60%以上，则具有最长周期的节点的特征周期将加倍，直到周期相占基本周期的60%以下。l如果这个操作无

23、效，则具有次长节点周期的节点的节点周期将加倍，如果必要的话，则依次类推直到最短周期的节点的周期加倍为止。l每 个 节 点 选 择 的 特 征 周 期 将 在 拓 扑 请 求 帧Topography_Request 中用your_period 传送给每个节点。大连交通大学电气信息学院47大连交通大学电气信息学院485.5 WTB初运行初运行 当WTB网络组成发生变化，特别是每次车辆编组或者解编时，主机重新配置总线，并给给个节点重新分配地址，这个过程称为初始化。在初始化过程中：在初始化过程中：（1）所有节点将各自的电缆段进行电气连接，形成两端有终端器的单一的总线段。（2）每个节点收到一个唯一的节点

24、地址，该地址标识其相对于总线主的位置和取向，各节点通知总线主其特征周期和节点描述符。（3）每个节点接收一个拓扑结构信息，它包含了其他所有节点的地址、位置和节点描述符。大连交通大学电气信息学院49l 节点地址分配原则节点地址分配原则1）主设备（执行初运行的主设备）收到地址01；2）不管实际运行方向，根据车辆的一位端和二位端，主设备定义“一位端”为方向1，“二位端”为方向2；3）在方向1上降序排列的主设备节点以地址63开始，该方向最后命名节点是底部节点；5.5.1 节点地址分配节点地址分配大连交通大学电气信息学院504）在方向2上升序排列的主设备节点以地址02开始，该方向最后命名节点是顶部节点；5）主设备可以最多命名62个节点。大连交通大学电气信息学院515.5.2 节点分级节点分级 整个初运行过程中，各个节点担任的角色可能不断地变化。总线将节点分为三个等级：n 强节点强节点n 弱节点弱节点n 从节点从节点大连交通大学电气信息学院521、强节点、强节点n 应用程