（控制理论与控制工程专业论文）车辆总线数据链路研究和cpld实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 自从8 0 年代开始，大量的电子设备在列车中投入使用，伴随而来的是大量 来自传感器和执行机构所产生的信号需要进行传递。现代列车上装备的电子设 备更是日益增多，牵引控制、车门控制、空调系统、导航系统、旅客信息服务 甚至于电视及因特网的接入，这就对列车通信提出了新的要求。 作为m c 6 1 3 7 5 1t c n ( 列车通信网络国际标准) 的推荐方案，用于分布式控 制的多功能车辆总线( 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 ) 是一种高稳定性的实 时现场总线，它与绞线式列车总线( w i r et r a i nb u s 简称w t b ) 构成的列车通信网 络( t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 简称t c 娜具有实时性强、可靠性高的特点。 m v b 总线标准已成为列车车辆现代化实时通信总线国际标准。m v b 主要用于 有互操作性和互换性要求的互联设备之间的串行数据通信总线，除了用于车辆 通信，也可用作工业控制和其它实时控制的现场总线。 本论文首先简要介绍了t c n 网络，包括其网络结构、实时协议、数据传输 及组态。然后以m v b 总线为研究对象，详细讨论了m v b 总线功能、物理介质、 设备类型、总线结构及相关接口，并从理论上对其进行了分析，m v b 更适合应 用于实时性和安全性要求非常高的列车通信网控制系统中。 本文给出了两种实现m v b 控制器的方案，并基于实验室环境提出了“单 片机+ c p l d ”体系结构的集成化设计方案。该方案的核心部分包含一个用于实 现与应用系统进行数据交换的微控制器，一个用于实现数据的编码、检错和收 发控制的复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和总线驱动器，以实现从节点通信。设计 重点放在c p l d 的功能模块实现上，给出了详细的逻辑电路模块结构和部分程 序，并对该模块进一步的扩展工作也做了简要讨论。 关键词：t c n 网络，m v b ，通信控制器，c p l d 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et h e8 0 sab i gg r o w so fe l e c t r o r t i ce q u i p m e n th a v er e q u i r e dm o r ea n dm o r e s i g n a l st r a v e l i n gf r o mt h es e n s o i sa n da c t u a t o r s n o w a d a y st h e r ei sal o to fe l e c t r o n i c e q u i p m e n t i nat r a i n ：衲ei r a c t i o nc o n t r o l ，t h ed o o r sc o n t r o l ，t h ea i rc o n d i t i o n e r s 。t h e n a v i g a t i o ns y s t e m s ，t h ep a s s e n g e ri n f o r m a t i o ns e r v i c e s ，a n de v e nt va n di n t e r n e t a c c e s s ，s oi t sr e q u i r em u c hh i g h e rl e v e l st ot h et r a i nc o m m n n i c a t i o n t h em u l t i f u n o t i o n 、电h i c l eb u s ( m v b ) t o g e t h e rw i t ht h ew i r en a i nb n s ( w t b ) a r ep a r to ft h e1 h i l lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf f c n ) w h i c hi sd e v e l o p e do ft h e i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do fl e c6 1 3 7 5 - 1 t h em v bi sah i g h l yr o b u s tr e a l t i m ef i e l d b u ss p e c i f i c a l l yd e s i g n e df o rc o n t r o ls y s t e m sb u i l ti n t or a i l r o a dv e h i c l e s ，a n dh a s b e c o m e 姐i n t e m a t i o n a is t a n d a r df i e l db u si nm o d e mt r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i t p r o v i d e sb e t ht h ei n t e r c o n n e c t i o no fp r o g r a m m a b l ee q u i p m e n ta m e n g s tt h e m s e i v e s a n dt h ei n t e r c o n n e c t i o no ft h i se q u i p m e n tw i t hi t ss e n s o r sa n da c t o r s d u et ot h ef a c t t h a tt h em v bp r o t o e o li sn o ts p e c i a l i z e dt os p e e i t i ct r a n s p o r t a t i o na p p l i c a t i o n i ti s a l s ov e r yw e l ls u i t e di ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o na sat i l l i v e r s a lf i e l db u sw h e r es t r i c t s a f e t ya n dr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t sa r en e e d e d t h i sd i s s e r t a l i o nf i r s t l yg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no nt h et c n i n c l u d i n gt h e n e t w o r ks t r u c t u r e ，t h er e a l t i m ep r o t o c o l ，d a t ac o m m n n i c a t i o na n dt h e c o n f i g u r a t i o n s t h e nf o c n so nt h em ，g i v e sar e s e a r c ho ft h em v bi nd e t a i l ， e s p e c i a l l yt h ep h y s i c a la n dl i n kl a y e r s , a n di n t r e d u c e st h ep h y s i c a lm e d i a , d e v i c e t y p e s ，b u ss t y c t n r ea n ds oo n m e a n w h i l e ，m i sa n a l y z e di nt h e o r y i ti sa d e t e r m i n i s t i ca n dr o b u s tf i e l db u sm o r es u i t a b l ef o rs a f e t y s e n s i t i r es y s t e m sw h i c h m u s to p e r a t ei nh a r s ha n dd i s t u r b e de n v i r o n m e n t s f o re x a m p l ei n s i d er a i l w a v v e h i c l e so ft h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t w oi n t e g r a t e dd e s i g ns c h e m e so fm u l t i f u n c t i o nv 曲i c l eb n sc o n t r o l l e r ( m w q a r ep r e s e n t e di nt h i st h e s i s ，a n db a s e do l lt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o nw ep u tf o r w a r da “m c u + c p l d f p g aa r c h i t e c t u r e ”t or e a l i z et h ef u n c t i o no fm v b c t h em a i np a r t o ft h i ss c h e m ei n c l u d e sam i c r o c o n t r o l l e rf o rt h el i n ka n dn e t w o r kl a y e r s ac p l df o r t h ei m p l e m e n t a t i o no fe n c o d e d e c o d e ro ft h ep h y s i c a ll a y e r , t op e r f o r mas l a v en o d e i nam v bc o m m u n i c a t i o n t h ee m p h a s i so ft h ed e s i g ni st h ef l l n c t i o nr e a l i z a t i o ui n c p l d ，t h ed e t a i l e dl o g i cc i r c u i to fc p l da n di t sv h d lp m g r a m ，a n da l s ot h e e x t e n d e dw o r kf o rf u t u r ea r eg i y e n k e yw o r d 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 u l t i f i t n c t i o nv e h i c l eb u s c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r , c p l d 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文字特别加以标注和致谢的 地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书恧使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垒鱼篷日期：o 苎乙 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、绞印或其它复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 签名：缝导师签名： 臼期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第1 章绪论 随着列车车辆对可靠性，安全性，通信实时性以及成本更高的要求，铁路 其它公共交通系统的操作者和制造者正在面临巨大的挑战，如何能在最短的时 间内为旅客提供方便，快捷，舒适而且经济的服务。不仅是旅客关心的问题， 而且也是铁路系统赢得客流量的关键。现代机车车辆正在朝着高速化、自动化、 舒适化的方向发展，与传统机车相比，越来越多的信息( 诸如状态、控制、故障 诊断、旅客服务等信息1 由此而产生，并且追切需要在机车车辆各计算机之间互 相传输与交换。 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支 结构的通信网络，是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串 行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网 络。它是神经技术、通信技术和控制技术高度综合与集成的产物，是一种开放 式和分布式的新模式。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网 络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、 补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功 能。 现场总线系统在技术上具有许多特点。首先该系统是一个开放的系统，具 有一致性，公开性。可以通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。其次， 它具有互可操作性与互用性，可实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通， 而且不同厂家的性能类似的设备可实现相互替换。此外，现场设备具有智能化 与功能自治性，现场总线将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分 散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时 诊断设备的运行状态。另外，现场总线的系统结构具有高度分散性，它从根本 上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，化简了系统结构， 提高了可靠性【2 11 4 1 。 在通信与计算机自动控制的今天，嵌入式微机控制技术和现场总线技术的 武汉理工大学硕士学位论文 结合，得到了长足的发展，除了在工业控制领域广泛实现数字化和智能化，在 列车、汽车等交通工具和工程车辆上，对实现计算机数字控制和通信的要求也 在日益增长。而嵌入式微机控制系统和现场总线技术的发展，使现代移动车辆 的过程控制已从集中型的直接数字控制系统发展成为基于网络的分布式控制系 统。将现场总线与数据通信技术紧密结合，利用先进的通信网络，在保证旅客 乘车安全与舒适为基础前提下组成的分布式控制系统，可以对交通运输中车辆 制动、防滑、车门、供电及空调等车载设备分别进行控制、检测和诊断，各设 备又分别由相应的微机进行控制，构成各个子系统，进而形成先进的控制、检 测与诊断系统。同其它的几种通用的现场总线( l o n w o r k s 、w o r d f i p 、c a n 等) 在列车上的应用相比，m v b 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。 移动车辆的实时控制中对数据传输的可靠性有较高的要求，采用总线通信， 可以大大减少导线线束的数量，提高系统的可靠性，同时，可实现具有智能诊 断能力的分布式全数字控制。考虑移动车辆这一特定的应用对象，其流动性大、 环境恶劣、可靠性要求高、实时性强、与控制系统紧密相关，若把用于列车通 信的特殊的计算机局域网抽象化、标准化，然后具体化，使得一方面列车通信 网络的核心技术能够被共享，不同来源的机车车辆能够在计算机网络的意义上 相互灵活地联挂，以及不同来源的车载设备能够在同样的意义下互换；另一方 面，串行数据网络的应用，减少了连线的复杂性，提高了可诊断性，从而更方 便，更容易调试和维护。 1 2 列车通信网的发展状况 由于欧洲铁路运输市场开放的需求，机车和车辆、以及车辆间的互联和交 换要求导致了列车控制网络的产生，机会所以的欧洲主要铁路企业参与了1 9 9 6 年开始的铁路开放系统互联网络项目。国际电工委员会( m c ) 和国际铁路联盟 ( u i c ) 为铁路车辆之间和车辆内互相连接的可编程设备制订了一项标准列 车通信网络国际标准i e c 6 1 3 7 5 1 一j 。 列车通信网聊的发展有了一定的历史，随着信息化和网络的发展，列车 网也在不断更新完善。t c n 是一个集整列列车内部测控任务和信息处理任务于 一体的列车数据通讯的i e c 国际标准。可用于牵引控制、车辆远程控制、远程 2 武汉理工大学硕士学位论文 诊断和维护、乘客信息和舒适系统，并具有卓越的查错能力。它包括两种总线 类型：用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通讯网络w t b 和用于连接车辆 内固定设备的车辆通讯网络m v b 2 1 】。它是应用于客运列车各车厢系统的分层网 络，是面向控制的一种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。其中，m v b 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。 同其它的几种通用的现场总线( l o n w o r k s 、w b f d f i p 、c a n 等) 在列车上的应用相 比，m v b 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。 1 3 本文研究的主要内容 当前w t b m v b 在欧洲已经得到应用，由于w t b 和m v b 是专门针对列 车通信网络而开发的，所有与m v b 连接的设备都需要通过m v b 网络接口单元 相互访问，而国外公司对该m v b 通信控制器芯片m v b c 的供货限制，给国内 机车推广使用该标准和开发基于此标准的其它应用带来了困难。同时现有m v b 通信控制器导致m v b 网卡实现方法过于复杂，造价偏高【删。因此进行m v b 网 卡的其它实现方法研究，尤其是对m v b 网卡功能模块进行优化，并用通用的复 杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和s o c 设计方法实现其通信功能，很有实际意义。 在我国，基于m v b 协议的通信控制器的应用仍处于起步阶段。目前国内只 有少数几家单位在研究及使用m v b c ，而在某些应用场合，例如移动车辆、船 舶和其它工业控制中，并没有得到广泛的应用。鉴于m v b 在国内有着广泛的应 用前景，本文对m v b 的实现方法进行研究。本文以多功能车辆总线为背景，介 绍基于单片机和c p l d 实现的冗余通信系统的设计思想，硬件接口；软件编程 以及c p l d 内部逻辑电力的描述方法。单片机+ c p l d 实现的高速控制电路是一 个能最大限度发挥单片机和c p l d 性能的综合控制电路，它结合了c p l d 的高 速、可靠、集成度高以及硬件逻辑结构可描述的优点，并利用了单片机控制电 路易于通过软件编程实现对数据进行接收、存储和处理的长处。 武汉理t 大学硕士学位论文 2 1t c n 网络 第2 章列车通信网络 列车通信网( t c 是用于列车的专用特殊计算机网络。列车的通信与控制系 统主要运行在干扰大，实时性和可靠性要求高的环境下。t c n 在列车控制系统 中的地位相当于c a n 总线在汽车电子中的地位。t c n 的核心技术是由西门子、 f i r e m a 、a e g 和a b b 组成的联合开发组开发的。 列车通信网络连接铁路机车车辆上车载可编程设备，它支持： 1 1 牵引和机车车辆的控制； 2 ) 远程诊断及维护； 3 ) 旅客信息及舒适性。 i e c 一6 1 3 7 5 定义了位于一个车辆内挂在一个车辆总线上设备的数据通信接 口，图2 - 1 为机车设备间的数据通讯接口，机车车辆间接口，如图2 2 所示。 列车总拽 图2 - 1 设备间接口图 列车总持 2 1 1t c n 的网络结构 图2 - 2 机车车辆间接口 列车通信网是一个局域网，在拓扑结构上采用总线型。列车总线和车辆总 线通过节点实现互联，它们是两个独立的通信予网，而且有不同的通信协议。 因此，节点就是列车总线和车辆总线的交汇点，同时是进行协议转换的网关。 列车通信网上的数据量都比较小，不存在路由选择、顺序控制和阻塞控制等问 题，比较简单；但是实时性、可靠性及网络构成的实用性要求比较高。它分为 两层：连接各个车厢的列车总线( w t b ) 和连接车厢内各个设备的多功能车辆总线 4 武汉理1 j 大学硕士学位论文 ( m v b ) 【7 l o i ) 多功能车辆总线( m v b ) 。如图2 3 机车总线拓扑示意图所示，m v b 将 车辆计算机与同一车辆内的各子系统标准设备连接起来，组成下层分布式通信 网络。各段m v b 在网关的连接下连接到列车的w t b 总线啪1 。 图2 - 3 机车总线拓扑示意图 绞线式列车总线( w t b ) 。如图2 4 列车通信网络结构所示，w t b 是一种 串行数据通信总线，它是以列车运行控制计算机为核心，通过列车总线将各个 车辆控制计算机节点连接起来，形成上层分布式网络。w t b 主要设计用于经常 相互连挂和解连的重联车辆，总线能自己组态【4 3 】。 2 1 2 实时协议 图2 4 列车通信网络结构 实时协议( r t p ) 为两个应用系统间的通信提供协议和服务。它规定了t c n 提 供的应用接口，提供两种主要的应用通讯服务，其中： 1 ) 变量( 分布式进程数据库) ：传送具有确定传输延时的短数据。包括： 过程数据链路层接口、变量的应用层接口。 2 ) 消息( 呼叫，应答及多播消息) ：传送可能冗长但不频繁的数据项，如果必 要，数据项被拆分成小包并基于需要发送，包括： 武汉理工大学硕士学位论文 a ) 消息数据链路层接口； b ) 用于选择包在网络中的传送路径的网络层路由； c ) 为点对点或多点传送的消息提供流控制和差错恢复的传输层； d ) 成对呼叫消息和应答消息的会话层； e ) 消息的应用层接口。 在实时协议的标准中定义了两种接口：链路层接t 3 ( l p i 和l m i ) 和应用层接 口( a v l 和a m d ，前者定义了从总线所期望得到的服务种类；后者分别定义了提 供给应用层的变量和消息服务【3 6 】【帅】l 。实时协议的体系结构如图2 5 所示。 变量 消息 a v i 。 应用层接口a m i 应用变量适配器( a v a ) 未用 l 肼 链路层接口“m i 应 实时协议 总线 特性 图2 。5 实时协议的体系结构 实时协议消息数据应用接口基于完整的七层协议模型( o s d 。链路层按优先 级以队列发送数据，由消息任务定时查询数据缓冲器的数据更新情况；网络层 则具有网关控制功能；传输层提供消息应答机制并实现消息数据拆装格式；由 会话层完成通信链路的连接和断开；表示层和应用层则为应用软件提供基于客 户服务器模式的接口服务。 6 、，lrj 层 路 链 、，k，ij 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 两层网络间的数据传输 一个列车总线节点就是一个消息数据的路由器。它具有两个接口，一个指 向车辆总线，另一个指向列车总线，正如图2 - 6 中列车总线节点图所示。 节点 数据乜路由曩) l l cl l c i 占c c - lii- 车辆总绒 羽车息娃 图2 6 列车总线节点 每个总线网中的节点计算机之间都可能需要进行数据通信，即某个节点上 的数据可能被总线网上所有的节点所需要。同时，两层总线网络之间也应该进 行通信，这是通过一个类似于网关的节点实现的，在实现上，该网关可以由车 辆计算机来充当。 对于周期性的过程数据，不包含目的地址，通常采用全网络广播方式传输， 因而实现起来很简单。网关节点分别将来自上、下层网络的数据全部直接转发 到另一层网络即可。在m v b 网络中，车辆主机( 主控制器) 依次轮询各个设备， 在实现转发上一层w t b 网络发布的控制命令时，同时收集本网络中各设备的状 态或控制信息，并依据这些信息建立起底层的分布式过程数据库。而w t b 网络 则依靠各个底层数据库建立上层分布式过程数据库。两层数据库中所存储的相 同变量的取值应该是一致的，且可在定程度上互为冗余备份，达到全列车网 络方便地共享分布式过程数据库的目的。 对于消息数据，由于是按照目的寻址，所以要求每个消息数据报携带用于 节点到节点传输所需要的全部地址。 具体讲，在总线上进行通信的每个消息数据帧携带两种地址： 1 1 源方和宿方的设备地址。作为在同一总线上进行点对点通信的设备标 识，并且仅在同一总线上有效，这些地址在数据链路层中要进行定义，已经足 以保证消息数据在本层网络中的传送和确认。如果消息数据需要发送到另一个 武汉理工大学硕士学位论文 车厢时，目的地址则是本层网络的网关节点。 源方和宿方的网络地址。这些地址属于网络层，用于标识在两层网络上 通信的站，在两层网络之间或者多个同等车辆网络m v b 之间进行数据交换时使 用，以便最终实现端到端的通信，总之，它们只在跨网络通信时起作用。 通过这两种地址，所有的数据都可以正确的被发送到目的设备，同时其确 认消息也可正确回送。 2 2 t c n 的组态 t c n 标准可以使用其一部分也可以作为整体来使用，例如，它可以这样来 使用： 1 1 具有w t b 但没有车辆总线，或者有其它的车辆总线而不是m v b ； 2 1 具有m v b 但没有列车总线，或者有其它的列车总线而不是w t b ； 3 ) 可以是其它形式的总线使用实时协议，而不是w t b 或者m v b 。 当t c n 应用于不同的场合的时候可以使用不同的组态。如图2 7 所示。 开路式驯车m 引导车辆哺车辆总绒 l 路车辆总绒2 路竿辆总拽 多簟元列车m 一一路车辆总线+ 封圉吐押车t t b l 路车辆总线睥啊总城 图2 7 t c n 组态 1 1 开路式列车组态展示了需要自动组态的开路式列车，例如国际铁路联盟 叫i c ) 列车。w t b 作为标准的列车总线，它最多支持3 2 个节点，每个机车车辆 可以没有或者有一个或更多的节点。每个节点最多可挂1 5 个车辆总线( m v b 或 其它总线1 。 2 1 多单元列车的组态展示了两个相连的闭式列车，当这些列车需经常连接 武汉理工人学硕士学位论文 和解连时，可使用w t b 作为标准的列车总线。但如果可能用其它方法组态时， 也可以用其它总线如m v b 来代替。车辆总线可以穿越几个车辆。 3 1 封闭式列车的组态展示了封闭式列车上，m v b 既能作为列车总线，也 可以为车辆总线。 在图2 7 中所示的所有三种组态中，常常用m v b 来连接板上设备，而可以 用其它的总线作为车辆总线【3 1 j 【3 引。 武汉理i 。大学硕士学位论文 3 1m v - b 总线 第3 章多功能车辆总线 m v b 是专门为铁路车辆内部控制系统所设计的高可靠性实时现场总线。采 用冗余的总线连接，采用曼彻斯特编码方式，提高了数据传输的确定性。m v b 可使用三种不同的媒体，它们都可咀在同一的1 5 m b s 速度下进行工作。m v b 采用两种访问方式：周期性和偶发性的访问，提高总线的利用率。m v b 可最大 支持4 0 9 5 个设备。该总线主要用于有互操作性和互换性要求的互联设各之间的 串行数据通讯总线。 3 1 1m 总线介质及耦合器 m v b 总线的物理层提供三种不同的物理介质，它们都以1 s m b s 的统一速 率工作： 1 ) 电气短距离总线：短距离( 2 0 m ) m 的电气介质，允许使用标准的r s 4 8 5 收发器每段可支持多至3 2 个设备，在发送器与接收器之间无需电气隔离，若 使用电气隔离则传输距离可更远。适用于底板总线和近距离设备的信息变换。 2 ) 电气中距离总线：中距离( 2 0 0 m ) 用的电气介质采用艘绞屏蔽线和变压 器电气隔离，由屏蔽职绞线组成的电气中距离介质。在2 0 0 m 的传输距离内最大 可支持3 2 个设备，允许使用变压器作电气隔离。适用于连接经常接入和断开轨 道的车辆。 3 ) 光纤介质：通过星型适配器汇出，传输距离可达2 k m ，主要用于较为苛 刻的环境下的数据传输1 4 】。 3 1 2 设备类型 m v b 网络中的设备可分为五类；类型0 ，类型1 ，类型2 ，类型3 和类型4 。 1 ) 0 类设备不参与通信，中继器与星型适配器属于此类设备。 2 11 类设备连接简单的传感器或执行机构，例如安放在现场中的设备。它 们不能进行远程配置，也不具备应用处理器，不参与消息通信，此类设备可以 进行过程数据及其设备状态通信，他们的过程数据端口地址依赖于他们的设备 进行过程数据及其设备状态通信，他们的过程数据端口地址依赖于他们的设备 武汉理工大学硕士学位论文 地址，其运行仅由总线控制器管理。 3 ) 2 类设备是具有应用处理器的智能输入和输出设备，它们可配置，可参 与过程数据，设备状态以及消息通信，能预处理信息，但处理器的程序是固定 的。此类设备不支持应用通过网络管理服务进行上传和下载。 4 ) 3 类是纯粹的站点，如具备非独立应用程序的可编程逻辑控制器( p l c ) 。 此类设备用于大量的端口，典型的是2 5 6 个，3 类设备同样可以进行过程数据， 设备状态以及消息数据的通信，同时，它们还支持通过网络管理服务对应用进 行上传和下载。 5 ) 4 类设备有：控制总线的总线管理器、用于网络管理的管理器。4 类设 备与2 类、3 类有相同的结构，但能提供额外服务。它们占用大量的端口，甚至 能预定所有的总线传输，当然有时也需要附加硬件。总线由其中一台设备控制， 即主设备，而所有的其它设备为从设备。在这些设备中，能行使主设备功能的 被称为总线管理器。通过总线管理器，可进行过程数据，设备状态和消息数据 的通信，同时，它还为其它设备提供网络管理服务。总线管理器中同样包含应 用程序，这些程序也能通过网络管理服务进行上传和下载。 6 1 网关：这些网关用于连接几条总线，每条总线具有不同的媒体接入，例 如：一台不同的主设备。 3 1 3m v b 总线拓扑结构与数据传输方案 1 ) 总线的拓扑结构。m v b 拓扑结构中，e s d 段包括一个总线管理器，几 个在机箱内或外的设备及一个网关。e m d 段包括一个总线管理器和几个其它设 备。o g f 段上也有几个其它设备。总线段之问通过中继器相互连接。每条总线 段都可以被重复提高实用性。m v b 总线的拓扑结构如图3 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 列车总线 图3 - 1m v b 总线的拓扑结构 2 ) 冗余的数据传输方案。为了满足高可靠性要求，m v b 总线定义了一套 冗余的数据传输方案。在这套方案中，设备同时通过两条线传输数据，但仅从 其中的一条线路中接收数据( 称其为信任线) ，与此同时还将监视另一条线( 称其 为观察线) 。当采用这种冗余方案时，将遵循如下应用规范： a ) 由一个双线程段组成两条线路，且为并行操作； 所有连接到双线程段的设备都将视同一条线路为线路a ，而视另一 条线路为线路b 。 c ) 所以总线及其负载的设计应确保在该双线程段上的两条冗余线具 有相似的传播条件。 d ) 设计时应注意确保两条冗余线的故障独立性。即当其中一条线路故 障时不会影响另一条线路的传输。 e ) 总线可以是完全复制的( 所以总线段均为双线程) ，也可以是部分复 制的( 即同时包括单线程段和双线程段) 。 f )当一个双线程段通过中继器连接到另个双线程段时，应在每条线 路a 和线路b 上均使用一个独立的中继器，并且在经过中继器的连 武汉理工大学硕士学位论文 接后仍能保持对线路a 和线路b 的识别。图3 2 为全冗余总线的结 构示意图。 光纤光纤 线路b 鳢踌a线路a 线路b 设备 ii 设 鍪 目 r一腼习一 凹燃 圄稿 设蕾 设 薯 厮孓 f i 翮。 一燧 婵 - 1 1 中缝器中维器 r阐 瓣 _ 一 _ ! 电嚣段u 电器段v 图3 2 全冗余总线 3 1 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总线控制 器和收发器间的连接，也可将其定义为电接1 1 1 。该接1 ：3 位于设备内部时要保证 接口的可测性，它无需进行一致性测试【2 9 】【3 0 l t 3 3 1 。 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“1 ”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； 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“1 ”。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 m v b 的帧 m v b 总线数据包称为帧，可分为两种类型的帧：主帧和从帧。其中主帧仅 由主设备发送，从帧是从设备响应主帧而发出的。主帧和其对应的从帧构成一 个报文。每种帧的主体都是由曼彻斯特码构成的。 3 2 1 曼彻斯特编码规则 曼彻斯特码又称数字双向码，是一种时钟自同步编码技术，编码后数据包 含了丰富的时钟信息。它是对每个二进制代码分别利用两个具有不同相位的二 进止新码去取代的原码。其特点是使用两个电平，既能提供足够的定时分量， 又无直流漂移，编码过程简单。例如，对于码序列0 1 1 0 1 0 1 ，其曼彻斯特编码为 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 。这种编码的好处就是可以保证在每一个码元的正中间时间出现 一次电平的转换，这对接收端的提取位同步信号是非常有利的。曼彻斯特编码 中的每个数据位应用以下规范编码【柏l ： 1 】一个“1 ”的编码在位元的前半部分位“高”电平，后半部分为“低” 电平； 2 ) 一个“o ”的编码在位元的前半部分位“低”电平，后半部分为“高” 电平； 曼彻斯特数据编码规范如图3 - 3 所示。 t i s ，l h s 高 低 。0 。 书于 一! 位单元 1 t 一 厂 一u o 髓roh 一o 髓t 0b t - _ 十位时闻 5 盯= 芈个位时俩 图3 3 “0 ”和“1 ”数据编码 如果曼彻斯特码中出现整个位元的高电平( n i l ) 或整个位元的低电平( n l ) ， 则被认为非数据符，用于特殊场合，如：帧头，帧尾标识。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2m v b 的帧及报文 1 ) m v b 帧的定义。帧的格式被优化为短的出现频率高的数据项，这样能 降低帧编码的复杂性。m v b 的有效帧应包括： a ) 一个起始分界符，接着是： b ) 由“0 ”和“1 ”组成的曼彻斯特编码帧数据符，然后为： c ) 一个终止分界符，其中包括非数据符。一个m v b 有效帧的编码如 图3 4 所示。 h 9 嗵z s 0l2345 bt 8 f 1 几nn 兀1 ni gi i n r li g n r l f i f li gi g 几n 0r l n l 凹 一 l 一 起持分隔符 一 帧敲据 结i 知孺符 图3 - 4 m v b 有效帧编码图 正确的主帧应一个起始分界符作为帧头，这个分界符称为起始分界符，它 的序列格式为： 起始位。“n h ”，“n l ”，“0 ”，“n i t ”，“n i l , ”，“o ”，“0 ”，“0 ”) ， 从帧的序列格式为： 起始位，“1 ”，“1 ”，“1 ”，“n l ”。“n h ”，“1 ”，“n l ”，“n h ” 。 主帧及从帧的起始分界符分别如图3 5 ，3 - 6 所示。 图3 5 m v b 主帧起始分暴符 一起蚰位 23 4 6 6t8 “i ” “1 ” l 儿 期 “1 ” 乩 耽 o _ 5 8 j l q l 玻乏ii广1厂 广1 i 图3 - 6m v b 从帧起始分界符 在帧的最后一位数据单元后，发送器将发送一个结束分界符，依据介质的 不同，将分为以下几种情况： ：虽：垦 雨 低h ：璺j 薹蒿 氍 武汉理工大学硕士学位论文 a ) 当介质为e s d 时，在发送完一帧数据的最后一位后，发送器将驱动总 线，使其变为低电平状态，并维持至少1 2 5 n s 和1 b t 的时间，然后停 止发送； b ) 当介质为e m d 时，在“n l ”符号之后添加一个“n i l ”符号，并停止 发送； c 1 当介质为o g f 时，添加一个“n l ”符号，并停止发送。 当i h s 信号维持低电平的时间超过0 7 5 b t + 1 2 5 n s 时，解码器将认为该帧 数据已传输结束。此外，在一帧数据传输结束后，解码器将忽略掉随后可能出 现的所有脉冲，直到遇到下一个起始分界符为止。 2 1m v b 帧的格式。m v b 中的帧分为主帧和从帧。主帧是由主设备 ( 管理站) 发送，从帧是从设备( 数据源) 响应主帧而发出的。主帧与从帧的格式各 不相同【3 2 】。 在主帧的格式中，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，它包括第1 5 位，如图3 7 所示： 图3 7 主帧格式 这1 6 位数据字是以4 位的功能代码为起始，在功能代码中指定了一条对从 设备进行操作的命令，特别是指出了主设备所期望的从帧类型。 主帧的这4 位功能代码中限定了接下来的1 2 位既可作为逻辑地址又可作为 设备地址，并且指出了所期望的从帧的大小。功能代码也能指定一个事件请求， 此时，在“地址”区域中包含的为参数或多播地址。功能代码应按表3 - 1 所示 的规定进行编码。 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 1 主帧中的功能代码 主帧 从帧 功能码地址请求源 大小( 位) 应答目的 o1 6 1 单个设备 3 2 所有设备 2逻辑过程数据被指定为6 4过程数据被指定为 3源设备1 2 8接收器 42 5 6 5 j 垂镰窝 曩j - _ _ 一 _ ? i 一纛j。一 ：_ i 。： 一 6 寰?。绦鼹j 、 j j i i ；| ，_ 鎏i 糍：； ：i| l 叠 。 7 _ 譬麓i 一 i ；j 毒_ l j ；l l 鬣 ? | 善荆。囊。 氍j o ； 一 _ i0 誊一。一 蟹薯? 暑_ _ i 主控制权待定的主控制权 8 设备 1 6主设备 转移主设备转移 单个或多 9所有设备 所有事件 1 6 事件标识主设备 个设备 1 0设蓉 保留 1 1 设备i 傈留 通过从帧 1 2 设备消息数据单个设备 2 5 6 消息数据进行设备 选择 一个或多 1 3 设备组 群事件 1 6 事件标识主设备 个设备 1 4设备单个事件单个设备 1 6 事件标识主设备 主设备或 1 5 设备设备状态单个设备 1 6设备状态 监视设备 对于从帧的格式，从帧应传输1 ，2 ，4 ，8 或1 6 个字( 每个字为1 6 位) 。数 据字的位数在一个字以内的将首先传送其最高有效位( 把一个字看成是无符号1 6 位蹩数1 。这些数据字将从0 开始编号，如图3 - 8 所示。 睁 删w o r d l糊2- o 船3鼯柏r d 4舶即5_ o r d 6 - 0 l c d 7 隧 _ 0 r d 8 最高最低 有效位 图3 - 8 从帧字的序列 一个从帧的内容除了消息数据头部以及管理数据以外并不是固定的。如果 数据并未完全占有整个帧的长度，则用“0 ”来扩展。其格式应是： 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 a 1 以从帧起始分界符开始； 接着为1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 或2 5 6 位帧数据； 曲在每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 位的校验序列附在其后，如图3 - 9 所示 1 9 木鞘i i 帮i ：黼麟趱黼黼黼：礴蚋n e d 3 2 位 6 4 位 1 2 8 位 2 5 6 位 8 位 3 2 位 6 3 盛圈翟圈圈 64位8位 6 4 位啦 6 4 位啦 6 4 位啦6 4 位8 位 6 4 位8 位6 4 位啦 图3 9 从帧格式 从帧包含了9 b i t s 的从帧分界符，数据段长度跟主帧内功能码有关，其中每 6 4 b i t s 数据后面附加8 b i t s 的校验码，长的从帧会使用两个或四个6 4 + 8 b i t s 数据 段。 如果从帧的长度与主帧中功能代码所指出的长度不符，则目的设备将拒绝 接收此帧，既便其校验序列是正确的。 3 1m v b 的报文。一个报文是由一个主帧和响应该主帧的从帧组成的。主 设备上的总线控制器定时从通信存储器t m 中读取主帧并发送。地址相关的从 设备源响应，从t m 中读取从帧并发送，地址相关的从设备宿接收从帧，这样 就完成了一次基本的通信。报文结构如图3 - 1 0 所示。 武汉理t 大学硕士学位论文 报文 7 主 帧从帧 、 ；磊 功能 地址l ! 瀚i i i 黼i 目i l 强le d s 数据 i | 麓狂 n s v m s d l代码 9 b i t 4 1 289 1 6 2 5 6 b i t 8 时俺 2 2 p s2 2 ，3 3 ，5 4 ，1 0 2o r1 9 8 p s m s d ：主帧起始分隔符；s s d ：从帧起始分隔符 e d ：结乘分隔符 图3 1 0 报文的格式和时问 在进行报文传输的过程中，总线上的所有设备都对接收的主帧进行译码( 包 括主设备1 ，地址匹配且为源设备的端口回复从帧，该从帧也被所有设备接收， 地址匹配且为宿的设备端口响应并接收该从帧。总线上所有的主帧和从帧都是 广播式，设备通过地址和自身属性来判断如何处理帧。m v b 的报文通信过程如 图3 1 1 所示。 ( - l 主_ i 殳备广播芝二j 雪萤萤i i i 二) 3 3m v b 通信方式 图3 1 1m v b 报文通信 在t c n 中m v b 与w t b 除了在物理层的区别外，它们都是基予同样的通 信原理来工作的。介质访问将由其中一个总线管理器，即主设备来控制，它在 每轮( at u m ) 期间保持对总线的控制。m v