（电力电子与电力传动专业论文）基于arcnet的列车控制网络的开发.pdf

北京交通大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e so f m o d e r nh i g h - s p e e dt r a i n s ，t h ea p p l i c a t i o no f t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki san e c e s s a r ym e a s l l r et og u a r a n t e et h ee f f i c i e n c ya n d s e c u r i t yo f t r a i nc o n t r o la n dc o m f o r to f p a s s e n g e r s a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f h i g h - s p e e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ，t h er e q u e s t so fr e a l - t i m ep r o p e r t y , r e l i a b i l i t ya n d s e c u r i t yo n t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sv e r yh i g h a n dt h i si sa l s ot h ek e ya n dt h e m o s td i f f i c u l tp o i n to ft h ea p p l i c a t i o no ft r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h ea r c n e tb u si n i t i a l l yu s e df o ro f f i c ea u t o m a t i o ni sak i n do fo p t i m a lt o k e n b u s i n t e g r a t i n gn e t w o r ka n dc o n t r o l ，i tp r o v i d e sw i t ha l lt h es e r v i c e so f p h y s i c a la n d d a t al i n kl a y e r so fi s o o s lm o d e l t h ea r c n e th a ss u c ha d v a n t a g e s 弱h e a v y n e t w o r kt r a f f i c ，q u i c kt r a n s m i s s i o nr a t e ，s u p p o r t i n gl o n g - h a u lt r a n s m i s s i o n , s i m p l e o p e r a t i o no fn e t w o r kn o d e s ，e x c e l l e n tr e a l - t i m ep r o p e r t ya n de x p a n d a b i l i t ya n d s oo n i na d d i t i o n , e a c hn o d eh a st h es a m eo p p o r t u n i t yt os e n di n f o r m a t i o ns ot h a tc o l l i s i o n d e t e c t i o nb yc s m ao rc s m a j c dc a r lb ea v o i d e d ，h i l g he f f i c i e n c ya n dr e l i a b l ed a t a t r a n s m i s s i o nw i l ls t i l lb ek e p tw h e nt h en e t w o r ki sb u s y i ti st h ea b o v ea d v a n t a g e st l l a t m a k et h ea r c n e ta ni d e a li n d u s t r yf i e l db u sa n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e do nh i g hs p e e d t r a i n so fj a p a n e s es h i n k a n s e ne 2 10 0 0s e r i e s a tt h em o m e n t ，t h ei n t r o d u c t i o n ， a b s o r p t i o na n da p p l i c a t i o no fa r c n e ta th o m e i sn o tm u t u a ly e t t h i st h e s i si ss u p p o r t e db yt h es u b j e c to ft h ea r e n e tt r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kd e v e l o p e db yo u ru n i v e r s i t yf o rz h u z h o ue l e c t r i cl o c o m o t i v er e s e a r c h i n s t i t u t e t h es u b j e c ti sr e s p o n s i b l ef o r t h ef u r t h e rd i g e s t i o na n da b s o 印t i o no fr e l a t i v e t e c h n o l o g i e sw i t ht h ee x p e c t a t i o nt oa p p l yi to nc h o n g q i n gl i g h tr a i l w a ya n d p r o v i d e se f f e c t i v et e c h n i c a ls u p p o r tf o r t h ef u t u r en a t i o n a l i z a t i o no ft h ea r e n e t c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h et h e s i sa n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fa r c n e tp r o t o c o l a n dd a t at r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mf i r s ta n dt h e ni n t r o d u c e st h ed e s i g no fs i n g l en o d e s o ft w os p e c i f i c a t i o n sf r o m h a r d w a r ec o n s t r u c t i o na n ds o f t w a r er e a l i z a t i o na c c o r d i n gt o t h es t r u c t u r ea n dc o n t r o lr e q u i r e m e n t so f c h o n g q i n g sl r v a n d10n o d e sa r e c o n s t r u c t e d 嬲an e t w o r ks u c c e s s f u l l y t h r o u g hal a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n t s ，t h e n e t w o r kf u n c t i o ni sv e r i f i e dc o r r e c t l y ，t h ed a t at r a n s m i s s i o no nb u si so b s e r v e dd i r e c t l y , n e t w o r kp a r a m e t e r sm a t m e e tt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so fc h o n g q i n g sl r va r e d e t e r m i n e da n dh e l p f u lm a nm a c h i n es y s t e mi s 胛o d d e d 嬲t h en e t w o r km o n i t o r i n g 北京交通大学硕士学位论文 英文摘要 s y s t e m t h en e t w o r k a saw h o l eh a sc o m p l e t e dt h es t a g eo fd e s i g na n de x p e r i m e n ti n t h el a b o r a t o r y t h et h e s i sd i s c u s s e st h es p o ti m p l i c a t i o no f a r c n e ti nt h ef u t u r e t h es u b j e c t a l s om a k e ss o m ec o n t r i b u t i o n st oa c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n ta n do w n e r s h i po f i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yo fa r c n e tc o n t r o ln e t w o r k 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 ；a r c n e t ；t o k e nb u s ；n e t w o r k c o n s t r u c t i o n c l a s s n o ：t n 9 1 5 8 5 2 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 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：最。南签字日期：年月f 日 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) 学位论文作者始七辛 签字日期：hq 年己月f r 日 导师签名曼j | 传 签字日期：叫年e 月厂日 j 匕塞 銮通 太一堂 亟 堂 僮j 金塞 致谢 充实而又富有挑战的研究生生活已接近尾声，心中感慨良多。在自己最关键 的时期，很多人伸出了友谊之手，诸多关怀使自己克服了很多困难来到了毕业的 门口。 本论文的工作是在我的导师王立德教授的悉心指导下完成的，王立德教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，帮我规划了研究生生 活，准确的为我预测到了课题的难点，提供了参考的依据，并为我今后的治学道 路指明了方向，撰写论文期间更是为我提出了宝贵的意见，在此衷心感谢王立德 老师对我的关心和指导。 同时也要感谢实验室聂晓波同学，课题是在聂晓波师姐的全程指导下完成的， 从制定方案到项目实施，她都给予了莫大的帮助，并帮助我解决了很多课题难点， 她的勤奋和细致的态度使自己倍感敬佩。课题组的李成刚同学也付出了巨大的努 力，这里也一并感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王永翔、王苏敬、王曦、周东等同学对我给 予了热情的帮助，教会我很多常识性的技能和帮助我面对困境。在此向他们表达 我的感激之情。 另外也感谢家人和朋友的支持和关怀，没有他们为我解决后顾之忧我也不可 能完成研究生的学业，感谢之辞无以言表，他日报答。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 随着轨道交通的发展，机车车辆的运行速度将大大提高，同时对其可靠性和 安全性也随之有了更高要求。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，控制网 络要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。列车网络控制系统是把机车车辆上的可编址设备通过车厢总线 和列车总线互连起来，经过总线进行各设备间的数据传输，完成机车车辆的控制、 状态监测和故障诊断的功能。因此，列车控制网络担负着极为重要的作用，一方 面控制网络直接参与到列车的牵引与制动等控制电路当中，信息传送是否及时和 成功，直接关系到行车安全【2 5 】；另一方面控制电路也是司机和工作人员的“眼睛 ， 它时刻监视着整车运行状态信息，并且将列车各种状态和故障信息及时的呈现出 来，作为行车和检修的重要依据；同时列车控制网络也在为高品质的列车服务提 供着重要保证【1 6 1 。 近年来，我国一直致力于整车通信网络的研究，并且已经掌握了很多控制网 络的相关技术。面对全国第六次铁路大提速的重大契机，我们要抓住时机，发展 我国自主知识产权的列车通信网络，这样才有可能在今后出现新一代列车通信网 络需求时，研发新型机车车辆产品不受制约，并且能够进一步提高我国自主研发 的机车车辆产品的安全性和可靠性。 1 1 国外列车控制网络的应用现状 7 0 年代末至8 0 年代初，车载微机的雏形分别在西门予公司和b b c 公司出现， 开始仅仅用于传动装置的控制，后又发展到公司管理、铁路运营、列车控制、机 车车辆控制、传动控制和过程驱动。列车通信网络在初期的串行通信总线的基础 上应运而生，并从原来不同公司的企业标准推向国际标准。 1 9 9 9 年6 月i e c 6 1 3 7 5 1 标准被确立为t c n ( 列车通信网) 的标准。1 9 9 9 年， i e e e 委员会也制订出了车载通信协议标准i e e es t d1 4 7 3 1 9 9 9 标准，制订一个开 北京交通大学硕士学位论文绪论 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 备可以互换【1 。5 捌。 下表中列出现在国际上常用的几种控制网络，并将其性能进行简单的对比。 表1 1 ：国际上常用控制网络性能对比【9 、1 5 3 1 】 t a b l e ：1 1 ：c o m p a r i s o no fc o m m o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sp e r f o r m a n c e m v b 控制网络协议 w t bc a nl o nw o r k sa r c n e t e s de m d o g f 最大传输l o o 2 02 0 02 0 0 08 6 04 0 1 0 0 0 05 0 0 2 7 0 0 距离( m ) 1 0 0 0 0 最大传输 1 5 ml m l m 5 k1 2 5 m 7 8 k 1 0 m 速率( b p s ) 双绞线、同 双绞屏蔽双绞屏蔽 双绞线、同轴电缆、光双绞线、 传输介质双绞线光纤轴电缆、光纤、无线、同轴电 线线 纤电力线、红缆、光纤 外线 总线、自由总线、星 网络拓扑总线星型总线总线型 拓扑型、树型 p - p e r s i s t e n t 访问方式主从轮询 c s m a a m p令牌环 c s m a 差分曼彻斯 编码 曼彻斯特 n r zn r z 特 最短用户 数据长度 2olll ( b y t e ) 最长用户 数据长度 3 21 2 882 2 85 0 7 ( b y t e ) 最大节点数2 5 63 21 1 01 2 7 了网2 5 6 开发成本一般较高低较高一般 在此期间发展起来的车载微机系统有西门子的s i b a s l 6 、s i b a s 3 2 ，a d t r a n z 公司的m i c a s s 、m i c a s s 2 、m i t r a c 以及a l s t o m 公司的a g a t e 系统。其 中s i b a s l 6 、s i b a s 3 2 、m i c a s s 是基于早期自行定义的协议来建立列车通信网 络，而m i c a s s 2 、m i t r a c 则是基于t c n 标准。m i c a s s 2 将网络分成列车总 线和车厢总线，列车总线采用f s k ( 频移键控) ，波特率为1 9 2 k b p s ，车厢总线 2 北京交通大学硕士学位论文绪论 m v b ( 多功能车厢总线) 采用r s - 4 8 5 串行通信标准，局部总线采用双绞线，远 程总线采用光缆，波特率为1 5 m b p s 。m i t r a c 则是在m i c a s - s 2 的基础上发展 起来的分布式列车控制网络，其协议已完全符合t c n 的标准。a g a t e 则是以 w o r l d f i p 总线协议为基础建立网络的。通信波特率为2 s m b p s 。三者皆可根据 需要建立主从式的分级列车网络。 1 1 1t c n 网络 1 9 8 8 至1 9 9 9 年长达11 年的工作，i e c t c 9 w g 2 2 ( 国际电工委员会第9 次技 术委员会第2 2 工作组) 在a b b 公司的m i c a s 的基础上，以及西门子公司的 d i n 4 3 3 2 2 和意大利的c d 4 5 0 等运行经验的基础上制订的列车通信网络( t c n ) 标准i e c 6 13 7 5 正式成为国际标准。 t c n 由多功能列车总线( m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s 。m v b ) 和绞线式列车总线 ( w i r et r a i nb u s ，w t b ) 组成。w t b 和m v b 之间通过网关进行协议转换。w t b 主要用于车辆之间的重联通信，其最大特点是具有列车初运行和烧结( 通信连接 器触点去氧化) 的功能，能自动识别车辆在列车编组中的位置和方向；车辆总线 m v b 主要用于车辆内控制设备的互联。t c n 网络采用基于总线管理器( b a ) 的 集中式介质访问控制，并支持介质和总线管理器的冗余，因而具备强实时性和高 可靠性等特点，在国际上有着广泛的应用 1 3 】。【2 3 】 1 1 2l o nw o r k s 网络 l o nw o r k s 是美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出的全开放式只能分布式测控网络 技术。其采用l o nt a l k 协议，其遵循o s l 参考模型的全部七层协议。l o nt a l k 协 议被封装在称之为n e u r o n 神经元芯片中。l o nt a l k 协议m a c 层采用了基于 c s m a 协议的带优先级预测p 坚持算法。既具有c s m a c d 的实现简单、带宽利 用率高、单点故障不影响网络通信和节点可灵活进退网络等优点，又改善了一般 c s m a c d 在网络重载时的性能。优先级机制使紧急数据具有优先的响应时间， 使l o nw o r k s 可以适应控制网络的要求。并且它还提供了与l a n 互联的接口， 从而实现了两者的有机结合。【2 0 2 1 】 3 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 1 3w - o r l df i p 网络 1 9 8 7 年3 月成立的w o r l d f i p 组织以法国几家大公司为主要成员，开发了 f i p 现场总线技术。f i p 最初为法国标准，后来采纳了现场总线国际标准 i e c 6 11 5 8 2 ，成为w o d df i p 。w o r l df i p 在带宽的分配和提供的服务上非常灵活。 w o r l df i p 具有极强的抗干扰能力，完全满足i e c 关于电磁兼容性的e m c 标准， 通信模式支持后台传输消息、周期和事件变量，保证诊断信息传输不影响实时控 制；物理层采用i e c 标准，支持电缆冗余，大部分协议固化在硬件上，稳定性强。 另外，w o r l df i p 不论高速还是低速，只有一套通信协议，所以不需要任何网桥 或网关，低速和高速的衔接只用软件就可以完成。 1 1 4c a n 网络 2 0 世纪8 0 年代初，德国的b o s c h 公司提出了用c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 控制器局域网络来解决汽车内部的复杂硬信号接线。1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布 了道路交通运输工具、数据信息交换、高速通信控制器局域网国家标准 i s 0 11 8 9 8 c a n 高速应用标准，i s 0 11 5 1 9 c a n 低速应用标准。标准的c a n 协议 定义了o s i 参考模型的物理层和数据链路层。c a n 的通信介质访问方式为带优先 级的c s m a c d ，c a n 信号传输采用短帧结构，每帧的有效字节数为8 个，传输 时间短，受干扰的概率低，错误严重的c a n 节点能自动切断该节点与总线的连 接，避免对总线上其他节点造成影响。【2 2 】 1 1 5a i n e t 网络 a r c n e t ( a u x i l i a r yr e s o u r c ec o m p u t e rn e t w o r k ) 是一种基于令牌传递( t o k e n p 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 ，从o s i 参 考模型来看，它提供了网络的物理层和数据链路层服务。a r c n e t 网络最初是在 7 0 年代末作为办公自动化网络发展起来的，随着办公室网络系统需求由a r c n e t 向以太网转变，a r c n e t 网络在实时控制系统中找到了新的用途。由于它具有快 速性、确定性、可扩展性、支持长距离传输、软件开销小、错误自检测、进退网 简单等特点，非常适合过程实时控制，近年来被广泛应用在各种自动化领域，现 4 北京交通大学硕士学位论文绪论 在全世界己有约4 5 0 万个a r c n e t 节点应用于工业领域中，加入a r c n e t 行业 协会( a t a ) 的企业已经遍布了工业领域的几乎所有行业。随着每年近5 0 万新 的a r c n e t 网络节点的安装，到2 0 0 0 年底a r c n e t 网络节点已经达到了6 0 0 万个节点。日本的高速列车所使用的列车通信网络主要采用a r c n e t 网络，我国 南车集团引进的日本川崎公司的高速动车组( c r h 2 ) 也使用了a r c n e t 网络。 1 2 国内列车控制网络技术的发展 微机控制技术在我国机车车辆行业的运用已经有了十多年的时间，在这期间， 主要经过了三个阶段：第一阶段是功能控制阶段，即微机控制系统主要完成单一 的有限的功能。第二阶段是系统化阶段，即微机控制系统的开发是基于系统的综 合考虑的结果。第三阶段是网络化阶段，将计算机网络的概念引入列车控制系统， 在列车上建立分布式的列车控制网络。 1 2 1 功能控制阶段 这一阶段，电力机车立足于引进消化吸收和自主开发相结合的原则，对引进 的8 k 机车的控制技术进行消化吸收，开发出应用在s s 5 、s s 6 、s s 3 b 、s s 4 改进 型、s s 6 b 、s s 7 等不同车型的电力机车电子控制装置，其主要电路是通过模拟、 数字电路实现控制的数学运算和逻辑运算的，只有部分电路如功率因数补偿、空 电联合制动控制电路采用单片机技术。 1 2 2 系统化阶段 这一阶段，电力机车基于对当时a b b 公司的m i c a s s 的消化吸收，并根据 我国电力机车的实际情况予以装车的，系统分为人机界面级、机车控制级和变流 器控制级。系统能够完成机车控制的大部分任务，相对于机车控制而言是比较完 善的解决方案。在这个阶段动车组在我国的出现和发展，由于动车组固定编组、 双方向驾驶的特点，要求位于动车组两端的控制系统共享信息，实现对远端动车 的控制，于是便出现了基于上述系统的点对点通信的控制系统。 s 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 23 网络化阶段 第三阶段是真正实现列车控制网络化的阶段，在目前我国生产的动车组中已 有采用，只是所用系统多是直接从国外引进的。如株洲电力机车厂生产的出口伊 朗的t m i 电动车组，采用了m i c a s s 2 系统，列车总线采用f s k ，车辆总线采 用m v b ，在d j i 一动六拖电动车组中也采用了m i c a s s 2 ，后来“中原之星”也 采用这样的设计，“中华之星”则采用了t c n 网络。除此之外的其它国产动车组 中t 控制系统均处于第二阶段。因此，开发出适合我国国情的列车控制网络系统 是当务之急，也有着广阔的发展空间。目前，列车网络控制系统正处于百花齐放 阶段，已进行和正在进行的研制项目包括a r c n e t 总线、h d l c 车辆总线、c a n 总线和f s k 总线 2 62 ”。 1 3 现在的机遇 罔网网阿嗣 弋| 厂弋，厂v 气广 团圆：鹰榷 b 囡：f m 目纛 图1 1 ：动车组的技术引进 f i g u r e ll ：i n t r o d u c t i o n o f o u r c r h t e c h n o l o g y r e g i n a 。e 2 1 0 0 0 m 北京交通大学硕士学位论文绪论 全国第六次铁路大提速为国内控制网络的进一步研究和发展提供了宽阔的平 台。机车车辆的运行速度的不断提高对控制网络的通讯速率，实时性能，可靠性 能提出了更高的要求，因为控制网络承担着实现列车的牵引、制动控制，准确反 馈车辆运行信息，提供高品质的乘客服务等重要任务。这就需要我们借此契机消 化、吸收国外先进的网络控制技术，最终能够独立开发出整套应用于我国高速列 车的控制网络。c r h l 、c r h 3 、c r h 5 均采用t c n 网络技术，c r h 2 为南车集团 与日本川崎联合生产，原型车为日本新干线的e 2 1 0 0 0 ，该车就是搭载的a r c n e t 控制网络。我国1 9 9 5 年铁道部曾立项研制自主知识产权的a r c n e t 列车通信网 络，由株洲电力机车研究所联合铁路相关单位进行研究，当时已制造出网关等设 备，但最后未完成系统，使该网络还未有自主知识产权【2 引。国内其他控制领域对 该网络研究也较少，仅有清华大学尝试将其应用在双足机器人的控制上。 本次与株洲电力机车研究所共同开发成套的a r c e n t 列车通信网络，以期能 够在重庆轻轨上进行试用，借此来深入消化、吸收该网络的相关技术，并为今后 国产化a r c n e t 控制网络提供有力的技术支持。本文将从理论上剖析a r c n e t 网络系统的控制特点和数据传输机制，介绍单节点的设计原理，通过大量实验验 证由1 0 个节点组成的网络的功能的正确性并会给出网络的特定参数。 7 北京交通大学硕士学位论文a r c n e t 控制网络系统 第二章a r c n e t 控制网络系统 a r c n e t 最初用于局域网( l a n ) ，d a t ap o i n t 公司7 0 年代末推出了a r c n e t ， 其目的就是用于办公自动化，网络系统刮汛c + n e t ，a r c 是a t t a c h e dr e s o u r c e c o m p u t e r 的缩写，将这些计算机连接起来就是一个a r c n e t 系统。现在a r c n e t 已经很少用在办公自动化领域，但是由于其网络性能非常适合工业自动化领域的 控制需求，并实践证明该网络所具备的通信速率高、定时性强、可远距离通信等 特点使a r c n e t 可作为一种理想的工业现场总线。 a r c n e t 是一个开放标准协议，19 9 9 年成为美国国家标准a n s i a t a 8 7 8 1 。 从o s i ( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t ) 参考模型来看，它提供了网络的物理层和数据 链路层服务。a r c n e t 作为控制网络具有独特优势。首先控制网络要求必须在时 间可预测方式下传递信息，a r c n e t 的令牌传递协议提供了这种定时。其次， a r c n e t 包长度在0 5 0 7 字节内，额外开销很小，与a r c n e t 高速率( 最高可 达1 0 m b p s ) 结合可以实现对消息的快速反应。再次，a r c n e t 具有内置的c r c 1 6 校验( c r c c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k 循环冗余校验) ，数据链路协议也已经包 括在a r c n e t 控制器芯片中，网络功能如错误检测，流量控制和网络配置在无软 件干扰的情况下自动执行这样就减少了软件在错误校验上的开销【l 引。并支持包括 光纤在内的多种物理接线方案。 a r c n e t 提供了在两个节点间的连续的数据包传送和接收。一个a r c n e t 网络可拥有2 5 5 个不重复的节点，每个节点都会被指定一个唯一的m a c 地址 ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，介质访问控制) 。a r c n e t 局域网采用了优化的令牌 总线协议( i e e e 8 0 2 4 ) ，除了具有令牌总线网的一般特点外，还具有如下特点： 网络中每个节点保存有下一个节点的逻辑地址，可以生成一个网络活动节点地 址表。为了避免目的节点没有空闲缓冲区而引起信息的丢失，设置了空闲缓冲 区查询帧，通过查询可以减少不必要的数据重传，提高了总线利用率和网络效率。 重庆轻轨的a r c n e t 网络用于列车总线，网络贯穿列车实现对列车信息传输 的控制。网络可以对列车运行以及与车载设备动作相关的信息进行集中管理，能 够有效的帮助司机和乘务员操纵列车，随时监测列车运行的各项状态信息，提升 9 北京交通大学硕士学位论文 a r c n e t 控制网络系统 服务乘客的质量。也就是为列车搭建一套“神经系统”，这套系统需要快速、准 确的参与到列车运行的如下环节当中： 控制指令传送功能：司机可通过控制头车的操纵台，完成对列车的牵引、制 动、位置分散的辅助电源和设备的控制，总线式的连接可以大大减少硬连线的数 量，实现列车的集中控制。 监、检测功能：通过网络将列车信息显示在司机台的显示屏上，并实时的记 录这些状态信息，使司机和乘务员随时了解整列车的运行状态，一旦出现故障时， 可及时的切除故障，避免故障扩大，也可作为维修依据，减轻维修保养的工作量。 2 1a r c n e t 网络的构建 根据重庆轻轨列车的控制需求，所搭建的网络应由1 0 个节点组成，位于司机 室显示屏内的a 类节点通过双口r a m 与显示屏进行数据交换，为司机提供网络 上其他节点传送过来的数据，或者完成司机指令的下达。位于各个机车车辆的b 类节点通过f i f o 与中央控制机箱的其它设备进行数据交换。这样便为整个列车 搭建了一个信息传送和共享的平台，将整列车的信息直观、畅通的呈现出来，司 机或者工作人员可通过这样的平台完成对列车的控制与监测。 自机室 机车车辆l 机车车辆机车车辆机车车辆机车车辆机车车辆机车车辆机车车辆| 日j 机室、 睁i睁 i睁 俐i 剖蚓倒例i 蚓矧 图2 1 ：重庆轻轨控制网络安装示意图 f i g u r e 2 1 ：i n s t a l l a t i o nd i a g r a mo fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko nc h o n g q i n gl i g h tr a i l 北京交通大学硕士学位论文a r c n e t 控制网络系统 2 1 1 网络拓扑结构 网络采用总线式接法，即所有节点都连至同一电缆上，共享一个公共的物理 通道，某一时刻只允许一个节点发信息，通过地址识别将信息传送到目的节点。 令牌的传递可以确定下一个总线占用者。总线拓扑上也可以发送广播消息，使多 个节点能够同时接到报文。 图2 2 ：网络的总线式接法 f i g u r e 2 2 ：t h ec o n n e c t i o nm e t h o do f t h ew h o l en e t w o r k 总线拓扑是工业数据通信中应用最为广泛的一种网络拓扑形式，这种接法易 于安装，比星形、树形和环形拓扑更节约电缆，并且具有延迟小、速度快、易扩 展、单个节点故障影响小的优点。网络传输介质采用冗余设计，预防网络本身故 障的发生。但是这种接法随着信号在网段上传输距离的增加，信号会逐渐变弱， 将一个设备接入总线也会引起信号反射，所以在设计时需要采取相应措施来提高 信号传送质量，后文有详述。 2 1 2 传输介质的选择 传输介质采用三芯屏蔽双绞线，双绞线是最为通用的用于数字和模拟信号传 输的介质。双绞线各线对成螺旋排列，这样可以减小对数据通信的电磁干扰。在 1 0 m b p s 局域网内传输距离可达1 0 0 m ，通信速率较低时可致更远。双绞线的价格 也低于同轴电缆和光纤等其他传输介质，安装、维护也比较方便，并且能够满足 本网络系统最终的实现目标。 下面两节将具体分析采用a r c n e t 搭建的这套系统在控制上有哪些特点和 系统的工作机制。 1 1 北京交通大学硕士学位论文a r c n e t 控制网络系统 2 2a r c n e t 网络特点分析 2 2 1 控制的确定性 a r c n e t 性能的关键就是它采用了优化的令牌传递协议。在令牌传递网络 中，只有接收到令牌的节点才能发送信息。当节点接收令牌时，它就成为网络的 瞬间主机，它掌握的时间很短而且传送的信息量受到限制。因此没有一个节点能 支配这个网络。因为它必须要放弃令牌的控制，信息一旦发送出去，令牌传递到 逻辑地址比它大1 的节点，准许其它成为瞬间的主机。使用令牌传递、仲裁网络 上节点的访问，不存在竞争。网络上的时间性能变得可预测和具有确定性，事实 上，能够计算出在最坏情况下节点间传递信息所需的时间，这一点与使用冲突检 测机制的工业以太网和c a n 有显著的不同。a r c n e t 网即使在网络负载重、流 量很大的情况下，也不会造成网络阻塞。【s 】 以2 5 m b p s 的数据传输速率为例，分析本网络系统的确定性：( 暂时忽略除 协议控制器外的其他芯片的响应时间) a r c n e t 协议控制器执行简单的令牌传送约需2 8 2us ( 协议控制器响应时 间1 2 6us + 令牌码传送时间1 5 61 ts ) ，因而令牌绕逻辑环一周的传递时间为 t 1 = 2 8 2 x n n o d e s ( us ) ，n n o d e s 为网络中活动节点数，重庆轻轨列车控制网络系 统中n n o d e s = 1 0 ，t l 此时为2 8 2 1 x s ，一个节点从接收到令牌到发送数据为止，共需 11 7 2 1 a s 的处理时间，传输每个字节需11 个时钟周期，一个字节的传输时间为 1 1 x 4 0 0 n s = 4 4 l _ t s ( 速率为2 5 m b p s 时，每个时钟周期为l o o n s ) 。因此令牌绕逻辑环 一周最坏情况下的传输时间是网上每个节点均有数据需要发送，其大小可表示为 ( 2 8 2 + 11 7 2 “4 x n b y t e s ) x n n o d e s ( 1 x s ) ( n b y t e s 为每个数据包发送的字节数) ，因而 本系统中等待时间t w 的范围为： t 1 ( 2 8 2us ) t w ( 1 4 5 4 + 4 4 n l o y t e s ) x1 0 1 ts 上式表明只需要知道数据包的字节数就可以确定两节点传送这包数据的时间 范围。不会因为总线竞争造成网络阻塞，使得控制指令不能在预测的时间内到达 被控制设备。列车上很多设备是连锁控制的，如果某一个控制指令没有实现，与 其相连锁的设备将不会动作，这样会造成行车故障。事实上，d a t a p o i n t 公司的实 北京交通大学硕士学位论文a r c n e t 控制网络系统 验表明即使在一个具有1 7 5 个节点的重载网络中，节点有信息发送的次数与总的 具有令牌的次数之比也很少超过2 。由此可见a r c n e t 局域网的性能是很高的。 2 2 2 信息的定向性 在a r c n e t 网络中数据的传递是定向的。在传送序列中，拥有令牌的节点成 为源节点，源节点选择与其进行通讯的节点是目的节点。首先，源节点发出缓冲 空闲询问( f b e ) 对方是否有。目的节点通过返回一个确认a c k 进行回应，表 明有缓存或返回一个非确认( n a k ) ，表明无缓存。确认后，源节点会送出一个 0 5 0 7 字节的数据传送。如果数据被目的节点正确接收且c r c 测试成功，目的 节点送出另一个a c k ，如果传送失败，源节点进行延时，即暗示发送失败并会在 下一次令牌传送后重试，传送序列终止，令牌被发送到下一个节点。 总结起来可以概括为“前有查询，后有确认，中问有校验”多重措施保证了 信息能够按照约定的目的地址进行传送，对于轻轨列车来说，良好的信息传送定 向性不会产生错误的控制或者错误的检测信息，不会误导相关工作人员。 2 2 3 可以发送广播信息 a r c n e t 支持对所有节点的信息广播。与同一信息依次传送到不同节点不同 的是，这个信息会一次性传送至所有节点，已被允许接收广播信息的节点会收到 一个目的地址标注为0 的节点，广播信息传送中无n a k 和a c k 。 重庆轻轨列车中这一功能多用于司机控制室的控制信息的对各车辆同时下 达，比如说列车停靠后车门的开关，这一点也将在提升高品质的旅客服务方面发 挥重要作用。 2 2 4 多种连接方式 a r c n e t 具有灵活的网络接线方案，它支持总线、星型和分布式星型拓扑。 a r c n e t 网络常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光缆( 光导纤维线缆) 等。 三种介质在网络中可以混用。可根据网络通信量、要传输的数据类型、网络覆盖 的地理范围、节点间的距离、相关网络设备的性能价格比等灵活地选择合适的网 络接线方案和传输介质。如c r h 2 型高速列车就是采用的双重环网的a r c n e t 1 3 北京交通大学硕士学位论文 a r c n e t 控制网络系统 列车控制网络，网卡的设计在连接方式上是通用的，不会因为连接方式的不同而 有所区别，所以如今后需要，本套网络系统也可用于模拟c r h 2 的双重环网结构， 来进一步剖析c r h 2 的列车控制网络。 2 2 5 方便的扩展 a r c n e t 网络的范围有限制，使用同轴电缆和l o 个并联的h u b ，2 5 m b p s 网络的范围是6 7 0 0 米，这是基于在两个最远端节点之间传送的信号，单向时间不 能超过3 l u s ，在无需网桥或路由器的情况下，这个范围可以通过调用扩展延时来 j、 扩展，这使a r c n e t 的扩展和配置非常简便，它的扩展规则比以太网方便。 本设计中没有采用网桥或者中继节点的情况下便已经稳定实现网络传输速率 1 5 m s ，传输距离1 5 0 米，完全能够满足重庆轻轨列车的网络需求，若今后需要 进一步提高通信距离，只需在网络的适当位置接入中继器即可。 2 3a r c n e t 网络数据传输机制 2 3 1 逻辑环的建立 在a r c n e t 网络中，每个节点均有唯一的m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 地址，其取值范围为o 2 5 5 ，其中0 是网络广播地址。每个节点在系统初始化或 重构时确定它在逻辑环中的下一个节点，并将下一个节点的i d 值保存在各自专 用的寄存器n i d ( n e x ti d ) 中，并按m a c 地址从小到大的顺序构成一个逻辑环 路。图2 3 是一个典型的4 个节点的逻辑环【1 1 7 1 。 令牌( i t t ) 是一个独特的信号序列，会在网上所有有效节点以有效方式通 过，当一个独特的节点接收到令牌，它拥有独一无二的权力进行初始化传送序列 或它必须把令牌交给逻辑上相邻的节点。这个节点在物理上可以位于网络上的任 何地方，它的地址仅高于拥有令牌的节点。令牌一旦传递过来，接收方同样地拥 有进行初始化传送的权力，这个令牌传送序列以逻辑环方式对等地光顾到每一个 节点，节点地址必须唯一，自1 2 5 5 ，0 保留为广播信息。 1 4 北京交通大学硕士学位论文a r c n e t 控制网络系统 a 网络拓扑结构b 逻辑环 图2 3 ：逻辑环的建立 f i g u r e 2 3 ：e s t a b l i s h m e