列车通信网络标准TCN

1、1,列车通信网络,Train_Communication_Network,TCN,2,定义列车网络层次结构,车速测量,辅助控制,制动控制,牵引控制,车厢控制,N,机车控制,列车故障诊断,列车运行自动控制,供电控制,空调控制,车门控制,轴温检测,制动控制,车,厢,总,线,车厢控制,1,车,厢,总,线,列,车,总,线,车,厢,总,线,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,

2、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-61375-1,TCN,本,课程主要介绍内容,IEEE1473,TCN/Lonworks,TB/T,3035-2002,实际应用还有,FSK,HART,

3、WorldFIP,HDLC,等,TB,中华人民共和国铁道行业标准,TB/T 3035-2002,列,车,通,信,网,络,Train Communication Network,2002-02-09,发布,2002-07-01,实施,中华人民共和国铁道部发布,8,IEEE1473,允许协议设计组合,组合,车厢总线非时,间严格型,车厢总线,时间严格型,列车总线,I,T,型,T,型,T,型,II,L,型,T,型,T,型,III,L,型,L,型,T,型,IV,L,型,L,型,L,型,9,TB/T 3035,2002,允许协议设计组合,组合,车厢总线,非时间严格型,车厢总线,时间严格型,列车总线,I,T

4、,型,T,型,T,型,II,L,型,T,型,T,型,III,L,型,L,型,T,型,IV,L,型,L,型,L,型,10,西门子公司,TCN,之产品,Siemens AG,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,duagon,GmbH,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

5、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,特征,绞线式列车总线,WTB,多功能车厢总线,MVB,结构,结构可变，构成改变时，具有自适应性,结构及设备的地址固定不变,介质,屏蔽双绞线,860,米,32,个节点，相当于,22,个,UIC,车厢,双绞线,RS-485,20,米,32,设备,变压器隔离屏蔽双绞线,200,米,32,设备,星型光纤网,2000,米,2,个设备,物理冗余,双份物理介质,双份物理介质,信号,带,16.32,位前同步码的曼彻斯特编码,带定界符的曼彻斯特编码,信号速率,1Mbit/s,1.

6、5Mbit/s,地址空间,8,bit,地址,12,bit,地址,物理地址,点对点及广播,点对点及广播,有效的帧长度,在,4-132,个字节之间可变,量化的,16,32,64,128,或者,256,bits,完整性,帧,FCS-16,帧校验以及曼彻斯特编码,IEC60870,校验序列及帧尺寸校验,介质分配,由一台主设备完成,由一台主设备完成,主设备权传送,主设备，强主设备或弱主设备,总线管理器通过令牌传送成为主设备,主设备冗余,初运行后，主设备权传递给另一节点,令牌传递自动进行主设备权转换冗余校验,链路层服务,过程数据,循环,源寻址广播数据,消息数据,偶发,点对点或广播数据报,监督数据,循环,偶

7、发,用于总线管理的数据,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,UIC,556,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

8、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

9、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,

10、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,1.5 V (Up,Un) +5.0 V,驱动,54.0 ,阻性负载时,1.5 V (Up,Un) +6.0 V,无负载时,低电平，此时电压差,Up,Un,在以下范围内,1.5 V (Up,Un) -5.0 V,驱动为,54,0 ,阻性负载时,1.5 V (Up,Un) -6.0 V,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

11、-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,0.200 V,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,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

12、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,

13、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,NL,a,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(Master Start,Delimiter,从设备帧起始符,SSD(Slave Start Delimiter,42,MVB,帧结束分界符,当

14、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-bit,Check_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

15、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,F_code,功能码,报文类型,0,16,位过程数据请求帧,1,32,位过程数据请求帧,2,64,位过程数据请求帧,3,128,位过程数据请求帧,4,256,位过程数据请求帧,5,保留,6,保留,7,保留,8,主设备权传送请求帧,9,总体事件请求帧,10,保留,11,保留,12,256,位消息数据请求帧,13,组事件请求帧,14,单事件请求帧,15,设备状态请求帧,49,Process_Data,过程数据）报文,对,F_code,0.4,和,Logical_Addres

16、s,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,256,bits,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,16,bits,53,MVB,介质分配,MAC

17、,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,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,2,n,关系统一部署,56,MVB,介质分配,57,

18、HDLC,数据帧格式,起始标志,要传输的数据块,结束标,志,01111110,000101100110111,01111110,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

19、，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,1,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,2,异步响应模式,ARM,主站具有初始链路,

20、差错校验和逻辑拆链功能；从站可以主,动传输数据,3,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,0,1,2,3,4,5,6,7,信息帧,I,监控帧,S,无编号帧,U,0,Ns,P/F,Nr,1,0,type,P/F,Nr,1,1,M1,P/F,M2,61,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

21、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

22、,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(

23、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,64,绞线式列车总线,Wire_Train_Bus,WTB,65,WTB,总线拓扑,Trunk cable,Jumper cable,And connector,Node,Connectors,Trunk,cable,End,Node,Extension,Cables,Terminators,End,Node,End vehicle,Intermediate vehicle(s,End vehi

24、cle,图,3-6 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,WTB,信号及其编码,70,WTB,帧（扩展的,ISO/IEC 330

25、9,71,WTB,链路层及其报文,WTB,有三种报文,1,过程数据报文,2,消息数据报文,3,监督数据报文,72,WTB,过程数据报文,73,WTB,消息数据报文,74,WTB,监督数据报文,75,WTB,介质访问,76,常规操作,WTB,帧（总结,77,WTB,初运行,初运行目的：当列车的组成改变时，特别是车,厢被连挂或解挂时，主设备重新配置总线。这,个过程称为初运行,初运行动作,节点连接电缆节形成一个两端带端接器的单段,每个节点接收一个标明其位置和相对于主设备,的方向的唯一地址，并通知主设备它需要的,Individual_Period,特征周期）和,Node_Descriptor,节点描述符,每个节点收到一个称为构形的描述符，该描述,符显示其它节点的地址，位置和描述符,78,节点地址分配,1,主设备地址为,01,2,主设备定义方向,1,为“底部,方向,2,为“顶部,3,在方向,1,上从地址,63,开始降序排列从设备节点地址