TCNWTB设备线路冗余控制单元设计

1、TCN-WTB设备线路冗余控制单元设计胡修林，殷端，张蕴玉（华中科技大学 电信系，湖北，武汉 ，430074）摘要：列车通信网TCN是面向控制的连接铁路车载可编程电子设备的分布式数据通信局域网，它是控制、计算机、通信技术等学科的交叉与集成。本文讨论的绞线式列车总线的冗余控制功能用来保证WTB总线系统的高可靠性。文章全面分析了冗余控制功能单元，对线路模式选择，线路受扰信号管理，切换控制，MAU报告进行了详细讨论，对协议中未加限制的内容提出了具体实现方案。最后用状态机控制方式在FPGA上实现设计实现。关键词：列车通信网 绞线式列车总线 可靠性 冗余控制 FPGA中图分类号：TP202 文献标识码：

2、BLine Redundancy Control Unit in TCN-WTB DevicesHuxiulin, Yinduan, Zhangyunyu(Electronics and Information Dept, Huazhong University of Science and Technology, Hubei, Wuhan ,430074)Abstract: Train communication network (TCN) is the local distributing network for data communication on the train, which

3、 connects the programmable electronic train devices. It is the crossing and integration of the control, computer and communication technology. This paper focuses on the Line Redundancy Control Unit in TCN-WTB Devices to ensure the high reliability of the systeme. This paper completely analyzes the f

4、unction of the Line Redundancy Control Unit, especially the line mode selection, the line disturbance signal management, switchover and the Medium Attachment Unit (MAU) report and proposes the method to implement the part that are not restricted by the standard. At last we implement the unit on FPGA

5、 using state control.Keywords: TCN, WTB, Redundancy Control, reliability ,FPGA1 TCN概述列车通信网（Train Communication Network,简称TCN）系列协议由国际电工委员会(IEC)第9技术委员会(TC9)和国际铁路联盟(UIC)联合完成,并定稿为IEC613751标准1, IEEE定名为IEEE1473-T列车通信标准，用于列车的远程控制、诊断、维护和乘客信息实时管理。TCN包含两种串行主从总线：1）绞线式列车总线(Wire Train Bus，简称WTB)，具有自配置功能，用来连接列车内的

6、各个车厢。2）多功能车厢总线(Multifunction Vehicle Bus，简称MVB)，用来连接一个车厢（或一个不可分的车厢编组）内的设备。TCN由WTB和MVB构成两级总线拓扑结构，它们之间的列车总线节点连接两级总线起着网关的作用，完成MVB和WTB之间的协议转换，实现跨总线通信，同时执行用户应用程序，完成WTB模块和MVB模块初始化、TCN网络管理等功能。2 WTB线路上的帧对线路上的信号，WTB首先要进行帧编码和解码，线路上的帧数据为曼彻斯特码编码。一帧信号由帧头开始，接着是帧数据，最后由终止分界符结束。帧头由电平为“1”的起始位S开始，随后是若干个（0，1）位对（本设计中采用了

7、7对），最后以“1”结束。终止分界符为2.0BT（1BT 1个时间单位）宽的正电平。（如图1所示）规范中定义了解码器产生两个信号：载波检测信号（CS）和信号品质错误信号（SQE），用于信号品质监视和冗余切换。载波检测信号CS：在检测到帧头最后一位后的0.5BT内，解码器使CS信号有效。在检测到终止分界符，非0、非1或非终止分界符后的0.5BT 内，解码器应使CS信号无效。信号品质出错信号SQE：在检测到帧头的最后一位后的0.5BT内，解码器应使SQE信号无效。CS信号有效后，在检测到非0、非1或非终止分界符后的0.5BT 内，解码器使SQE信号有效。有效帧：一个包含了帧头，一定数目的帧数据以及

8、一个终止分界符的帧定义为有效帧。当CS信号有效后，如果SQE信号有效的时间超过0.5BT，则此帧定义为无效帧。3 冗余控制原理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总线上，同一车辆内连接到双线上的设备将相同的线标识为Line_A和Line_B。节点通过线路A和线路B同时发送相同的数据，但节点只从其中的一条线路接收数据，此线路称作信任线，节点同时监视另一线路，此线路称作监视线。冗余控制模块控制总线传输和信任线选择。它接收来自帧编码器、帧解码器和链路层主控器的信号完成控制功能，区分信任线和冗余线。每个节点根据其物理层产生的信号或其链路层的请求，独立地选择它的信任线和监视

9、线，而不受其他节点的影响。4 冗余控制功能模块设计冗余控制模块完成四大功能：线路模式选择2，线路受扰信号管理，切换控制，MAU报告，下面分别介绍（如图2所示）。4.1 线路模式选择在内部寄存器中定义了only_trust_a和only_trust_b两个对象来确定线路的模式，这两个对象由应用层来管理：1） only_trust_a1，only_trust_b0时为单线模式，永远信任a线。2） only_trust_a0, only_trust_b1时为单线模式，永远信任b线。3） only_trust_aonly_trust_b0，为双线模式，开始时的信任线由初始化时的值决定，以后由切换策略导

10、致的切换结果决定。4） only_trust_aonly_trust_b 1，此种情况上层设计中保证其不出现。4.2 线路受扰信号管理连接到每个节点的总线节上都有一个线路受扰信号（Line_Disturbance），由于接入线路各有两个方向，则线路A的叫DA1和DA2，线路B的叫DB1和DB2。出现以下情况线路上的Line_Disturbance信号将被确认：1）在线路上解码器确认了SQE信号；2）在冗余线路单元确认了它的CS信号后的T_skew_r=32.0us时间内，信任线解码器没有产生一个CS信号，即帧丢失，则帧丢失线路的Line_Disturbance信号被确认。当解码器接收到一个有效

11、帧时，Line_Disturbance信号将被取消。在单线模式下，未使用的线路被看作是受到永久干扰的。4.3 切换控制出现以下情况时，转换单元在T_switchover=64.0us的时间内交换信任线和监视线：1）信任线Line_Disturbance信号被确认，而监视线Line_Disturbance信号没有被确认。2）链路层请求交换（特别是帧长度、FCS或协议发生差错时）。4.4 MAU报告链路层应知道和控制下层所有的状态信息，冗余控制模块通过MAU向链路管理层报告下列信息：1）通过哪条线路接受了一帧数据；2) 每条线路的每个方向上Line_Disturbance信号的状态等。协议中只是规

12、定了很多信号的一般管理功能，而没有给出精确和推荐的实现方式。在本设计中，不仅将系统变量按协议规定存储在链路层寄存器中，同时在应用层和链路层主控制器中动态管理。这就使系统使用者能够实现实时控制。此外冗余控完成的功能还包括：存储器接口控制，保证链路层和应用层之间信息的并行，一致性；初始化处理；错误管理，记录系统所有的错误情况的统计。5 线路冗余控制实现5.1 bit错延时控制数据bit错由cs和sqe配合判断，但由于cs和sqe信号是同时变化的，因此当cs信号变化时sqe的状态是不定的，如果此时立即判断，很可能出现误判，实现时采用在检测到cs信号下降沿后，将cs信号延迟2个BT再检测sqe信号，此

13、时sqe信号已经稳定，如果此时sqe为高则认为出现bit错，否则认为收到的帧为有效帧，从而来设置线路的Line_Disturbance信号【3】。5.2 时滞超时错由于信号在线路A和线路B上延时不同，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。在线路单元输出端测得的同一方向线路A和线路B上信号的时滞不应超T_skew_t=1.0us，接收器允许的最大接受时滞为T_skew_r=32.0us。双线模式下，节点的两接收器接收到的帧信号之间的时滞时间t_skew T_skew_r,则认为没有来帧的线路上帧丢失。下面对错误情况做一个简单分类【2】：1）任线的帧先来，在T_sk

14、ew_r内收到冗余线的帧；2）任线的帧先来，在T_skew_r内没有冗余线的帧，即冗余线的帧丢失；3）冗余线的帧先来，在T_skew_r内收到信任线的帧；4）冗余线的帧先来，在T_skew_r内没有信任线的帧，即信任线的帧丢失。冗余控制模块时滞超时错，采用状态机来控制。由前面介绍的功能要求，每种情况的执行一般使用一个状态来实现，有一些还是要使用多个状态来实现。图4中s0为等待状态，当数据帧到来时根据是信任线还是冗余线上的帧先来或同时来状态发生相应跳转，同时启动定时器，检测另外的一条线路上的帧的到来时间是否超时。如果在超时时间内到来，则系统状态将由s2跳转到s0等待下一帧的到来。协议中定义的T_

15、skew_r由线路物理特性来满足，一旦超时，则为物理层问题，线上的数据帧将丢失，为了使对帧丢失的判断更加可靠，引入了一个冗余时间t_en.在某一线路上帧出现后的T_skew_rt_en时间内，如果另一线上的帧没有出现才认为该帧丢失。图4中从s5状态到s0状态跳转时，信任线的Line_Disturbance信号被确认。根据以上两种情况，综合判断两线的Line_Disturbance信号，完成线路冗余切换。6 结论列车通信网络技术是现代列车的核心技术之一，目前国外主要铁路机车设备制造企业如Siemens，Bombardier和Unicontrol等已经开发出比较完整的TCN网络通信产品,而我国对T

16、CN的研究还处于起步阶段，在此形势下研发具有自主知识产权的TCN网络产品，对我国铁路网络通信技术核心竞争力的提升具有十分重要的现实意义。列车通信网络的硬件随着可编程片上系统发展将具有灵活的设计方式，可裁剪、可扩充、可升级、并具备软硬件在系统可编程的功能。文中讨论的WTB冗余控制模块是国内的首篇公开讨论，在ALTERA公司的FPGA芯片EP1C20F324I7上设计实现，该模块配置灵活，修改方便，性能完全达到要求，运行稳定，满足列车通信网络发展的要求。本文作者创新点：本文是国内WTB冗余控制模块基于FPGA实现的首篇公开讨论，本文采用自顶向下设计方法，通过设备功能分析来实现总线协议的方法，在今后

17、的研究中也具有一定的借鉴意义。参考文献1 IEC 61375-1, Train Communication NetworkS.2 Juan Carlos Moreno,Eduardo Jess Laloya and Jess Navarro, “Line Redundancy in MVB-TCN Devices: A Control Unit Design”, IEEE MELECON 2006, May 16-19.3 王剑, 赵海燕，基于CPLD的控制器冗余设计,微计算机信息，2005，8-2：114-116.基金资助：国防预研基金资助项目（51421010705jw0523）作者介绍：

18、胡修林（1945），男，华中科技大学，教授，博士生导师，主要研究方向：通信理论、现代通信系统与通信网、卫星通信。殷 端（1982），男, 华中科技大学，电信系硕士研究生，研究方向：通信与信息系统，卫星通信,计算机网络，IC设计,嵌入式系统设计。张蕴玉（1948），女，华中科技大学，电信系教授，主要研究方向：通信系统，软件无线电、虚拟仪器及智能控制。Author Introduction：Huxiulin（1945）,male, Huazhong University of Science and Technology , Professor.Engaged in the application research and development of communication system, network, satellite communication and so on.Yinduan（1945）,male, Huazhong University of Science and Technology , master, researches include communication system, network, satellite communication, IC design and embedded