列车通信网络

1、1列车通信网络Train_Communication_Network，TCN 2定义列车网络层次结构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：两条总线在链路层都提供了以下相同的两种服务：l过程数据传输：轮询式的，源寻址的广播数据；l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在更高层，实时协议提供了两种与

2、总线无关的应用服务：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）。网络管理支持配置、维护和操作。一套一致性测试的方针使得设备能够协调工作。4数据分类数据分类列车通信网络将传输两类数据：列车通信网络将传输两类数据： 短而紧迫的过程变量短而紧迫的过程变量 (Process_Variables(Process_Variables) )（如（如用于牵引控制）；用于牵引控制）； 不太紧迫，但可能较长的消息变量（如用于诊不太紧迫，但可能较长的消息变量（如用于诊断）。断）。5列车通信网络列车通信网络(TCN)的主要作用的主要作用连接车厢内的可编程设备，以便于实现：连接车厢内的

3、可编程设备，以便于实现：机车、车厢和列车控制；机车、车厢和列车控制；远程故障诊断和维护；远程故障诊断和维护；旅客信息服务。旅客信息服务。6列车通信网络的特点列车通信网络的特点工作环境恶劣，可靠性要求高；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；控制操作实时性（时间确定性）要求高；列车组成的动态性；列车组成的动态性；7国际标准及我国铁路标准国际标准及我国铁路标准IEC-61375-1 TCN（本课程主要介绍内容）；I E E E 1 4 7 3 TCN/LonworksTB/T 3035-2002实际应用还有实际应用还有：FSK、HART、WorldFIP、HDLC等TB中

4、华人民共和国铁道行业标准TB/T 3035-2002列 车 通 信 网 络Train Communication Network2002-02-09发布 2002-07-01实施中华人民共和国铁道部发布8IEEE1473IEEE1473允许协议设计组合允许协议设计组合组合组合车厢总线非时车厢总线非时间严格型间严格型车厢总线车厢总线时间严格型时间严格型列车总线列车总线IT型型T型型T型型IIL型型T型型T型型IIIL型型L型型T型型IVL型型L型型L型型9TB/T 30352002允许协议设计组合允许协议设计组合组合组合车厢总线车厢总线非时间严格型非时间严格型车厢总线车厢总线时间严格型时间严格型

5、列车总线列车总线IT型型T型型T型型IIL型型T型型T型型IIIL型型L型型T型型IVL型型L型型L型型10西门子公司西门子公司TCN之产品之产品 Siemens AG与德国与德国Adtranz一起生产牵引电气设一起生产牵引电气设备。备。 西门子生产的列车通信网络设备，主要是基于其西门子生产的列车通信网络设备，主要是基于其车载微机车载微机SIBAS/SIBAS32系统的系统的WTB和和MVB的的网卡和输入输出接口卡。网卡和输入输出接口卡。 11杜冈杜冈公司公司( (duagonduagon GmbH GmbH) )产品产品12优尼康公司（优尼康公司（UniControlsUniControls

6、）产品）产品 捷克一家从事运输及能源系统开发生产的公司。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、在列车通信网络方面的产品有：车载微机、WTB总线网关。总线网关。13TCN的优缺点的优缺点优点：优点：TCN的功能齐全已经成为铁标有一定国内应用的前例TCN的不足：的不足：WTB协议复杂TCN产品市场小，价格昂贵14TCN的主要内容如下表的主要内容如下表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

7、）；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/s1.5Mbit/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

8、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/偶发 用于总线管理的数据16拓扑结构拓扑结构列车通信网络基于以下的两层结构：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。将同一车厢内的设备连接起来的车厢总线。17列车总线列车总线WTBWTB列车总线用于连接不同组成的列车中的各个车厢：列车总线用于连接不同组成的列车中的各个车厢： 列车总线支持列车总线支持UIC 556UIC 556规定的列车组成，总线传输距离

9、可规定的列车组成，总线传输距离可达达860860米米(22(22个车厢个车厢) )。 列车总线至少可以容纳列车总线至少可以容纳3232个节点。个节点。 分配给列车总线节点一个位置地址，可识别方向（左分配给列车总线节点一个位置地址，可识别方向（左/ /右、右、前前/ /后），及其它节点的位置。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）。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。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为使总线在节点故障时仍可工作，事先把各节

10、点编号和类型通知给所有的应用，以便证实列车组成的完整性。型通知给所有的应用，以便证实列车组成的完整性。 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。手动干预列车总线也能继续工作。 列车总线使用专用介质。列车总线使用专用介质。UICUIC电缆或电缆或EPEP电缆（电气制动电电缆（电气制动电缆）的要求。缆）的要求。18车厢总线车厢总线MVBMVB车厢总线用于将一个车厢内或不可分的车厢组内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：的设备连接起来： 车厢总线允许设备的安装间距在车厢总线允许设备的安装间

11、距在200200米以内；米以内； 车厢总线至少支持车厢总线至少支持256256个设备；个设备； 车厢总线在最差情况下的响应时间低于车厢总线在最差情况下的响应时间低于16ms16ms；19MVBMVB物理层物理层MVB提供三种不同的物理介质，它们以相同速率提供三种不同的物理介质，它们以相同速率运行：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电短距离介质电短距离介质ESDESD 该介质使用该介质使用RS-485收

12、发器，基于基本的差分传输。无需收发器，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。底板总线之间的通信。ESD布线拓扑如下图。布线拓扑如下图。21ESD端接器接线端接器接线22ESD连接器布置连接器布置23ESD端接器的连接器布置端接器的连接器布置24ESD信号波形帧开始示例信号波形帧开始示例25ESD的发送器的发送器 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0.03BT(20ns,1.5M

13、bit/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，此时电压差高电平，此时电压差(Up - Un)在以下范围内：在以下范围内：+1.5 V (Up - Un) +5.0 V，驱动，驱动54.0 阻性负载时；阻性负载时；+1.5 V (Up - Un) (Up - Un) -5.0 V，驱动为，驱动为54,0 阻性负载时；阻性负载时；-1.5 V (Up - Un) -6.0 V，无负载时。，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。26ESD的接收器的接收器接收器遵循ISO8482(RS-485)标准

14、，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。c）接收器在有RS-485规定的相对于Bus_GND线的共模电压存在时，应能正确工作。27ESD拓扑拓扑28电中距离介质电中距离介质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

15、挂的车厢组合。29EMD传输介质传输介质采用双绞屏蔽线，屏蔽方式如图；采用双绞屏蔽线，屏蔽方式如图；收发器与传输介质之间采用变压器隔离。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收发器与传输介质的连接31设备与设备与EMD的双线连接的双线连接(冗余冗余)32EMD连接器的布置33EMD帧起始示例34光纤介质连接光纤介质连接 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。36MVB总线段连接总线段连接(混合拓扑结构混合拓扑结构)37总线控制器（总线控制器（Bu

16、s_Controller）总线控制器用途：总线控制器用途：控制总线的访问；控制总线的访问；通过发送器和接收通过发送器和接收器附挂到两条冗余总器附挂到两条冗余总线；线；包含编码器包含编码器/译码器译码器和通信存储和通信存储（Traffic_Store）控制逻辑；控制逻辑；译码到达帧并寻址译码到达帧并寻址通信存储。通信存储。38端口与通信存储器端口与通信存储器通信存储器设立目的通信存储器设立目的端口分为两类端口分为两类 逻辑端口逻辑端口 物理端口物理端口 通信存储器的组成通信存储器的组成通信存储器的访问者通信存储器的访问者39MVB信号编码信号编码 MVB速率：1.5MB/s。 数据采用曼切斯特编

17、码。 数据位编码如图40MVB信号编码信号编码 非数据符编码非数据符编码NH和NLa）一个）一个“NH”的编码在整个位单元为的编码在整个位单元为HIGH；b）一个）一个“NL”的编码在整个位单元为的编码在整个位单元为LOW。41MVB帧起始定界符帧起始定界符 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)42MVB帧结束分界符帧结束分界符 当介质为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

18、）； 当介质为光纤时，添加一个“NL”编码，并停止发送。43MVB信号传输信号传输 以以9-bit帧帧Start_Delimiter（源定界符）打头，以（源定界符）打头，以8-bit Check_Sequence（校验序列）结束（校验序列）结束 44介质冗余介质冗余45光纤介质冗余光纤介质冗余46主设备权的转移主设备权的转移令牌传送算法令牌传送算法 ：47MVB链路层链路层一次传输包括两种类型帧：一次传输包括两种类型帧： 主设备帧（主设备帧（Master_Frame），只由总线主设备生成；），只由总线主设备生成； 从设备帧（从设备帧（Slave_Frame），由从设备在响应主设备帧时），由从设

19、备在响应主设备帧时发送。发送。 一个主设备帧及相应从设备帧共同形成一个报文：一个主设备帧及相应从设备帧共同形成一个报文：48报文类型报文类型 MVB中有16种报文，由主设备帧中的F_code区分。F_code（功能码）（功能码）报文类型报文类型016位过程数据请求帧位过程数据请求帧132位过程数据请求帧位过程数据请求帧264位过程数据请求帧位过程数据请求帧3128位过程数据请求帧位过程数据请求帧4256位过程数据请求帧位过程数据请求帧5(保留保留)6(保留保留)7(保留保留)8主设备权传送请求帧主设备权传送请求帧9总体事件请求帧总体事件请求帧10(保留保留)11(保留保留)12256位消息数据

20、请求帧位消息数据请求帧13组事件请求帧组事件请求帧14单事件请求帧单事件请求帧15设备状态请求帧设备状态请求帧49Process_Data（过程数据）报文（过程数据）报文 对F_code0.4和Logical_Address的Master_Frame进行响应的Process_Data50MVB帧长度帧长度51Message_Data（消息数据）报文（消息数据）报文 Message_Data是对包含是对包含F_code12和设备地址和设备地址的的Master_Frame的响应，其长度固定为的响应，其长度固定为256 bits。Message_Data包含一个供所有设备译码的包含一个供所有设备译码

21、的12-bit目的地址。目的地址。52监督数据监督数据(Supervisory_Data(Supervisory_Data) ) 报文报文 Supervisory_Data帧是对帧是对F_code8、9、13、14或或15的的Master_Frame的响应。其长度总是的响应。其长度总是16 bits。53MVB介质分配（介质分配（MAC）MVB由单个主设备控制，该设备是能发送由单个主设备控制，该设备是能发送Master_FramesMaster_Frames（主设备帧）的唯一设备，所有其（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。它的设备都是从设备，他们不能自发发送。在

22、持续几秒钟的一轮期间，可能有几个设备在持续几秒钟的一轮期间，可能有几个设备Bus_AdministratorsBus_Administrators（总线管理器）（总线管理器）能够成能够成为主设备，但一次只能一个成为主设备。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）对端口进行周主设备按照某种预定顺序（策略）对端口进行周期性的轮询（期性的轮询（Polling）。）。54MVB介质分配介质分配基本周期、周期相、偶发相；基本周期、周期相、偶发相；过程数据、消息数据；过程数据、消息数据； 主设备轮询：源寻址广播；主设备轮询：

23、源寻址广播； 55MVB介质分配介质分配过程数据：根据所传送数据的需要安排访问时间过程数据：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，按间隔。时间间隔以基本周期为单位，按2n关系统关系统一部署。一部署。56MVB介质分配介质分配57HDLCHDLC数据帧格式数据帧格式 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包括起始和终止标志的信息块称为HDLC的的“数据帧数据帧”。起始和终止标志采用相同的帧间隔。起始和终止标志采用相同的帧间隔符符“01111110”，即在，即在HDLC规程中，帧

24、与帧之间规程中，帧与帧之间用用“01111110” 所分隔，所分隔，“帧帧”构成了通信双方构成了通信双方交换的最小单位。交换的最小单位。58“0”“0”比特插入法比特插入法 为保证帧间隔符为保证帧间隔符“01111110”的唯一性和帧内数据的透明的唯一性和帧内数据的透明性，保证性，保证A（地址字段）、（地址字段）、C（控制字段）、（控制字段）、I（信息字（信息字段）、段）、FCS（帧校验序列）中不出现（帧校验序列）中不出现01111110的位模式，的位模式，HDLC采用了采用了0位插入法。位插入法。 发送端发送端 发送发送“01111110”后，开始数据发送，并在数据发送过程后，开始数据发送，

25、并在数据发送过程中，检查发送的位流，一旦发现连续的中，检查发送的位流，一旦发现连续的5个个1，则自动，则自动在其后插在其后插(附附)上上1个个0，并继续传输后继的位流；数据发，并继续传输后继的位流；数据发送结束后，追加帧间隔符送结束后，追加帧间隔符“01111110”。 接收端接收端 识别出帧间隔符识别出帧间隔符“01111110”之后，启动接收过程；若识之后，启动接收过程；若识别出连续别出连续5个个1和和1个个0，则自动丢弃该，则自动丢弃该0，以恢复，以恢复原来的位流；若识别出连续的原来的位流；若识别出连续的6个个1，表示数据结束，表示数据结束，该数据帧接收完成。该数据帧接收完成。 59HD

26、LC数据传输模式数据传输模式1.1. 正常响应模式正常响应模式(NRM)(NRM)：主站具有选择、轮询从站主站具有选择、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；在主站询问时才能作为响应传输数据； 2.2. 异步响应模式异步响应模式(ARM)(ARM)：主站具有初始链路，差错：主站具有初始链路，差错校验和逻辑拆链功能；从站可以主动传输数据；校验和逻辑拆链功能；从站可以主动传输数据； 3.3. 异步平衡模式异步平衡模式(ABM)：任一组合站（兼有主、从任一组合站（兼有主、从站功能的站）均可控制链路，主动传送数据。

27、站功能的站）均可控制链路，主动传送数据。 60HDLC控制字段格式控制字段格式 01234567信息帧信息帧 I I监控帧监控帧 S S无编号帧无编号帧 U U 0NsP/FNr10typeP/FNr11M1P/FM261HDLC控制字段控制字段_ _信息帧信息帧(I)(I) 用于传输用户数据，其控制字段的第用于传输用户数据，其控制字段的第0 0位规定为位规定为00； NsNs（发送帧序号）：说明本帧对应的帧序号（采用模（发送帧序号）：说明本帧对应的帧序号（采用模8 8计计数），发送端可以不必等待确认，而连续地发送若干帧数），发送端可以不必等待确认，而连续地发送若干帧（不超过（不超过8 8帧）

28、，每发一帧，帧），每发一帧，NsNs模模8 8计数一次；计数一次； P/F（查询（查询/终止指示符）：对于不同的传输模式，该位终止指示符）：对于不同的传输模式，该位具有不同的含义。当采用具有不同的含义。当采用ARM和和ABM传输模式时，传输模式时，P=1要求对方立即予以响应，并在响应中置要求对方立即予以响应，并在响应中置F=1。无论使用何。无论使用何种传输模式，种传输模式，P/F总是一一对应的，在接到总是一一对应的，在接到F=1的帧之前，的帧之前，不允许再发不允许再发P=1的帧；的帧； NrNr（待收帧序号）：说明希望接收对方帧的序号（采用（待收帧序号）：说明希望接收对方帧的序号（采用模模8

29、8计数），计数），NrNr隐含指示该序号之前的所有帧已被正确接隐含指示该序号之前的所有帧已被正确接收；收；62HDLC控制字段控制字段_ _监控帧（监控帧（S S） 用于表示接收状态，其控制字段的第用于表示接收状态，其控制字段的第0 0、1 1位规定为位规定为“10”10”；第第2 2、3 3位表示了四种类型的监控帧。位表示了四种类型的监控帧。 Type=00, Type=00, 接收准备就绪接收准备就绪(RR)(RR)，发送该，发送该RRRR监控帧的一方准监控帧的一方准备接收编号为备接收编号为NrNr的帧；的帧； Type=10, Type=10, 未准备就绪未准备就绪(RNR)(RNR)，

30、发送该，发送该RNRRNR监控帧的一方说监控帧的一方说明已经收妥明已经收妥NrNr以前的所有帧，但希望对方暂缓发送以前的所有帧，但希望对方暂缓发送NrNr帧；帧； Type=01, Type=01, 拒绝接收拒绝接收(REJ)(REJ)，发送该，发送该REJREJ监控帧的一方说明监控帧的一方说明已经收妥已经收妥NrNr以前的所有帧，但编号为以前的所有帧，但编号为NrNr的帧有差错，希望的帧有差错，希望对方重发编号为对方重发编号为NrNr及其以后的所有帧；及其以后的所有帧； Type=11, 选择接收选择接收(SREJ)，该帧的含义类似，该帧的含义类似REJ监控监控帧，但希望对方仅仅重发第帧，但

31、希望对方仅仅重发第Nr帧。帧。 63HDLC控制字段控制字段_ _无编号帧无编号帧(U)(U)用于命令的传输（建立用于命令的传输（建立/ /拆除链路）等；拆除链路）等；控制字段的第控制字段的第0 0、1 1位规定为位规定为“1111”，第，第2 23 3位位（M1M1）和第）和第5 57 7位（位（M2M2）表示）表示U U帧的类型。帧的类型。M(M1M2)=11100(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；M(M1M2)=10001

32、(CMDR)，从站对主站命令的否认，类似BSC中的NAK；64绞线式列车总线绞线式列车总线（Wire_Train_Bus，WTB）65WTB总线拓扑总线拓扑66WTB物理层物理层 WTB采用屏蔽双绞线，要求有较高的机械连接性能。使采用屏蔽双绞线，要求有较高的机械连接性能。使用该种介质可以达到用该种介质可以达到1Mbit/s通信速率，长度为通信速率，长度为860m，对，对应应22节节26m长的长的UIC列车。可连接至少列车。可连接至少32个节点；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，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）表示从高到低的跳变（

33、负跳变）表示1，正跳变则表示，正跳变则表示0。67WTBWTB介质附挂单元介质附挂单元 介质附挂单元有两个收发器介质附挂单元有两个收发器,一个方向上一个。收一个方向上一个。收发器使用变压器实现与外部导线的电隔离，发器使用变压器实现与外部导线的电隔离，并附并附挂到曼切斯特编码挂到曼切斯特编码/译码器上。译码器上。68WTB介质冗余介质冗余 69WTB信号及其编码信号及其编码70 WTB帧（扩展的帧（扩展的ISO/IEC 3309） 71WTBWTB链路层及其报文链路层及其报文WTB有三种报文：有三种报文：1）过程数据报文；）过程数据报文；2）消息数据报文；）消息数据报文；3）监督数据报文；）监督

34、数据报文； 72WTB过程数据报文过程数据报文 73WTB消息数据报文消息数据报文 74WTB监督数据报文监督数据报文 75WTB介质访问介质访问 76常规操作常规操作WTB帧（总结）帧（总结） 77WTB初运行初运行 初运行目的：当列车的组成改变时，特别是车厢被初运行目的：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。这个过程称连挂或解挂时，主设备重新配置总线。这个过程称为初运行。为初运行。初运行动作：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；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