列车通信网络标准TCN教案资料

列车通信(tōngxìn)网络

Train_Communication_Network，TCN1第一页，共88页。定义列车(lièchē)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2第二页，共88页。列车网络提供(tígōng)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(ɡāocénɡ)，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）。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。3第三页，共88页。数据(shùjù)分类列车通信网络将传输两类数据(shùjù)：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）。4第四页，共88页。列车通信(tōngxìn)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(kòngzhì)；远程故障诊断和维护；旅客信息服务。5第五页，共88页。列车(lièchē)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(lièchē)组成的动态性；6第六页，共88页。国际标准及我国铁路(tiělù)标准IEC-61375-1TCN（本课程主要介绍(jièshào)内容）；IEEE1473TCN/LonworksTB/T3035-2002实际应用还有：FSK、HART、WorldFIP、HDLC等TB中华人民共和国铁道行业标准TB/T3035-2002列车通信网络TrainCommunicationNetwork2002-02-09发布2002-07-01实施中华人民共和国铁道部发布7第七页，共88页。IEEE1473允许协议设计(shèjì)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IT型T型T型IIL型T型T型IIIL型L型T型IVL型L型L型8第八页，共88页。TB/T3035－2002允许协议(xiéyì)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IT型T型T型IIL型T型T型IIIL型L型T型IVL型L型L型9第九页，共88页。西门子公司TCN之产品(chǎnpǐn)SiemensAG与德国Adtranz一起(yīqǐ)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。10第十页，共88页。杜冈公司(ɡōnɡsī)(duagonGmbH)产品11第十一页，共88页。优尼康公司(ɡōnɡsī)（UniControls）产品捷克一家(yījiā)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。12第十二页，共88页。TCN的优缺点优点：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：WTB协议复杂(fùzá)TCN产品市场小，价格昂贵13第十三页，共88页。TCN的主要内容(nèiróng)如下表14第十四页，共88页。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/s1.5Mbit/s地址空间8bit地址12bit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256bits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/偶发

用于总线管理的数据15第十五页，共88页。拓扑(tuòpū)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(zǒnɡxiàn)；将同一车厢内的设备连接起来的车厢总线(zǒnɡxiàn)。16第十六页，共88页。列车(lièchē)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UIC556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(shèbèi)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。17第十七页，共88页。车厢(chēxiāng)总线MVB 车厢总线用于将一个车厢内或不可(bùkě)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；18第十八页，共88页。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，每段最多支持32个设备，屏蔽双绞线，变压器隔离(gélí)；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。19第十九页，共88页。电短距离介质(jièzhì)ESD该介质使用RS-485收发器，基于(jīyú)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。20第二十页，共88页。ESD端接器接线(jiēxiàn)21第二十一页，共88页。ESD连接器布置(bùzhì)22第二十二页，共88页。ESD端接器的连接器布置(bùzhì)23第二十三页，共88页。ESD信号(xìnhào)波形－帧开始示例24第二十四页，共88页。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54.0Ω负载时，信号的上升时间(10%~90%)应小于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：+1.5V<(Up-Un)<+5.0V，驱动54.0Ω阻性负载时；+1.5V<(Up-Un)<+6.0V，无负载时。低电平，此时电压差(Up-Un)在以下范围内：-1.5V>(Up-Un)>-5.0V，驱动为54,0Ω阻性负载时；-1.5V>(Up-Un)>-6.0V，无负载时。注：本规范比ISO8482更严格，在选择商用收发器时必须(bìxū)留心。IEC61158-2的收发器能够满足本规范。25第二十五页，共88页。ESD的接收器接收器遵循ISO8482(RS-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(chǎnshēng)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+0.200V，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。26第二十六页，共88页。ESD拓扑(tuòpū)27第二十七页，共88页。电中距离介质(jièzhì)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(liánjiē)不解挂的车厢组合。28第二十八页，共88页。EMD传输(chuánshū)介质采用双绞屏蔽线，屏蔽方式如图；收发器与传输介质(jièzhì)之间采用变压器隔离。29第二十九页，共88页。收发器与传输介质(jièzhì)的连接30第三十页，共88页。设备与EMD的双线连接(liánjiē)(冗余)31第三十一页，共88页。EMD连接器的布置(bùzhì)32第三十二页，共88页。EMD帧起始(qǐshǐ)示例33第三十三页，共88页。光纤介质(jièzhì)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(diàncí)噪音的区域，例如机车。34第三十四页，共88页。拓扑(tuòpū)结构电介质采用(cǎiyòng)总线拓扑结构，而光介质通常采用(cǎiyòng)星型拓扑。35第三十五页，共88页。MVB总线段连接(混合拓扑(tuòpū)结构)36第三十六页，共88页。总线(zǒnɡxiàn)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(bāohán)编码器/译码器和通信存储（Traffic_Store）控制逻辑；译码到达帧并寻址通信存储。37第三十七页，共88页。端口与通信(tōngxìn)存储器通信存储器设立目的端口分为两类逻辑(luójí)端口物理端口通信存储器的组成通信存储器的访问者38第三十八页，共88页。MVB信号(xìnhào)编码MVB速率：1.5MB/s。数据采用(cǎiyòng)曼切斯特编码。数据位编码如图39第三十九页，共88页。MVB信号(xìnhào)编码非数据符编码(biānmǎ)NH和NLa）一个“NH”的编码(biānmǎ)在整个位单元为HIGH；b）一个“NL”的编码(biānmǎ)在整个位单元为LOW。40第四十页，共88页。MVB帧起始(qǐshǐ)定界符帧数据以9-bit帧源定界符开头主设备(shèbèi)帧起始符MSD(MasterStartDelimiter)从设备(shèbèi)帧起始符SSD(SlaveStartDelimiter)41第四十一页，共88页。MVB帧结束(jiéshù)分界符当介质为ESD时，添加一个“NL”编码(biānmǎ)，并停止发送；当介质为EMD时，在“NL”编码(biānmǎ)之后添加一个“NH”编码(biānmǎ)，并停止发送（如下图所示）；当介质为光纤时，添加一个“NL”编码(biānmǎ)，并停止发送。42第四十二页，共88页。MVB信号(xìnhào)传输以9-bit帧Start_Delimiter（源定界符）打头，以8-bitCheck_Sequence（校验序列(xùliè)）结束43第四十三页，共88页。介质(jièzhì)冗余44第四十四页，共88页。光纤介质(jièzhì)冗余45第四十五页，共88页。主设备(shèbèi)权的转移令牌传送(chuánsònɡ)算法：46第四十六页，共88页。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(yīɡè)主设备帧及相应从设备帧共同形成一个(yīɡè)报文：47第四十七页，共88页。报文类型(lèixíng)MVB中有16种报文，由主设备(shèbèi)帧中的F_code区分。F_code（功能码）报文类型016位过程数据请求帧132位过程数据请求帧264位过程数据请求帧3128位过程数据请求帧4256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)12256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48第四十八页，共88页。Process_Data（过程(guòchéng)数据）报文对F_code＝0..4和Logical_Address的Master_Frame进行(jìnxíng)响应的Process_Data49第四十九页，共88页。MVB帧长度(chángdù)50第五十页，共88页。Message_Data（消息(xiāoxi)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256bits。Message_Data包含一个(yīɡè)供所有设备译码的12-bit目的地址。51第五十一页，共88页。监督(jiāndū)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(chángdù)总是16bits。52第五十二页，共88页。MVB介质(jièzhì)分配（MAC）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(chéngwéi)主设备，但一次只能一个成为(chéngwéi)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）对端口进行周期性的轮询（Polling）。53第五十三页，共88页。MVB介质(jièzhì)分配基本周期、周期相、偶发相；过程数据、消息数据；主设备(shèbèi)轮询：源寻址广播；54第五十四页，共88页。MVB介质(jièzhì)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2n关系(guānxì)统一部署。55第五十五页，共88页。MVB介质(jièzhì)分配56第五十六页，共88页。HDLC数据(shùjù)帧格式起始标志

要传输(chuánshū)的数据块

结束标志

01111110000101100110111

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。57第五十七页，共88页。“0”比特(bǐtè)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，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(jìxù)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。58第五十八页，共88页。HDLC数据传输模式(móshì)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(xúnwèn)时才能作为响应传输数据；异步响应模式(ARM)：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；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。59第五十九页，共88页。HDLC控制(kòngzhì)字段格式

01234567信息帧I监控帧S无编号帧U

0NsP/FNr10typeP/FNr11M1P/FM260第六十页，共88页。HDLC控制(kòngzhì)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(yǐnhán)指示该序号之前的所有帧已被正确接收；61第六十一页，共88页。HDLC控制(kòngzhì)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(yīfānɡ)准备接收编号为Nr的帧；Type=10,未准备就绪(RNR)，发送该RNR监控帧的一方(yīfānɡ)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(yīfānɡ)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。62第六十二页，共88页。HDLC控制(kòngzhì)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(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(quèrèn)，类似BSC中的ACK；M(M1M2)=10001(CMDR)，从站对主站命令的否认，类似BSC中的NAK；63第六十三页，共88页。绞线式列车(lièchē)总线

（Wire_Train_Bus，WTB）64第六十四页，共88页。WTB总线(zǒnɡxiàn)拓扑65第六十五页，共88页。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(shǐyòng)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’。66第六十六页，共88页。WTB介质(jièzhì)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(shǐyòng)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。67第六十七页，共88页。WTB介质(jièzhì)冗余68第六十八页，共88页。WTB信号(xìnhào)及其编码69第六十九页，共88页。WTB帧（扩展(kuòzhǎn)的ISO/IEC3309）70第七十页，共88页。WTB链路层及其报文WTB有三种(sānzhǒnɡ)报文：1）过程数据报文；2）消息数据报文；3）监督数据报文；71第七十一页，共88页。WTB过程(guòchéng)数据报文72第七十二页，共88页。WTB消息(xiāoxi)数据报文73第七十三页，共88页。WTB监督(jiāndū)数据报文74第七十四页，共88页。WTB介质(jièzhì)访问75第七十五页，共88页。常规(chángguī)操作WTB帧（总结）76第七十六页，共88页。WTB初运行(yùnxíng)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(ɡòuxínɡ)的描述符，该描述符显示其它节点的地址，位置和描述符。77第七十七页，共88页。节点地址(dìzhǐ)分配1）主设备地址(dìzhǐ)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(dìzhǐ)63开始降序排列从设备节点地址(dìzhǐ)，该方向最后命名节