列车通信网络标准TCN课件.ppt

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1、1,列车通信网络Train_Communication_Network，TCN,2,列车控制网络结构模型,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）。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,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

2、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/LonworksTB/T 3035-2002实际应用还有：FSK、HART、WorldFIP、HDLC等,8,IEEE1473允许协议设计组合,9,TB/T 30352002允许协议设计组合,10,西门子公司之TCN产品,Sieme

3、ns 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,15,16,WTB/MVB协议的物理层与链路层,17,TCN拓扑结构,

4、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。,18,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

5、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。,19,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；,20,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；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。,2

6、1,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。,22,ESD端接器接线,23,ESD连接器布置,24,ESD端接器的连接器布置,25,ESD信号波形帧开始示例,26,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

7、.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。,27,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0.0

8、50V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。,28,ESD拓扑,29,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。,30,EMD传输介质,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。,31,收发器与传输介质的连接,32,设备与EMD的双线连接(冗余),33,EMD连接器的布置,34,EMD帧起始示例,35,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

9、于高电磁噪音的区域，例如机车。,36,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。,37,MVB总线段连接(混合拓扑结构),38,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；译码到达帧并寻址通信存储。,39,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,40,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,41,MVB信号编码,非数据符编码NH和NL

10、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。,42,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),43,MVB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）；当介质为光纤时，添加一个“NL”编码，并停止发送。,44,MVB信号传输,以9-bit帧Start_Delimiter（源定界符）打头，以8-bit C

11、heck_Sequence（校验序列）结束,45,介质冗余,46,光纤介质冗余,47,主设备权的转移,令牌传送算法 ：,48,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。一个主设备帧及相应从设备帧共同形成一个报文：,49,报文类型,MVB中有16种报文，由主设备帧中的F_code区分。,50,Process_Data（过程数据）报文,对F_code0.4和Logical_Address的Master_Frame进行响应的Process_Data,51,MVB帧长度,52,Mes

12、sage_Data（消息数据）报文,Message_Data是对包含F_code12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。,53,监督数据(Supervisory_Data) 报文,Supervisory_Data帧是对F_code8、9、13、14或15的Master_Frame的响应。其长度总是16 bits。,54,MVB介质分配（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

13、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）对端口进行周期性的轮询（Polling）。,55,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；,56,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2n关系统一部署。,57,MVB介质分配,58,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

14、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。,59,“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，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“0

15、1111110”。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。,60,HDLC数据传输模式,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； 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。,61,HDLC控制字段格式,62,HDLC控制字段_信息帧(I),用于传

16、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隐含指示该序号之前的所有帧已被正确接收；,63,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

17、、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, 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。,64,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

18、段的第0、1位规定为“11”，第23位（M1）和第57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，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；,65,绞线式列车总线（Wire_Train_Bus，WTB）,66,WTB总线拓扑,67,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86

19、0m，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。,68,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。,69,WTB介质冗余,70,WTB信号及其编码,71,WTB帧（扩展的ISO/IEC 3309）,72,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；,73,WTB过程数据报文,74,WTB消息数据报文,75,WTB监督数据报文,76,WTB介质访

20、问,77,常规操作WTB帧（总结）,78,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：初始化准备：节点连接电缆节形成一个两端带端接器的单段节点扫描与命名：每个分配一个标明其位置和相对于主设备的方向的唯一地址节点通信要求收集：主节点收集从设备需要的Individual_Period（特征周期）和Node_Descriptor（节点描述符）；主设备配置WTB网络：主设备生成WTB总线构形数据（构形包含网络结构、其它节点的地址、位置和WTB描述符）构形分发：让每个节点知道WTB总线的构形数据,79,节点地址分配,1）主设

21、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，该方向最后命名节点是底部节点；4）在方向2上从地址02开始升序排列从设备节点地址，该方向最后命名节点是顶部节点；5）主设备可以最多命名62个节点。,80,初运行中的MAU单元,81,82,83,WTB总线总设备权管理方法,通过初运行每个节点都可能成为总线主根据应用命令根据初始化或故障后的竞争 当组成改变时，特别是每次车辆连挂或解连时，总线主要重新组态总线，这个进程称为初运行。此时每个节点收到称为拓扑的描述符，它指明其节点的地址、位置和描述符。总线主（它执行初运行）接收01 地

22、址 :控制总线。,84,主设备冲突,85,应用程序只能指定一个节点为总线主，这个节点称为强节点。如果总线上无其它强节点，它将控制总线。在该组成中也不应有其它强节点。为了使WTB 在没有指定总线主的情况下工作，应用程序应允许几个节（弱节点）成为总线主。当一个弱节点检测到已有一定时间无总线活动时，使之成为一个弱总线主，并开始对它邻近的节点命名。通过控制也可以改变节点的状态。,86,在应用控制下，扮演总线主的节点可以改变。总线主职责可保持但降为弱总线主，它通知所有节点它已被降级。总线继续工作，但应用已通知强度改变，总线可以起作用。通过控制，节点可升级成强节点。当弱总线主检测到某个节点已经升级，它把它

23、所控制的节点消名，退到从节点状态，然后由新总线主对所有节点再次命名（即初运行）。完全由弱节点操作总线也是可能的。弱节点的机制用来克服总线主故障。,87,初运行总结,88,88,初运行刚开始时，主设备被命名，未被命名节点地址采用未命名节点的专用地址7F。未命名节点通过断开总线开关，同时在与之相连的2个电缆节的末端分别插入一个端接器，断开总线。下图是初运行时的介质连接单元,89,89,初运行时介质连接单元,90,90,初运行过程,初运行过程包括启动、起始、命名3个阶段： 启动 主设备上电后，在固定的时间间隔（根据要求为30 ms）内向方向1 和方向2 发送检测请求帧，当列车组成中有节点加入或退出时

24、，端节点向总线主报告存在一个附加节点，总线主决定能否进行初运行。,91,91,起始 命名过程起始于先对检测请求帧做出响应的一方。总线主最多可命名62 个节点，命名顺序为:在方向1，按递减顺序（63，62，61，）；在方向2，按递增顺序（02，03,）。命名 总线主在收到未命名节点的检测响应后，依次交替向每个方向发送命名请求帧，未命名节点以命名响应帧响应，完成命名。命名节点的方法对每个节点重复进行。,92,92,节点命名过程,首先假设一个网络状态：总线主01，中间节点0204，端节点05及未知节点。步骤一：未知节点的检测 总线主给端节点05 发送状态请求帧，05 收到状态请求帧之后向总线开放段发

25、送一个检测请求帧。未命名节点7F收到检测请求帧之后，向05发送检测响应帧，05 在它的状态响应中向主节点报告存在一个未命名的节点。,93,93,步骤二：置中间设定 检测到未命名节点后，总线主给端节点05 发送置中间设定请求帧，05 以置中间设定响应帧响应，并通过MAU部件将其设置为中间状态。,94,94,步骤三：新节点命名 置中间设定后，总线主便可以直接访问未命名节点。此时总线主发送一个命名请求帧给新节点指定其地址为06，新节点以命名响应帧来响应总线主。,95,95,步骤三之后，节点06成为组成中新的端节点，并被设置为端设定状态。其余新节点的命名同上，当两个方向的节点都被命名之后, 总线主把构

26、形发送给各个节点, 从而完成初运行。,96,TCN网络标准中实时协议的主要内容,97,列车通信网络服务,实时协议（Real Time Portocol，RTP）为一个应用与另一个应用在列车通信网络上相互通信提供协议和服务周期性通信和偶发性通信TCN网络上支持两种类型的协议和数据传送周期性通信过程数据在一个基本周期的周期相内按特征周期发送特征周期可以是基本周期的2n倍周期相在每个基本周期内占一固定的部分周期相内总线主按预定顺序轮询各端口传输周期性数据偶发性通信 在两个周期相的间隔中按需要传送的数据,98,三种类型被发送的数据过程数据：周期性传送 由发行者设备至多个用户设备的广播数据，并由他们的逻

27、辑地址来标志，这种类型的传送成为源寻址广播。每个过程数据有对应的发行者设备中的源缓冲区及每个用户设备中的宿缓冲区。消息数据：按需传送 是从一个源设备发送到一个目标设备或是同一总线上的所有设备的面向目标的数据，每个设备都为其接受或发送的所有消息提供一队列。只要队列中还有空间，接受的消息数据就插在目标设备的输入队列中。 监视数据：即可周期性传输又可按需传送 是在相同总线内用于监视设备状态、检测沉寂的设备、总线主权转移总线初运行等的数据。,99,变量和消息链路层服务提供三种服务：变量、消息、网络管理,100,变量服务过程变量 实时协议为时间紧迫的过程变量在列车通信网络上传送提供变量服务，传送目的是监

28、视、控制和命令。 TCN用分布式过程数据库的概念为过程变量提供传送服务源地址广播 变量采用源寻址广播方式传输（二进制变量用1位或2位表示，模拟变量用16位表示过程数据使用自己的源地址标志，而不使用目标地址标志，因而被称为源寻址广播）端口 端口是处理整个总线帧的寄存器，总线上的主帧寻址一个源端口和多个宿端口，源端口和苏端口有同一标示符 双端口存储器的端口应保证党总线控制器和应用处理器同时访问时数据读出的坚固性 端口位于通信存储器中，是CPU和总线控制器共享的存储器，在简单设备中，端口简化为寄存器,101,过程数据的介质访问 过程变量在时间紧迫的闭环控制中的传送有相对严格的定时。为此过程数据采用周

29、期性的传送，而过程变量既可以周期发送也可以按需发送过程控制协议内容1.流量控制2.差错回复3.刷新管理4.同步5.WTB与MVB的总线差异MVB数据帧只包含一个端口数据，端口地址为逻辑地址WTB总线端口地址与节点地址捆绑在一起，一个节点有一个源端口，在其它节点上有对应的宿端口,102,数据集 由于大部分过程的数据项小，把它们组合在同一阵中传送可提高传送效率。 由于列车总线上每个节点源只有一个过程数据帧，组合很有必要，该过程数据帧广播该节点发行的所有过程数据，被发送的过程变量结合形成一个数据集 数据集只含数值没有地址，在其中过程变量用它们的变量偏置来标识（变量偏置是它相对于数据集开始位的位置）数

30、据集格式：在初运行后可变（WTB） 在组态时固定（MVB）,103,WTB的数据集 最大长度：1024位 应用它6位的节点地址及紧跟的10位偏移量来定义数据集中的一个变量 减少WTB的通信负荷的方法：缩短帧长度 采用不同优先级MVB的数据集 长度：16，32，64，128或256位 统一用12位的端口地址来标识一个数据集，用8位偏移量来表示数据集中的变量,104,过程变量的入网网关操作具有几个通信存储器的设备定时容错应用变量接口 应用接口是应用程序访问TCN的唯一通路，该通路简化了不同类型设备的应用端口。为访问变量服务的那部分接口成为应用变量接口AVI单个变量的读写变量群集,105,消息服务

31、TCN为两层体系：1.连接各车辆的列车总线 2.连接同一车辆内各设备的车辆总线消息的链路层：1）消息链路层协议 2）消息数据格式消息网络层： 1）列车总线寻址 2）系统观点消息的传送层消息的会话层消息的表示层消息的应用层,106,TCN应用,107,动力集中列车中的应用,动力集中方式的列车，可以完全按照典型的TCN标准结构组织通信网络。,108,109,动力分散列车中的应用,110,摆式列车,列车总线 网关,机车微机 控制器,电空制动 控制器,便携式 测试工具,控制处理器,倾摆指令 产生,诊断处理器,显示器,星型耦合器,总线管理器,光纤网卡,光纤网卡,光纤网卡,光纤网卡,MVB近程车厢总线MVB远程车厢总线,WTB列车总线,111,谢谢！,