列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)TCNppt課件

1、列車通信網(wǎng)絡(luò)Train_Communication_Network，TCN,1,定義列車網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu),2,列車網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)內(nèi)容,兩條總線在鏈路層都提供了以下相同的兩種服務(wù)： 過程數(shù)據(jù)傳輸：輪詢式的，源尋址的廣播數(shù)據(jù)； 消息數(shù)據(jù)傳輸：按需求的，目的尋址的數(shù)據(jù)報(bào)。 在更高層，實(shí)時(shí)協(xié)議提供了兩種與總線無關(guān)的應(yīng)用服務(wù)： 變量 （分布式過程數(shù)據(jù)庫）； 消息集 （呼叫/應(yīng)答消息或多播消息）。 網(wǎng)絡(luò)管理支持配置、維護(hù)和操作。一套一致性測(cè)試的方針使得設(shè)備能夠協(xié)調(diào)工作。,3,數(shù)據(jù)分類,列車通信網(wǎng)絡(luò)將傳輸兩類數(shù)據(jù)： 短而緊迫的過程變量 (Process_Variables)（如用于牽引控制）； 不太緊迫，但可能

2、較長(zhǎng)的消息變量（如用于診斷）。,4,列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN)的主要作用,連接車廂內(nèi)的可編程設(shè)備，以便于實(shí)現(xiàn)： 機(jī)車、車廂和列車控制； 遠(yuǎn)程故障診斷和維護(hù)； 旅客信息服務(wù)。,5,列車通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),工作環(huán)境惡劣，可靠性要求高； 控制操作實(shí)時(shí)性（時(shí)間確定性）要求高； 列車組成的動(dòng)態(tài)性；,6,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及我國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn),IEC-61375-1 TCN（本課程主要介紹內(nèi)容）； IEEE1473 TCN/Lonworks TB/T 3035-2002 實(shí)際應(yīng)用還有：FSK、HART、WorldFIP、HDLC等,7,IEEE1473允許協(xié)議設(shè)計(jì)組合,8,TB/T 30352002允許協(xié)議設(shè)計(jì)組合,9,西門子公

3、司TCN之產(chǎn)品,Siemens AG與德國(guó)Adtranz一起生產(chǎn)牽引電氣設(shè)備。 西門子生產(chǎn)的列車通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，主要是基于其車載微機(jī)SIBAS/SIBAS32系統(tǒng)的WTB和MVB的網(wǎng)卡和輸入輸出接口卡。,10,杜岡公司(duagon GmbH)產(chǎn)品,11,優(yōu)尼康公司（UniControls）產(chǎn)品,捷克一家從事運(yùn)輸及能源系統(tǒng)開發(fā)生產(chǎn)的公司。 在列車通信網(wǎng)絡(luò)方面的產(chǎn)品有：車載微機(jī)、WTB總線網(wǎng)關(guān)。,12,TCN的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： TCN的功能齊全 已經(jīng)成為鐵標(biāo) 有一定國(guó)內(nèi)應(yīng)用的前例 TCN的不足： WTB協(xié)議復(fù)雜 TCN產(chǎn)品市場(chǎng)小，價(jià)格昂貴,13,TCN的主要內(nèi)容如下表,14,15,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),列車通信

4、網(wǎng)絡(luò)基于以下的兩層結(jié)構(gòu)： 將不同車廂內(nèi)的節(jié)點(diǎn)連接起來的列車總線； 將同一車廂內(nèi)的設(shè)備連接起來的車廂總線。,16,列車總線WTB,列車總線用于連接不同組成的列車中的各個(gè)車廂： 列車總線支持UIC 556規(guī)定的列車組成，總線傳輸距離可達(dá)860米(22個(gè)車廂)。 列車總線至少可以容納32個(gè)節(jié)點(diǎn)。 分配給列車總線節(jié)點(diǎn)一個(gè)位置地址，可識(shí)別方向（左/右、前/后），及其它節(jié)點(diǎn)的位置。 多個(gè)車廂連掛時(shí)，列車總線自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)（初運(yùn)行）。 列車總線可承受大約每小時(shí)一次的車廂連掛及解掛操作。 為使總線在節(jié)點(diǎn)故障時(shí)仍可工作，事先把各節(jié)點(diǎn)編號(hào)和類型通知給所有的應(yīng)用，以便證實(shí)列車組成的完整性。 當(dāng)車廂數(shù)目改變或在總線上進(jìn)行添

5、加、移除設(shè)備時(shí)，不需手動(dòng)干預(yù)列車總線也能繼續(xù)工作。 列車總線使用專用介質(zhì)。UIC電纜或EP電纜（電氣制動(dòng)電纜）的要求。,17,車廂總線MVB,車廂總線用于將一個(gè)車廂內(nèi)或不可分的車廂組內(nèi)的設(shè)備連接起來： 車廂總線允許設(shè)備的安裝間距在200米以內(nèi)； 車廂總線至少支持256個(gè)設(shè)備； 車廂總線在最差情況下的響應(yīng)時(shí)間低于16ms；,18,MVB物理層,MVB提供三種不同的物理介質(zhì)，它們以相同速率運(yùn)行： 電短距離介質(zhì)傳送距離20米，使用標(biāo)準(zhǔn)的RS-485收發(fā)器，每段最多支持32個(gè)設(shè)備。 電中距離介質(zhì)傳送距離200米，每段最多支持32個(gè)設(shè)備，屏蔽雙絞線，變壓器隔離； 光學(xué)玻璃纖維介質(zhì)，星型連接或點(diǎn)到點(diǎn)方式下

6、最大距離2000米。,19,電短距離介質(zhì)ESD,該介質(zhì)使用RS-485收發(fā)器，基于基本的差分傳輸。無需在發(fā)送器和收發(fā)器之間電隔離。適用于位于密閉機(jī)箱里的底板總線之間的通信。ESD布線拓?fù)淙缦聢D。,20,ESD端接器接線,21,ESD連接器布置,22,ESD端接器的連接器布置,23,ESD信號(hào)波形幀開始示例,24,ESD的發(fā)送器,發(fā)送器應(yīng)ISO8482（RS-485）標(biāo)準(zhǔn)，約束條件為： a）當(dāng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)并聯(lián)電容為50.0PF 的54.0負(fù)載時(shí)，信號(hào)的上升時(shí)間(10%90%)應(yīng)小于0.03BT(20ns,1.5Mbit/s)。 b）發(fā)送器以兩種有源電平提供低阻抗差動(dòng)電壓源： 高電平，此時(shí)電壓差(Up

7、 - Un)在以下范圍內(nèi)： +1.5 V (Up - Un) -5.0 V，驅(qū)動(dòng)為54,0 阻性負(fù)載時(shí)； -1.5 V (Up - Un) -6.0 V，無負(fù)載時(shí)。 注：本規(guī)范比ISO8482 更嚴(yán)格，在選擇商用收發(fā)器時(shí)必須留心。IEC61158-2 的收發(fā)器能夠滿足本規(guī)范。,25,ESD的接收器,接收器遵循ISO8482(RS-485)標(biāo)準(zhǔn)，約束條件為： a）根據(jù)不同的線路電壓，接收器在其RxS輸出上產(chǎn)生兩種不同的電平： 當(dāng)線路朝高電平驅(qū)動(dòng)，如果電壓差(Up - Un)大于+0.200 V，則為高電平。 當(dāng)線路朝低電平驅(qū)動(dòng)或線路無驅(qū)動(dòng)只有偏壓存在時(shí)，如果電壓差(Up - Un)小于-0.20

8、0V，則為低電平。 b）接收器至少應(yīng)有0.050V的滯后，但不能大于0.200V。 c）接收器在有RS-485規(guī)定的相對(duì)于Bus_GND線的共模電壓存在時(shí)，應(yīng)能正確工作。,26,ESD拓?fù)?27,電中距離介質(zhì)EMD,在封閉的列車系統(tǒng)中，MVB可以跨越幾個(gè)車廂。在這種應(yīng)用中可采用電中距離介質(zhì)，每段最大可以達(dá)到200米，約4個(gè)車廂。用于連接不解掛的車廂組合。,28,EMD傳輸介質(zhì),采用雙絞屏蔽線，屏蔽方式如圖； 收發(fā)器與傳輸介質(zhì)之間采用變壓器隔離。,29,收發(fā)器與傳輸介質(zhì)的連接,30,設(shè)備與EMD的雙線連接(冗余),31,EMD連接器的布置,32,EMD幀起始示例,33,光纖介質(zhì)連接,光纖介質(zhì)由一

9、對(duì)構(gòu)成全雙工點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的光纖組成。 光介質(zhì)被推薦用于高電磁噪音的區(qū)域，例如機(jī)車。,34,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),電介質(zhì)采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而光介質(zhì)通常采用星型拓?fù)洹?35,MVB總線段連接(混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)),36,總線控制器（Bus_Controller）,總線控制器用途： 控制總線的訪問； 通過發(fā)送器和接收器附掛到兩條冗余總線； 包含編碼器/譯碼器和通信存儲(chǔ)（Traffic_Store）控制邏輯； 譯碼到達(dá)幀并尋址通信存儲(chǔ)。,37,端口與通信存儲(chǔ)器,通信存儲(chǔ)器設(shè)立目的 端口分為兩類 邏輯端口 物理端口 通信存儲(chǔ)器的組成 通信存儲(chǔ)器的訪問者,38,MVB信號(hào)編碼,MVB速率：1.5MB/s。 數(shù)據(jù)采用曼切斯特編

10、碼。 數(shù)據(jù)位編碼如圖,39,MVB信號(hào)編碼,非數(shù)據(jù)符編碼NH和NL a）一個(gè)“NH”的編碼在整個(gè)位單元為HIGH； b）一個(gè)“NL”的編碼在整個(gè)位單元為L(zhǎng)OW。,40,MVB幀起始定界符,幀數(shù)據(jù)以9-bit幀源定界符開頭 主設(shè)備幀起始符MSD(Master Start Delimiter) 從設(shè)備幀起始符SSD(Slave Start Delimiter),41,MVB幀結(jié)束分界符,當(dāng)介質(zhì)為ESD時(shí)，添加一個(gè)“NL”編碼，并停止發(fā)送； 當(dāng)介質(zhì)為EMD時(shí)，在“NL”編碼之后添加一個(gè)“NH”編碼，并停止發(fā)送（如下圖所示）； 當(dāng)介質(zhì)為光纖時(shí)，添加一個(gè)“NL”編碼，并停止發(fā)送。,42,MVB信號(hào)傳輸,

11、以9-bit幀Start_Delimiter（源定界符）打頭，以8-bit Check_Sequence（校驗(yàn)序列）結(jié)束,43,介質(zhì)冗余,44,光纖介質(zhì)冗余,45,主設(shè)備權(quán)的轉(zhuǎn)移,令牌傳送算法 ：,46,MVB鏈路層,一次傳輸包括兩種類型幀： 主設(shè)備幀（Master_Frame），只由總線主設(shè)備生成； 從設(shè)備幀（Slave_Frame），由從設(shè)備在響應(yīng)主設(shè)備幀時(shí)發(fā)送。 一個(gè)主設(shè)備幀及相應(yīng)從設(shè)備幀共同形成一個(gè)報(bào)文：,47,報(bào)文類型,MVB中有16種報(bào)文，由主設(shè)備幀中的F_code區(qū)分。,48,Process_Data（過程數(shù)據(jù)）報(bào)文,對(duì)F_code0.4和Logical_Address的Mast

12、er_Frame進(jìn)行響應(yīng)的Process_Data,49,MVB幀長(zhǎng)度,50,Message_Data（消息數(shù)據(jù)）報(bào)文,Message_Data是對(duì)包含F(xiàn)_code12和設(shè)備地址的Master_Frame的響應(yīng)，其長(zhǎng)度固定為256 bits。Message_Data包含一個(gè)供所有設(shè)備譯碼的12-bit目的地址。,51,監(jiān)督數(shù)據(jù)(Supervisory_Data) 報(bào)文,Supervisory_Data幀是對(duì)F_code8、9、13、14或15的Master_Frame的響應(yīng)。其長(zhǎng)度總是16 bits。,52,MVB介質(zhì)分配（MAC）,MVB由單個(gè)主設(shè)備控制，該設(shè)備是能發(fā)送Master_Fram

13、es（主設(shè)備幀）的唯一設(shè)備，所有其它的設(shè)備都是從設(shè)備，他們不能自發(fā)發(fā)送。 在持續(xù)幾秒鐘的一輪期間，可能有幾個(gè)設(shè)備Bus_Administrators（總線管理器）能夠成為主設(shè)備，但一次只能一個(gè)成為主設(shè)備。 主設(shè)備可位于總線的任意位置。 主設(shè)備按照某種預(yù)定順序（策略）對(duì)端口進(jìn)行周期性的輪詢（Polling）。,53,MVB介質(zhì)分配,基本周期、周期相、偶發(fā)相； 過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)； 主設(shè)備輪詢：源尋址廣播；,54,MVB介質(zhì)分配,過程數(shù)據(jù)：根據(jù)所傳送數(shù)據(jù)的需要安排訪問時(shí)間間隔。時(shí)間間隔以基本周期為單位，按2n關(guān)系統(tǒng)一部署。,55,MVB介質(zhì)分配,56,HDLC數(shù)據(jù)幀格式,起始標(biāo)志 要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊

14、結(jié)束標(biāo)志01111110 000101100110111 01111110 包括起始和終止標(biāo)志的信息塊稱為HDLC的“數(shù)據(jù)幀”。起始和終止標(biāo)志采用相同的幀間隔符“01111110”，即在HDLC規(guī)程中，幀與幀之間用“01111110” 所分隔，“幀”構(gòu)成了通信雙方交換的最小單位。,57,“0”比特插入法,為保證幀間隔符“01111110”的唯一性和幀內(nèi)數(shù)據(jù)的透明性，保證A（地址字段）、C（控制字段）、I（信息字段）、FCS（幀校驗(yàn)序列）中不出現(xiàn)01111110的位模式，HDLC采用了0位插入法。 發(fā)送端 發(fā)送“01111110”后，開始數(shù)據(jù)發(fā)送，并在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，檢查發(fā)送的位流，一旦發(fā)現(xiàn)連續(xù)

15、的5個(gè)1，則自動(dòng)在其后插(附)上1個(gè)0，并繼續(xù)傳輸后繼的位流；數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，追加幀間隔符“01111110”。 接收端 識(shí)別出幀間隔符“01111110”之后，啟動(dòng)接收過程；若識(shí)別出連續(xù)5個(gè)1和1個(gè)0，則自動(dòng)丟棄該0，以恢復(fù)原來的位流；若識(shí)別出連續(xù)的6個(gè)1，表示數(shù)據(jù)結(jié)束，該數(shù)據(jù)幀接收完成。,58,HDLC數(shù)據(jù)傳輸模式,正常響應(yīng)模式(NRM)：主站具有選擇、輪詢從站的能力，并可向從站發(fā)送命令或數(shù)據(jù)；從站只有在主站詢問時(shí)才能作為響應(yīng)傳輸數(shù)據(jù)； 異步響應(yīng)模式(ARM)：主站具有初始鏈路，差錯(cuò)校驗(yàn)和邏輯拆鏈功能；從站可以主動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)； 異步平衡模式(ABM)：任一組合站（兼有主、從站功能的站）均可控

16、制鏈路，主動(dòng)傳送數(shù)據(jù)。,59,HDLC控制字段格式,60,HDLC控制字段_信息幀(I),用于傳輸用戶數(shù)據(jù)，其控制字段的第0位規(guī)定為0； Ns（發(fā)送幀序號(hào)）：說明本幀對(duì)應(yīng)的幀序號(hào)（采用模8計(jì)數(shù)），發(fā)送端可以不必等待確認(rèn)，而連續(xù)地發(fā)送若干幀（不超過8幀），每發(fā)一幀，Ns模8計(jì)數(shù)一次； P/F（查詢/終止指示符）：對(duì)于不同的傳輸模式，該位具有不同的含義。當(dāng)采用ARM和ABM傳輸模式時(shí)，P=1要求對(duì)方立即予以響應(yīng)，并在響應(yīng)中置F=1。無論使用何種傳輸模式，P/F總是一一對(duì)應(yīng)的，在接到F=1的幀之前，不允許再發(fā)P=1的幀； Nr（待收幀序號(hào)）：說明希望接收對(duì)方幀的序號(hào)（采用模8計(jì)數(shù)），Nr隱含指示該序

17、號(hào)之前的所有幀已被正確接收；,61,HDLC控制字段_監(jiān)控幀（S）,用于表示接收狀態(tài)，其控制字段的第0、1位規(guī)定為“10”；第2、3位表示了四種類型的監(jiān)控幀。 Type=00, 接收準(zhǔn)備就緒(RR)，發(fā)送該RR監(jiān)控幀的一方準(zhǔn)備接收編號(hào)為Nr的幀； Type=10, 未準(zhǔn)備就緒(RNR)，發(fā)送該RNR監(jiān)控幀的一方說明已經(jīng)收妥Nr以前的所有幀，但希望對(duì)方暫緩發(fā)送Nr幀； Type=01, 拒絕接收(REJ)，發(fā)送該REJ監(jiān)控幀的一方說明已經(jīng)收妥Nr以前的所有幀，但編號(hào)為Nr的幀有差錯(cuò)，希望對(duì)方重發(fā)編號(hào)為Nr及其以后的所有幀； Type=11, 選擇接收(SREJ)，該幀的含義類似REJ監(jiān)控幀，但希

18、望對(duì)方僅僅重發(fā)第Nr幀。,62,HDLC控制字段_無編號(hào)幀(U),用于命令的傳輸（建立/拆除鏈路）等； 控制字段的第0、1位規(guī)定為“11”，第23位（M1）和第57位（M2）表示U幀的類型。 M(M1M2)=11100(SABM)，某一組合站置本次鏈路為異步平衡模式； M(M1M2)=00010(DISC)，主站請(qǐng)求釋放(拆除)本次鏈路； M(M1M2)=00110(UA)， 從站對(duì)主站命令的確認(rèn)，類似BSC中的ACK； M(M1M2)=10001(CMDR)，從站對(duì)主站命令的否認(rèn)，類似BSC中的NAK；,63,絞線式列車總線（Wire_Train_Bus，WTB）,64,WTB總線拓?fù)?65,WTB物理層,WTB采用屏蔽雙絞線，要求有較高的機(jī)械連接性能。使用該種介質(zhì)可以達(dá)到1Mbit/s通信速率，長(zhǎng)度為860m，對(duì)應(yīng)22節(jié)26m長(zhǎng)的UIC列車?？蛇B接至少32個(gè)節(jié)點(diǎn)； MVB采用曼徹斯特編碼，每一數(shù)據(jù)位碼元中間都有跳變，從高到低的跳變（負(fù)跳變）表示1，正跳變則表示0。,66,WTB介質(zhì)附掛單元,介質(zhì)附掛單元有兩個(gè)收發(fā)器,一個(gè)方向上一個(gè)。收發(fā)器使用變壓器實(shí)現(xiàn)與外部導(dǎo)線的電隔離，并附掛到曼切斯特編碼/譯碼器上。,67,WTB介質(zhì)冗余,68,WTB信號(hào)