列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)TCN

1、1,列車通信網(wǎng)絡(luò),Train_Communication_Network,TCN,2,定義列車網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu),車速測量,輔助控制,制動控制,牽引控制,車廂控制,N,機車控制,列車故障診斷,列車運行自動控制,供電控制,空調(diào)控制,車門控制,軸溫檢測,制動控制,車,廂,總,線,車廂控制,1,車,廂,總,線,列,車,總,線,車,廂,總,線,3,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,在更高層，實時協(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,

2、4,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，但可能較長的消息變量（如用,于診斷,5,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，以便于實現(xiàn),機車、車廂和列車控制,遠程故障診斷和維護,旅客信息服務(wù),6,列車通信網(wǎng)絡(luò)的特點,工作環(huán)境惡劣，可靠性要求高,控制操作實時性（時間確定性）要求高,列車組成的動態(tài)性,7,國際標(biāo)準(zhǔn)及我國鐵路標(biāo)準(zhǔn),IEC-61375-1,TCN,本,課程主要介紹內(nèi)容,IEEE1473,TCN/Lonworks,TB/T,3035-2002,實際應(yīng)用還有,FSK,HART,

3、WorldFIP,HDLC,等,TB,中華人民共和國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),TB/T 3035-2002,列,車,通,信,網(wǎng),絡(luò),Train Communication Network,2002-02-09,發(fā)布,2002-07-01,實施,中華人民共和國鐵道部發(fā)布,8,IEEE1473,允許協(xié)議設(shè)計組合,組合,車廂總線非時,間嚴(yán)格型,車廂總線,時間嚴(yán)格型,列車總線,I,T,型,T,型,T,型,II,L,型,T,型,T,型,III,L,型,L,型,T,型,IV,L,型,L,型,L,型,9,TB/T 3035,2002,允許協(xié)議設(shè)計組合,組合,車廂總線,非時間嚴(yán)格型,車廂總線,時間嚴(yán)格型,列車總線,I,T

4、,型,T,型,T,型,II,L,型,T,型,T,型,III,L,型,L,型,T,型,IV,L,型,L,型,L,型,10,西門子公司,TCN,之產(chǎn)品,Siemens AG,與德國,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,SIBAS,SIBAS32,系統(tǒng)的,WTB,和,MVB,的網(wǎng)卡和輸入輸出接口卡,11,杜岡公司,duagon,GmbH,產(chǎn)品,12,優(yōu)尼康公司,UniControls,產(chǎn)品,捷克一家從事運輸及能源系統(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,WTB,總線網(wǎng)關(guān),13,TCN,的優(yōu)缺點,優(yōu)點,TCN,的功能齊全,已經(jīng)

5、成為鐵標(biāo),有一定國內(nèi)應(yīng)用的前例,TCN,的不足,WTB,協(xié)議復(fù)雜,TCN,產(chǎn)品市場小，價格昂貴,14,TCN,的主要內(nèi)容如下表,15,特征,絞線式列車總線,WTB,多功能車廂總線,MVB,結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)可變，構(gòu)成改變時，具有自適應(yīng)性,結(jié)構(gòu)及設(shè)備的地址固定不變,介質(zhì),屏蔽雙絞線,860,米,32,個節(jié)點，相當(dāng)于,22,個,UIC,車廂,雙絞線,RS-485,20,米,32,設(shè)備,變壓器隔離屏蔽雙絞線,200,米,32,設(shè)備,星型光纖網(wǎng),2000,米,2,個設(shè)備,物理冗余,雙份物理介質(zhì),雙份物理介質(zhì),信號,帶,16.32,位前同步碼的曼徹斯特編碼,帶定界符的曼徹斯特編碼,信號速率,1Mbit/s,1.

6、5Mbit/s,地址空間,8,bit,地址,12,bit,地址,物理地址,點對點及廣播,點對點及廣播,有效的幀長度,在,4-132,個字節(jié)之間可變,量化的,16,32,64,128,或者,256,bits,完整性,幀,FCS-16,幀校驗以及曼徹斯特編碼,IEC60870,校驗序列及幀尺寸校驗,介質(zhì)分配,由一臺主設(shè)備完成,由一臺主設(shè)備完成,主設(shè)備權(quán)傳送,主設(shè)備，強主設(shè)備或弱主設(shè)備,總線管理器通過令牌傳送成為主設(shè)備,主設(shè)備冗余,初運行后，主設(shè)備權(quán)傳遞給另一節(jié)點,令牌傳遞自動進行主設(shè)備權(quán)轉(zhuǎn)換冗余校驗,鏈路層服務(wù),過程數(shù)據(jù),循環(huán),源尋址廣播數(shù)據(jù),消息數(shù)據(jù),偶發(fā),點對點或廣播數(shù)據(jù)報,監(jiān)督數(shù)據(jù),循環(huán),偶

7、發(fā),用于總線管理的數(shù)據(jù),16,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),列車通信網(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,17,列車總線,WTB,列車總線用于連接不同組成的列車中的各個車廂,列車總線支持,UIC,556,規(guī)定的列車組成，總線傳輸距離可,達,860,米,22,個車廂,列車總線至少可以容納,32,個節(jié)點,分配給列車總線節(jié)點一個位置地址，可識別方向（左,右,前,后），及其它節(jié)點的位置,多個車廂連掛時，列車總線自動運轉(zhuǎn)（初運行,列車總線可承受大約每小時一次的車廂連掛及解掛操作,為使總線在節(jié)點故障時仍可工作，事先把各節(jié)點編號和類,型通知給所有的應(yīng)用，以便證實列車

8、組成的完整性,當(dāng)車廂數(shù)目改變或在總線上進行添加、移除設(shè)備時，不需,手動干預(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（電氣制動電,纜）的要求,18,車廂總線,MVB,車廂總線用于將一個車廂內(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,個設(shè)備,車廂,總線在,最差情,況下的,響應(yīng)時,間低于,16ms,19,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,個設(shè)備,電中距離介質(zhì)傳送距離,200,米，每段最

9、多支,持,32,個設(shè)備，屏蔽雙絞線，變壓器隔離,光學(xué)玻璃纖維介質(zhì)，星型連接或點到點方式下,最大距離,2000,米,20,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。適用于位于密閉機箱里的,底板總線之間的通信,ESD,布線拓?fù)淙缦聢D,21,ESD,端接器接線,22,ESD,連接器布置,23,ESD,端接器的連接器布置,24,ESD,信號波形幀開始示例,25,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)動一個并聯(lián)電容為,50.0PF,的,54.0,負(fù)載時，信號的上升,時間,10%90,應(yīng)小于,

10、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電壓源,高電平，此時電壓差,Up,Un,在以下范圍內(nèi),1.5 V (Up,Un) +5.0 V,驅(qū)動,54.0 ,阻性負(fù)載時,1.5 V (Up,Un) +6.0 V,無負(fù)載時,低電平，此時電壓差,Up,Un,在以下范圍內(nèi),1.5 V (Up,Un) -5.0 V,驅(qū)動為,54,0 ,阻性負(fù)載時,1.5 V (Up,Un) -6.0 V,無負(fù)載時,注：本規(guī)范比,ISO8482,更嚴(yán)格，在選擇商用收發(fā)器時必須留心,IEC61158-2,的收發(fā)器能夠滿足本規(guī)范,26,ESD,的接收器,接收器遵循,ISO8482(RS

11、-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，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)動或線路無驅(qū)動只有偏,壓存在時，如果電壓差,Up,Un,小于,0.200V,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,27,ESD,拓?fù)?28,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,車廂。在這種應(yīng)用中可采用電中距離介質(zhì),每段最大可以達到,200,米，約,4,個車廂,用于連接不解掛的車廂組合,29,EMD,傳輸介質(zhì),采用雙絞屏蔽線，屏蔽方

12、式如圖,收發(fā)器與傳輸介質(zhì)之間采用變壓器隔離,30,收發(fā)器與傳輸介質(zhì)的連接,31,設(shè)備與,EMD,的雙線連接,冗余,32,EMD,連接器的布置,33,EMD,幀起始示例,34,光纖介質(zhì)連接,光纖介質(zhì)由一對構(gòu)成全雙工點對點連接的,光纖組成,光介質(zhì)被推薦用于高電磁噪音的區(qū)域，例,如機車,35,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)?36,MVB,總線段連接,混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),37,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,Traffic_Store,控制邏輯,譯碼到達幀并尋址,

13、通信存儲,38,端口與通信存儲器,通信存儲器設(shè)立目的,端口分為兩類,邏輯端口,物理端口,通信存儲器的組成,通信存儲器的訪問者,39,MVB,信號編碼,MVB,速率,1.5MB/s,數(shù)據(jù)采用曼切斯特編碼,數(shù)據(jù)位編碼如圖,40,MVB,信號編碼,非數(shù)據(jù)符編碼,NH,和,NL,a,一個,NH,的編碼在整個位單元為,HIGH,b,一個,NL,的編碼在整個位單元為,LOW,41,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,42,MVB,幀結(jié)束分界符,當(dāng)

14、介質(zhì)為,ESD,時，添加一個,NL,編碼，并,停止發(fā)送,當(dāng)介質(zhì)為,EMD,時，在,NL,編碼之后添加一,個,NH,編碼，并停止發(fā)送（如下圖所示,當(dāng)介質(zhì)為光纖時，添加一個,NL,編碼，并,停止發(fā)送,43,MVB,信號傳輸,以,9-bit,幀,Start_Delimiter,源定界符）打頭，以,8-bit,Check_Sequence,校驗序列）結(jié)束,44,介質(zhì)冗余,45,光纖介質(zhì)冗余,46,主設(shè)備權(quán)的轉(zhuǎn)移,令牌傳送算法,47,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,發(fā)送,一個主

15、設(shè)備幀及相應(yīng)從設(shè)備幀共同形成一個報文,48,報文類型,MVB,中,有,16,種,報文，由,主設(shè)備幀,中的,F_code,區(qū)分,F_code,功能碼,報文類型,0,16,位過程數(shù)據(jù)請求幀,1,32,位過程數(shù)據(jù)請求幀,2,64,位過程數(shù)據(jù)請求幀,3,128,位過程數(shù)據(jù)請求幀,4,256,位過程數(shù)據(jù)請求幀,5,保留,6,保留,7,保留,8,主設(shè)備權(quán)傳送請求幀,9,總體事件請求幀,10,保留,11,保留,12,256,位消息數(shù)據(jù)請求幀,13,組事件請求幀,14,單事件請求幀,15,設(shè)備狀態(tài)請求幀,49,Process_Data,過程數(shù)據(jù)）報文,對,F_code,0.4,和,Logical_Addres

16、s,的,Master_Frame,進行響應(yīng)的,Process_Data,50,MVB,幀長度,51,Message_Data,消息數(shù)據(jù)）報文,Message_Data,是對包含,F_code,12,和設(shè),備地址的,Master_Frame,的響應(yīng)，其長度固,定為,256,bits,Message_Data,包含一個供,所有設(shè)備譯碼的,12-bit,目的地址,52,監(jiān)督數(shù)據(jù),Supervisory_Data,報文,Supervisory_Data,幀是對,F_code,8,9,13,14,或,15,的,Master_Frame,的響應(yīng)。其長,度總是,16,bits,53,MVB,介質(zhì)分配,MAC

17、,MVB,由單個主設(shè)備控制，該設(shè)備是能發(fā)送,Master_Frames,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,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）對端口,54,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,55,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,問時間間隔。時間間隔以基本周期為單位,按,2,n,關(guān)系統(tǒng)一部署,56,MVB,介質(zhì)分配,57,

18、HDLC,數(shù)據(jù)幀格式,起始標(biāo)志,要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊,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,58,0,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

19、，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)的,5,個,1,則自動,在其后插,附,上,1,個,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,識別出幀間隔符,01111110,之后，啟動接收過程；若識,別出連續(xù),5,個,1,和,1,個,0,則自動丟棄該,0,以恢復(fù),原來的位流；若識別出連續(xù)的,6,個,1,表示數(shù)據(jù)結(jié)束,該數(shù)據(jù)幀接收完成,59,HDLC,數(shù)據(jù)傳輸模式,1,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才能作為響應(yīng),傳輸數(shù)據(jù),2,異步響應(yīng)模式,ARM,主站具有初始鏈路,

20、差錯校驗和邏輯拆鏈功能；從站可以主,動傳輸數(shù)據(jù),3,異步平衡模式,ABM,任一組合站（兼有,主、從站功能的站）均可控制鏈路，主動,傳送數(shù)據(jù),60,HDLC,控制字段格式,0,1,2,3,4,5,6,7,信息幀,I,監(jiān)控幀,S,無編號幀,U,0,Ns,P/F,Nr,1,0,type,P/F,Nr,1,1,M1,P/F,M2,61,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）：說明本幀對應(yīng)的幀序號（采用模,8,計,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,計數(shù)一次,P/F,查詢,終止指示

21、符）：對于不同的傳輸模式，該位具,有不同的含義。當(dāng)采用,ARM,和,ABM,傳輸模式時,P=1,要,求對方立即予以響應(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）：說明希望接收對方幀的序號（采用,模,8,計數(shù),Nr,隱含指示該序號之前的所有幀已被正確接,收,62,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),備接收編號為,Nr,的幀,Type=10

22、,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，但編號為,Nr,的幀有差錯，希望,對方重發(fā)編號為,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,但希望對方僅僅重發(fā)第,Nr,幀,63,HDLC,控制字段,_,無編號幀,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,2,3,位,M1,和第,5,7,位,M2,表示,U,幀的類型,M(M1M2)=11100(

23、SABM,某一組合站置本次鏈路,為異步平衡模式,M(M1M2)=00010(DISC,主站請求釋放,拆除,本,次鏈路,M(M1M2)=00110(UA,從站對主站命令的確認(rèn),類似,BSC,中的,ACK,64,絞線式列車總線,Wire_Train_Bus,WTB,65,WTB,總線拓?fù)?Trunk cable,Jumper cable,And connector,Node,Connectors,Trunk,cable,End,Node,Extension,Cables,Terminators,End,Node,End vehicle,Intermediate vehicle(s,End vehi

24、cle,圖,3-6 WTB,總線拓?fù)?66,WTB,物理層,WTB,采用屏蔽雙絞線，要求有較高的機械連接性能。使用,該種介質(zhì)可以達到,1Mbit/s,通信速率，長度為,860m,對應(yīng),22,節(jié),26m,長的,UIC,列車?？蛇B接至少,32,個節(jié)點,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,0,67,WTB,介質(zhì)附掛單元,介質(zhì)附掛單元有兩個收發(fā)器,一個方向上一,個。收發(fā)器使用變壓器實現(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,68,WTB,介質(zhì)冗余,69,WTB,信號及其編碼,70,WTB,幀（擴展的,ISO/IEC 330

25、9,71,WTB,鏈路層及其報文,WTB,有三種報文,1,過程數(shù)據(jù)報文,2,消息數(shù)據(jù)報文,3,監(jiān)督數(shù)據(jù)報文,72,WTB,過程數(shù)據(jù)報文,73,WTB,消息數(shù)據(jù)報文,74,WTB,監(jiān)督數(shù)據(jù)報文,75,WTB,介質(zhì)訪問,76,常規(guī)操作,WTB,幀（總結(jié),77,WTB,初運行,初運行目的：當(dāng)列車的組成改變時，特別是車,廂被連掛或解掛時，主設(shè)備重新配置總線。這,個過程稱為初運行,初運行動作,節(jié)點連接電纜節(jié)形成一個兩端帶端接器的單段,每個節(jié)點接收一個標(biāo)明其位置和相對于主設(shè)備,的方向的唯一地址，并通知主設(shè)備它需要的,Individual_Period,特征周期）和,Node_Descriptor,節(jié)點描述符,每個節(jié)點收到一個稱為構(gòu)形的描述符，該描述,符顯示其它節(jié)點的地址，位置和描述符,78,節(jié)點地址分配,1,主設(shè)備地址為,01,2,主設(shè)備定義方向,1,為“底部,方向,2,為“頂部,3,在方向,1,上從地址,63,開始降序排列從設(shè)備節(jié)點地址