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列车通信网络标准TCN.ppt

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1,列车通信网络 Train_Communication_Network,TCN,2,定义列车网络层次结构,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/Lonworks TB/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 3035-2002允许协议设计组合,10,西门子公司TCN之产品,Siemens 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,拓扑结构,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; 将同一车厢内的设备连接起来的车厢总线。,17,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。,18,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;,19,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。,20,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。,21,ESD端接器接线,22,ESD连接器布置,23,ESD端接器的连接器布置,24,ESD信号波形-帧开始示例,25,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: +1.5 V (Up - Un) -5.0 V,驱动为54,0 Ω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。,26,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0.050V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。,27,ESD拓扑,28,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。,29,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。,30,收发器与传输介质的连接,31,设备与EMD的双线连接(冗余),32,EMD连接器的布置,33,EMD帧起始示例,34,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,电介质采用总线拓扑结构,而光介质通常采用星型拓扑。,36,MVB总线段连接(混合拓扑结构),37,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。,38,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,39,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,40,MVB信号编码,非数据符编码NH和NL 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。,41,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),42,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。,43,MVB信号传输,以9-bit帧Start_Delimiter(源定界符)打头,以8-bit Check_Sequence(校验序列)结束,44,介质冗余,45,光纤介质冗余,46,主设备权的转移,令牌传送算法 :,47,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:,48,报文类型,MVB中有16种报文,由主设备帧中的F_code区分。,,49,Process_Data(过程数据)报文,对F_code=04和Logical_Address的Master_Frame进行响应的Process_Data,50,MVB帧长度,51,Message_Data(消息数据)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256 bits。Message_Data包含一个供所有设备译码的12-bit目的地址。,52,监督数据(Supervisory_Data) 报文,Supervisory_Data帧是对F_code=8、9、13、14或15的Master_Frame的响应。其长度总是16 bits。,53,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)。,54,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;,55,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。,,56,MVB介质分配,57,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。,58,“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“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。,59,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。,60,HDLC控制字段格式,61,HDLC控制字段_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隐含指示该序号之前的所有帧已被正确接收;,62,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、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。,63,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,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;,64,绞线式列车总线 (Wire_Train_Bus,WTB),65,WTB总线拓扑,66,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’。,,67,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。,68,WTB介质冗余,69,WTB信号及其编码,,,,70,WTB帧(扩展的ISO/IEC 3309),71,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;,,72,WTB过程数据报文,73,WTB消息数据报文,,,,74,WTB监督数据报文,,75,WTB介质访问,76,常规操作WTB帧(总结),77,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: 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的描述符,该描述符显示其它节点的地址,位置和描述符。,78,节点地址分配,1)主设备地址为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。,,79,初运行中的MAU单元,,80,,,,81,,,,,82,主设备冲突,,,83,TCN应用,84,动力集中 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。,85,86,动力分散,87,摆式列车,88,谢谢!,
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