列车通信网络标准TCN课件

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1、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

2、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 30352002允许协议设计组合,10,西

3、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

4、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

5、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

6、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54.0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

7、(Up - Un)在以下范围内： +1.5 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。,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

8、.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

9、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

10、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

11、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_code0.4和Logical_Address的M

12、aster_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_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。,52,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。,53,MVB介质分配（MAC）,MVB由单个主设备控制，该设备是能发送Master_F

13、rames（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

14、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

15、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）

16、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=0