第五章--绞线式列车总线1..

大连交通大学电气信息学院1第五章绞线式列车总线大连交通大学电气信息学院25.1概述5.2物理层5.3绞线式列车总线的数据格式5.4WTB介质访问控制方法5.5WTB初运行5.6WTB总线主冗余5.7WTB链路层接口大连交通大学电气信息学院35.1概述绞线式列车总线（WTB）是为互连车辆而设计的串行数据通信总线，也可以用于其它场合。这些互连车辆在每天作业中需要连挂和解连，如国际UIC列车。WTB满足UIC556的要求，它定义了由最多22个客车组成的UIC列车的通信要求。WTB的组成结构如下图：大连交通大学电气信息学院4主干电缆跨接电缆及连接器节点连接器主干电缆扩展电缆端接器端节点节点（多个）中间节点端节点端车辆中间车辆（多个）端车辆WTB采用屏蔽双绞线，信号传输速度１Mbit/s。采用规定型号的电缆，可互连最多32个节点，长度最长至860m。WTB介质是由不同车辆上的电缆节链接而成。它有一个段是朝向列车中间，另一段是朝向敞开的端部。端节点电气上用与它连接的端接器来终止两个总线节以减少反射。连接两个总线节（段）WTB总线由下列类型的电缆段组成：沿车辆走的干线电缆（连贯的车辆只有一根干线电缆）；连接不同车辆干线电缆的跨接电缆；为达各节点而对干线电缆进行延伸的扩展电缆。WTB在一给定时间内只由一个总线主控制。在总线主控制下，WTB周期性地广播牵引和列车控制所用的过程数据；它也按需发送比较长但不太紧迫的消息数据。在编组发生改变或节点出现故障时总线主权可以转移。为此，总线主指示中间位置上的节点连接电缆节，命令末端的端节点插入端接器，这个进程称作初运行，每个节点指出它的位置地址和相对于总线主的取向。大连交通大学电气信息学院5WTB特性摘要表：大连交通大学电气信息学院6WTB规定了3种不同类型的数据：1、过程数据从功能上划分，过程数据有两类：用于表示列车内设备状态的变量对列车设备的控制变量2、消息数据消息数据是指冗长但不频繁的数据项，数据项被拆分成小包并按需发送，属于偶发性数据。3、监视数据监视数据用于总线的监视、控制和管理，以保证过程数据和消息数据在总线上的顺利传输。大连交通大学电气信息学院7监视数据有8类，监视报文有以下几种形式：1、检测报文2、存在报文3、状态报文4、中间设定报文5、命名报文6、消名报文7、末端设定报文8、拓扑报文大连交通大学电气信息学院8大连交通大学电气信息学院95.2物理层5.2.1电缆规范WTB介质为屏蔽双绞线，为连接各个车辆，它需要有较高的机械稳定性。规定的电缆允许速度1.0Mbit/s，860m长。其中包括所有的干线电缆、扩展电缆和耦合电缆。WTB可以使用自动连接器连接电缆，也可用手动插拔电缆。车辆车辆跨接电缆连接器节点节点线线在主干电缆中插入节点所用的电缆，每路线由两根独立的绞线对组成,截面可能小于主干电缆。1、机械特性所有电缆节都是由两个导体、绞线式的、可屏蔽的、带护套的电缆段组成。两导线每米至少应绞12次。主干电缆的横截面积要求是0.75mm2，跨接电缆的横截面积要求是1.34mm2，如果使用D型连接器进行间接连接，则每个扩展电缆的横截面积不能超过0.56mm2。2、标记原则双绞线的每一根线都要分别标识为X和Y，屏蔽层为S。电缆的每一根线也应清楚的标记。在所有连线和接合处也应有类似的标记。大连交通大学电气信息学院103、屏蔽概念为了保障WTB总线信号传输的可靠性和不同应用场合的需求，WTB总线屏蔽采用了两种不同的方法：接地屏蔽和浮动屏蔽。接地屏蔽是指屏蔽层直接接地，注意：一是每个节点的屏蔽层要直接连接到该节点的地；二是车辆之间的跨接电缆不可以在车辆之间存在屏蔽层的电气连接。大连交通大学电气信息学院11浮动屏蔽是指屏蔽层通过一个RC回路连接到地，在应用这种方式的时候，应注意：当屏蔽层没有连接到一个节点的时候，需要与地隔离开。参数选择：Rs=47.0（1±5%）KΩ，并联电容Cs=100（1±10%）nF，750V。大连交通大学电气信息学院12WTB所用连接线的基本性能参数大连交通大学电气信息学院13阻抗特性（0.5~2.0BR）120.0（1±10%）（Ω）衰减特性（1.0/2.0BR）10.0/14.0（dB/km）分布电容（1.0BR）≤65（pF/m）电容失衡（1.0BR）≤1.5（pF/m）串扰抑制（0.5~2.0BR）≥55.0（dB）传输阻抗（20.0MHz）≤20.0（mΩ/m）差分传输阻抗（20.0MHz）≤10.0（mΩ/m）注：BR（1BR=1.0MHz）表示测量时输入的正弦信号的频率大连交通大学电气信息学院145.2.2节点连接方式连接到一个节点的两个电缆节将被命名为Direction_1和Direction_2。原则：1、车辆的一个末端确认为末端1，另一末端确认为末端2；2、节点的Direction_1与末端1相连，Direction_2与末端2相连；3、如果Direction_1指向北，则车辆的西侧命名为A侧，东侧命名为B侧；4、车辆内节点的A和B的命名遵循同样的约定。大连交通大学电气信息学院15在常规操作中，每个节点都被插入到干线电缆中，连接两个总线节。位于总线末端的节点，将在电气上终止连接它们的两个总线节；而位于总线中间的节点，将在电气上连接到它们的两个总线节。大连交通大学电气信息学院16为了保障通信的可靠，可采用线路冗余方案，即增加一条具有相同电气特性的并行总线作为冗余备用，在这种方案中，每个节点通过独立的线路单元连接到冗余的两路总线上。大连交通大学电气信息学院17冗余的两条线路应被标识为线路A和线路B；上述标识对于同一车辆内的所有节点来说必须一致；属于不同线路的电缆（如跨接电缆应分别做标记）；线路A和线路B必须按照车辆定向的原则来进行标识。大连交通大学电气信息学院185.2.3介质附件单元节点通过它的介质附件单元（MAU）连接到介质上，单一线路连接时，MAU由以下几部分组成：一个线路单元、一个方向转换器、一个主通道和一个辅助通道方向方向总线开关端接开关变压器收发器曼彻斯特编码/译码器编码器编码器译码器译码器通道通道方向开关主通道辅助通道端接器端接器大连交通大学电气信息学院191、线路单元组成◆一个总线开关（Kb）、◆两个端接器开关Kt1和Kt2、◆两个收发器电路◆两个曼彻斯特编码、解码器。2、方向转换器方向转换器使主通道与方向1相连，辅助通道与方向2相连，切换它则改变两个通道的连接方向。3、主通道和辅助通道网络中节点将靠近总线主方向的通道设为主通道，相反方向设为辅助通道，方向切换器用于转换主通道和辅助通道。大连交通大学电气信息学院204、节点和开关设置总线主利用中间设定帧和末端设定帧来设置从节点的状态。1）中间设定①连接两个总线节；②切除端接器；③主通道通过收发器1或收发器2与线路线连；④关闭辅助通道和未使用的收发器。方向方向总线开关端接开关变压器收发器曼彻斯特编码/译码器编码器编码器译码器译码器通道通道方向开关主通道辅助通道端接器端接器大连交通大学电气信息学院212）末端设定①隔离两个总线节；②介入两个端接器；③使辅助通道与一个方向相连，主通道与另一个方向相连。方向方向总线开关端接开关变压器收发器曼彻斯特编码/译码器编码器编码器译码器译码器通道通道方向开关主通道辅助通道端接器端接器大连交通大学电气信息学院22冗余线路单元设计用于冗余连接的MAUs应通过独立的线路单元与线路A和线路B连接；应用于两个线路单元的节点设置（末端设定或中间设定）应相同。应保证一条线路断开时，另一条线路正常操作。大连交通大学电气信息学院23大连交通大学电气信息学院24WTB支持两种冗余级别：总线冗余和节点冗余。使用总线冗余时，节点总是在两路总线上发送相同的数据，但每个节点只从一路总线上接收，同时监视另一路总线，检测它是否仍在工作。WTB线路冗余方案采用双线并行模式，每个节点通过独立的线路单元连接到冗余的两条总线上。WTB线路冗余原理：节点同时通过线路A和B发送相同的数据，但只从其中的一个线路接收数据，此线路称作信任线，它同时监视另一线路，此线路称作监视线。WTB的线路切换依据线路受扰信号，连接到每个节点的总线节上都有一个线路受扰信号。5.2.4WTB双线处理大连交通大学电气信息学院25时滞：由于信号在线路A和线路B上的延时不同，因此它们的时滞（时间差）在发送器、接收器或线路上其他任何地方是不同的。大连交通大学电气信息学院26线路受扰后的线路切换情况：大连交通大学电气信息学院275.3绞线式列车总线的数据格式包括总线主发布的主帧和从设备响应的从帧，主帧和从帧共同组成一个报文，与MVB的区别在于：WTB的主帧与从帧格式是统一的。大连交通大学电气信息学院285.3.1WTB帧格式WTB总线上的待发送数据采用曼彻斯特编码，即“1”用位元中间的正跳变表示，“0”用位元中间的负跳变表示，这与MVB数据位的表示是一样的。帧帧数据数据链路数据标志尺寸标志帧头位位（未计其填充位）目标设备链路控制源设备以8位位组为单位的链路数据长度时间帧格式大连交通大学电气信息学院29帧帧数据数据链路数据标志尺寸标志帧头位位（未计其填充位）目标设备链路控制源设备以8位位组为单位的链路数据长度时间WTB帧格式标志地址控制信息校验码标志8bit8bit8bitn×8bit6或32bit8bitFACIFCSFHDLC帧格式实时协议消息数据帧1、帧头编码一帧信号由帧头开始，帧头由电平为“1”的起始位“S”开始，随后是若干个（“0”，“1”）位对，最后一位是“1”。大连交通大学电气信息学院302、终止分界符帧由终止分界符结束，它将使线路维持2.0BT宽的正电平。为补偿失衡，在正电平后附加了一个2.0BT宽的负电平，最后回到空闲状态。大连交通大学电气信息学院313、帧数据16位的帧头和2位高电平的终止分界符不属于帧数据，但它们都属于WTB帧的组成部分。所有帧数据具有相同的编码结构，并服从ISO/IEC3309标准中HDLC信号一致的结构。一帧数据由8位的标志符“01111110”开始和结束。在两个标志符之间为HDLC数据，此数据最少为32位，最大为1056位。HDLC数据应为8位位组的整数倍，各部分代表不同的含义，具有固定的顺序。HDLC数据后接错误检测代码。大连交通大学电气信息学院32报文定时总线通信由叫做报文的帧对组成，帧对由主节点发送的主帧和在规定时间内从节点响应的从帧组成。测得的帧间间隔是从终止分界符的最后一位的跳变到下一帧帧头起始位的中间跳变的一段时间。大连交通大学电气信息学院33应答延时的计算对于一个给定的总线来说，应答延时T_reply是在主节点测得的可能出现在主帧端与响应主帧的从帧的开始之间的最大延时。应答延时由传播延时、解码和访问延时组成。T_reply是一个配置参数，它告诉总线在没有收到从帧时，总线主在发送下一个主帧之前应等待多长时间。大连交通大学电气信息学院34例：有17个节点（16节）的编组，假设总线主是总线的一个端大连交通大学电气信息学院35对于一个给定应用，它在最坏情况下的应答延时T_reply计算如下：T_reply[us]=2*T_pd+T_source_max注：T_source_max为主帧解码和在源设备上的响应时；T_pd是在给定应用中，端节点之间的帧在最坏情况下的传播延时。发送帧间隔主侧在主通道，总线主期望在主帧发送结束后的T_main_max=1.756ms时间间隔内，完全接收响应它的主帧的从帧，同时主接收到从帧后的T_sm_min=0.064ms内或超过时间（1.756ms+0.064ms=1820ms）期满后，总线主开始发送下一主帧；在辅助通道，端节点期望在时间T_aux_max=1.047ms内，完整地接收到响应它的主帧的从帧，同时在接收检测响应的端或超过时间（1.047ms+0.064ms）后，它开始发送它的下一个主帧。从侧被寻址的从节点应按以下规则开始发送帧：在接收到主帧的端后，不早于T_source_min=