列车通信网络技术

列车通信网络技术TrainCommunicationNetwork6.2TCN网络•TCN网络(列车通信网络)是一种现场通信网络。现场通信网络又称为广义的现场总线，是广泛应用于计算机测控领域的串行双向数字通信网络。其功能是实现对现场(或底层)数据的收集和执行设备的控制，完成系统管控设备与现场设备之间、现场设备相互之间的信息交换。•安装在列车上的计算机局域网络系统TCN，负责对整列车各个部分信息的采集与传递，它将整列车连成一个整体，司机对整列车的控制命令通过TCN网络传送到列车的每节车辆车上，而每节车辆的工作状态通过TCN传送到司机显示屏，使整列车有效安全地运行。6.2.1列车通讯网络结构列车通信网络可分为三个层次，即列车总线、车辆总线和设备总线。TCN网络上层为绞线式列车总线(WTB)，下层为多功能车辆总线(MVB)，在车辆总线下面还可设置第三级，由安装在同一车辆上的传感器执行机构构成，这一级不受列车控制网络的限制，可被认为是车辆总线设备的一部分。一列列车中只能有一条列车总线，但可以有多条车辆总线。列车总线连接不同车辆(单元)中的网络节点(网关);车辆总线连接同一车厢或固定车组内部的各种可编程终端装置。列车通信网络结构示意图•从图6.1可见，TCN连接整个列车，每节机车或车辆的车辆总线通过网络节点与TCN连接。机车或车辆上的各种设备则直接挂在车辆总线上。这样，车辆的控制、检测、故障诊断等信息的传输，都可以方便地通过列车总线和车辆总线及其对应的节点传输到需要这些信息的设备。•图6.1所示的列车通信网络结构并不是绝对的，整个列车的组成可以灵活多样，一节车厢内可以有一条或多条车辆总线，也可以没有;车辆总线也可以在固定编组的情况下跨接几节车厢。如果整列车是固定编组，则列车并不需要对节点进行连续编号，这时车辆总线可以起到列车总线的作用。列车总线和多功能车辆总线•列车总线（WireTrainBus,简称WTB）贯穿整列车，连接列车中的各个车辆总线；WTB总线能自己组态，传输速率可达1.0Mbit/s，介质为双绞屏蔽线。•多功能车辆总线（MultifunctionalVehicleBus，简称MVB）是一种用于连接车辆内各个设备的现场总线；MVB总线能快速反应，传输速率可达1.5Mbit/s，介质为双绞线或光纤。6.2.2TCN的通信协议及网络管理与组态•TCN标准遵循实时协议（RTP），用于TCN中的所有设备在MVB、WTB或其它总线上进行数据通信。•实时协议RTP规定了TCN提供的应用接口，它由两种基本的服务组成：变量群和消息群。•TCN标准可部分使用，也可整体使用。有WTB而没有车辆总线，或WTB与非MVB的车辆总线连用有MVB而没有列车总线，或MVB与非WTB的列车总线连用RTP用于其他非WTB或非MVB的总线6.2.3列车总线WTB•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：WTB特性摘要表：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）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。•多功能车辆总线是将位于同一车辆中的标准设备连到TCN网络上的一种总线。是可靠的实时通信总线。MVB最多可以寻址4095个车载设备，其中有256个是可以参与消息通信的站。•MVB总线传输实时性好、可靠性高且易于网络互联。其数据传输速率为1.5Mbit/s,为冗余总线结构构形总线，星型介质（可选）电气短距离电气中距离光纤双绞线，RS-485；屏蔽双绞线，变压器耦合；200/240微米光纤，星型连接器；长度电短距离电中距离玻璃光纤20米，每段32个设备；200米，每段32个设备；2000米；物理层的冗余备份的物理层介质（同步发送）信号表示曼切斯特编码，9个比特源分界符信号传输率1.5Mbit/s地址空间12位设备地址；0..255留给带消息数据的设备12位逻辑地址用于过程数据（每个为16..256位）MVB传送三类数据：●过程数据（Process_Data）：源地址数据的周期性广播，最快周期为1ms；●消息数据（Message_Data）：按需求、目标寻址的单播或多播或者广播；●监视数据（Supervisory_Data）：传输事件分解、主设备权传送、设备状态等数据：列车总线或车辆总线传送三种类型的数据：1、过程数据：列车通信网络用过程变量来表示列车运行的控制命令和运行状态，例如速度、电机电流、操作员的命令等。过程变量的值叫做过程数据。过程数据是由发行者设备发送至多个用户设备的广播数据，并由他们的逻辑地址来标识，这种类型的传送称为源寻址广播。2、消息数据：消息是冗长但不频繁传输的数据，消息的长度在几个字节到几千个字节之间。为了传输较大的消息数据，可以将消息分成小的包，这些包分别编号并由目的站确认。消息数据是从一个源设备发送到一个目标设备或是同一总线上的所有设备的面向目标的数据。消息数据是有需要时才传送的。3、管理数据：管理数据是在相同总线内用来监视设备状态、检测沉寂的设备、总线主权转移、总线初运行等方面的数据。某些管理数据是周期性传送的，但另一些管理数据是按需传送的。严格来说，过程数据也可作为偶发性数据按需传送，但由于这种服务不可靠，TCN标准不支持这种发送方式；同样消息数据也可以周期性地传送，TCN标准也不予支持。6.2.5.2数据传送模式TCN总线传送两种类型的数据：周期性数据及偶发性数据。周期性数据在一个特征周期的周期相内周期性地发送，一个特征周期可以是基本周期的若干倍，周期相在每个基本周期中占有一固定的部分，这部分在最初的网络组态时可以变动，但在通信应用过程中严禁改变。●在周期相中，总线主按预定顺序轮询各设备以获取周期性数据，这种通信称为周期性通信。●在两个周期相的间隔中按各自需要传送的数据称为偶发性数据，这种通信称为偶发性通信，两个周期相间的间隔称为偶发相。周期性数据和偶发性数据基本周期基本周期周期性数据偶发性数据周期性数据周期相偶发相偶发相时间注：从设备在偶发相中不能自发的发送数据。6.2.5.3过程变量的发送•过程变量的发送由主节点控制，主节点广播一个请求发送某个变量的帧，而在此帧中并不指定变量源来自哪个设备。在下一相，变量的源设备通过广播对所有的设备回答一个包含请求的帧，所有对此变量感兴趣的设备则采集此值。源地址广播数据集•帧的格式在初运行时被固定，以供所有的总线成员使用。为了提高效率，每个从帧带有相同周期的若干变量，这些变量被称作数据集。一个数据集包含数值和检查位，但不包含地址。每个变量由它相对于数据集起始地址的偏移量来标识。例：由模拟及二进制过程变量混合在一起的数据集例：过程变量传送示意图1.发行者应用3将过程变量写入源通信存储器；2.源设备总线控制器读出该值并在总线上广播；3.用户宿设备的总线控制器将接收的值存储到它们的通信存储器中，改写了以前的值。4.应用1或４（用户）从通信存储器中取出该值。传送过程分四步：6.2.6TCN网络的编址与寻址方式1．对节点的编址节点作为列车总线和车辆总线之间的网关，在列车通信网中扮演重要的角色。每个节点都连接到列车总线上．一条列车总线最多可以挂连64个节点。当列车的组成发生变化时，例如车辆的连挂或解挂，列车主节点重新组织总线，给每个节点分配6位的节点地址。列车的每个节点都有两个方向：方向1和方向2。车辆的两侧称为A侧和B侧。A侧和B侧与方向1和方向2有关，若方向1朝北，A侧则朝西。列车总线用相对于主节点的位置来标识节点，主节点的节点地址总是01。在主节点方向2上的节点，从02开始按递增顺序依次编号，最后命名的节点为顶节点。在主节点方向1上的节点，从63开始按递减顺序依次编号，最后命名的节点为底节点。2.对设备的编址•连接到总线上的器件称为设备，设备由设备地址来标识。车辆总线最多可以寻址4096个设备，所以在车辆总线上用12位的设备地址。列车总线上的设备地址为8位，其中低6位是节点地址，因为连接到列车总线上的设备只有节点，连接到多条总线上的设备对每条总线可以有不同的设备地址。•一些特殊的设备，例如中继器，因为它仅仅参与物理层的工作，所以没有设备地址。设备地址0用来标识本地链路层，最高的设备地址（例如8位的设备地址11111111B）表示对总线上的所有设备的广播，这两个地址都不能分配给某个特定的设备。3.组地址为了按类型访问车辆或一组车辆，用组地址来取代节点地址。车辆类型的分组与应用有关。如图所示第二节车辆既属于第一组又属于第三组，属于哪一组是由不同的应用决定的。每一个组都有一个组地址，组地址也是6位。4.网络地址•网络地址分为系统地址和用户地址。系统地址用来标识网络中的一个站，用户地址用来标识网络中的一个功能。•在调试和检错时工程师用管理消息来访问设备，由于列车通信网络组态的多样性，管理消息一般不使用设备地址。为了在各种拓扑下寻址设备，网络管理把列车通信网络看成是由挂在每个节点上的多个站组成。如下图所示系统地址站就是列车通信网中进行消息通信的设备，一个节点上最多可以挂255个站，节点本身也被看成一个站，每个站用一个8位站标识符来标识，节点作为一个站也有站标识符。图中以#开头的就是站标识符。节点地址（或组地址）与站标识符一起组成了系统地址，通过系统地址就可以找到一个站。用户地址每节车辆都支持一些功能，如门、空调、照明、制动等。功能可以由连接到车辆总线上的设备执行，也可以直接由节点执行。一个设备可以执行几个功能，一个功能也可以由几个设备来执行。列车总线的用户不期望知道一个车辆所包含的全部设备，而只考虑一个车辆能支持何种功能，因此，用户并不对远程设备寻址，而是对一个远程功能进行寻址。通过功能而不是设备来寻址的方式也适用于车辆总线。应用只调用一个功能但没有规定由哪个设备来执行这个功能。用户应用把网络看成是由能支持多个功能的各个节点组成，每个功能用一个8位的功能标识符来标识。节点地址（或组地址）与功能标识符一起组成用户地址，通过用户地址就可以寻址一个功能。5.端口地址因为过程变量很小，为了提高传输效率，将多个过程变量放在一个过程数据帧中传输，这些过程变量构成了一个数据集。列车通信网中的设备都提供一个或多个通信存储器来存储数据集。通信存储器可以由网络和用户共同访问。一个设备中最多可以有16个通信存储器。通信存储器用4位的通信存储器标识符来标识，每个通信存储器包含多个端口，端口是一种共享的内存结构，数据集存储在端口中．每个端口只存储一个数据集。一个通信存储器最多可有4096个端口，所以每个端口用一个12位的端口地址来标识。6.各地址间的映射•在列车通信网中，一个设备很可能有多个地址。例如一个节点，它有节点地址，同时作为一个设备，它有设备地址，而且它又是一个站，所以它有系统地址。为了将一个设备的各种地址联系起来。列车通信网提供了多个索引，如节点索引、组索引、站索引、功能索引等。索引实际上就是一个表，这个表将某个设备的各种地址一一对应起来。•例如，节点索引将节点地址映射到设备地址，知道某个节点的节点地址，通过节点索引可以知道这个节点的设备地址，反之，知道了设备地址也可