列车通信网络标准TCN

1列车通信网络Train_Communication_Network，TCN2定义列车网络层次结构车速测量辅助控制制动控制牵引控制车厢控制N机车控制列车故障诊断列车运行自动控制供电控制空调控制车门控制轴温检测制动控制车厢总线。。。车厢控制1车厢总线列车总线车厢总线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-61375-1TCN（本课程主要介绍内容）；IEEE1473TCN/LonworksTB/T3035-2002实际应用还有：FSK、HART、WorldFIP、HDLC等TB中华人民共和国铁道行业标准TB/T3035-2002列车通信网络TrainCommunicationNetwork2002-02-09发布2002-07-01实施中华人民共和国铁道部发布8IEEE1473允许协议设计组合组合车厢总线非时间严格型车厢总线时间严格型列车总线IT型T型T型IIL型T型T型IIIL型L型T型IVL型L型L型9TB/T3035－2002允许协议设计组合组合车厢总线非时间严格型车厢总线时间严格型列车总线IT型T型T型IIL型T型T型IIIL型L型T型IVL型L型L型10西门子公司TCN之产品•SiemensAG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(duagonGmbH)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。13TCN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14TCN的主要内容如下表15特征绞线式列车总线WTB多功能车厢总线MVB结构结构可变，构成改变时，具有自适应性结构及设备的地址固定不变介质屏蔽双绞线（860米，32个节点，相当于22个UIC车厢）双绞线，RS-485（20米32设备）；变压器隔离屏蔽双绞线（200米32设备）；星型光纤网（2000米，2个设备）物理冗余双份物理介质双份物理介质信号带16..32位前同步码的曼彻斯特编码带定界符的曼彻斯特编码信号速率1Mbit/s1.5Mbit/s地址空间8bit地址12bit地址物理地址点对点及广播点对点及广播有效的帧长度在4-132个字节之间可变量化的：16，32，64，128或者256bits完整性帧FCS-16，帧校验以及曼彻斯特编码IEC60870校验序列及帧尺寸校验介质分配由一台主设备完成由一台主设备完成主设备权传送主设备，强主设备或弱主设备总线管理器通过令牌传送成为主设备主设备冗余初运行后，主设备权传递给另一节点令牌传递自动进行主设备权转换冗余校验链路层服务过程数据循环源寻址广播数据消息数据偶发点对点或广播数据报监督数据循环/偶发用于总线管理的数据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UIC556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；19MVB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。21ESD端接器接线22ESD连接器布置23ESD端接器的连接器布置24ESD信号波形－帧开始示例25ESD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：+1.5V(Up-Un)+5.0V，驱动54.0Ω阻性负载时；+1.5V(Up-Un)+6.0V，无负载时。低电平，此时电压差(Up-Un)在以下范围内：-1.5V(Up-Un)-5.0V，驱动为54,0Ω阻性负载时；-1.5V(Up-Un)-6.0V，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。26ESD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+0.200V，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。27ESD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。29EMD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)32EMD连接器的布置33EMD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。36MVB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39MVB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40MVB信号编码•非数据符编码NH和NLa）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。41MVB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(MasterStartDelimiter)•从设备帧起始符SSD(SlaveStartDelimiter)42MVB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。43MVB信号传输以9-bit帧Start_Delimiter（源定界符）打头，以8-bitCheck_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：47MVB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。F_code（功能码）报文类型016位过程数据请求帧132位过程数据请求帧264位过程数据请求帧3128位过程数据请求帧4256位过程数据请求帧5(保留)6(保留)7(保留)8主设备权传送请求帧9总体事件请求帧10(保留)11(保留)12256位消息数据请求帧13组事件请求帧14单事件请求帧15设备状态请求帧49Process_Data（过程数据）报文•对F_code＝0..4和Logical_Address的Master_Frame进行响应的Process_Data50MVB帧长度51Message_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256bits。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16bits。53MVB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）。54MVB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；55MVB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。56MVB介质分配57HDLC数据帧格式•起始标志要传输的数据块结束标志0111111000010110011011101111110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