第二章列车通信网络协议.docx
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第二章列车通信网络协议
第二章列车通信网络协议
随着动车组的发展,列车控制技术已从单台机车控制向列车网络控制方向发展。
列车网络控制已成为高速列车、动车组的关键技术之一。
本章主要介绍目前国内动车组中所应用的网络协议,主要包括TCN通信网络标准、ARCNET通信网络标准以及CAN标准。
第一节TCN通信网络
TCN(列车通信网络)于1999年6月正式成为国际标准,即IEC61375-l。
该标准适用于开式列车的数据通信,它包括开式列车的车辆与车辆间的数据通信及开式列车中一个车辆内的数据通信,对列车通信网络的总体结构、连接各车辆的列车总线、连接车辆内部各智能设备的车辆总线及过程数据等内容进行了详细的规定。
列车通信网络通常分为上、下两层;上层为列车总线,下层为车辆总线。
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各种可编程终端装置。
列车总线和车辆总线是两个独立的通信子网,可采用不同的网络协议。
通过一个列车总线节点(网关)互连,在应用层的不同总线之间通信时由此节点充当网关。
在车辆总线下扩展第3级总线,即设备总线(DEVICEBUS)(如连接传感器的总线或连接执行单元的控制总线),它们可作为车辆总线的设备连接到车辆总线上。
列车通信网的结构如图2-2-1所示。
图中给出了3节的结构,其中,车厢中从站及智能设备的数量因要求不同而有差别。
列车总线与车辆总线是两个独立的通信子网,而且有不同的通信协议。
每一列车在运行中必须有一个且只能有一个控制总线工作的节点,称为控制节点。
正常情况下以启动的司机室的主节点为控制节点,称为主控节点。
主控节点管理列车总线的运行,必要的时候主控节点可以切换。
车辆总线的运作由各车厢的节点来管理。
图2-2-1列车通信网的结构
Gateway-列车、车辆总线网关;CS—主站;SS-从站;Sens-智能传感器;Actu-智能执行器。
一、列车通信网的体系结构
列车通信网的结构应遵循ISO/OSI7层模型。
列车通信网络作为局域网节点功能固定,故只涉及了网络中的下两层和应用层。
其中数据链路层在应用到局域网时分成了两个子层:
逻辑链路控制LLC(LogicLinkControl)子层和介质存取控制MAC(MediumAccessControl)子层。
MAC子层处理局域网中各站对通信介质的争用问题,对于不同的网络拓扑结构可以采用不同的MAC方法;而LLC子层屏蔽各种MAC子层的具体实现,将其改造成为统一的LLC界面,从而向网络层提供一致的服务。
列车通信网上的数据量都比较小,不存在路由选择、顺序控制和阻塞控制等问题,比较简单;但是实时性、可靠性及网络构成的实用性要求比较高。
列车通信网的体系结构模式如图2-2-2所示。
TCN(列车通信网络)将列车上的智能设备连接起来,完成下述功能:
(1)列车牵引及车辆控制(如车门、车灯等的远程控制);
(2)远程诊断及维护;
(3)旅客信息及舒适性。
TCN(列车通信网络)包括两层结构:
(1)连接各车辆的绞线式列车总线(WireTrainBus,WTB),列车新编组时可自动配置,通信介质为双绞线,通信速率为1Mbit/s;
(2)连接一节车辆内或车辆组各设备的多功能车辆总线(MultifunctionVehicleBus,MVB),经优化具有快响应性,通信介质为双绞线或光纤,通信速率为1.5Mbit/s。
网络管理部分包括对网络的配置、维护及操作。
表2-2是TCN的基本特点:
二、多功能车辆总线MVB(MultifunctionVehicleBus)
MVB是用于在一个固定编组的几个车辆内连接各种可编程设备和这些设备的传感器及执行器的车辆总线。
它也可在固定编组的列车内作列车总线。
传输介质可以是双绞线,也可以是光纤。
在后一种场合,其传输距离为2000m,最多可连接256个智能总线站,数据划分为过程数据、消息数据和管理数据。
对过程数据的传输作了优化,发送的基本周期是lms或2ms。
图2-2-3和图2-2-4分别为MVB应用于机车(动车)和车辆(拖车)的简图。
MVB传输的数据有以下3类:
过程数据:
定时广播的带源地址的数据,定时间隔lms;
消息数据:
有请求时应答,带有目的地址的点对点或广播数据;
管理数据:
用于事件判决、主设备转换、设备状态发送的数据。
(-)MVB物理层
MVB提供三种通信介质,工作速率相同。
(1)ESD:
电气短距离介质,依照RS485标准的差分传输导线对,在无需电气隔离的情况下在20m的传输距离内最大可支持到32个设备,若使用电气隔离则传输距离可更远。
(2)EMD:
由屏蔽双绞线组成的电气中距离介质。
在200rn的传输距离内最大可支持32个设备,允许使用变压器作电气隔离。
(3)OGF:
光纤介质。
通过星耦器汇出,传输距离可达2.0km,主要用于较为苛刻的环境(如机车上)。
MVB上连接的设备都有一总线控制器,设备通过它来控制总线访问。
MVB采用曼彻斯特编码,每一数据位码元中间都有跳变,一个“1”的编码在位元的前半部分应为HIGH,后半部分为LOW,一个“0’’的编码在位元的前半部分应为LOW,后半部分为HIGH。
(二)MVB帧
MVB帧是由9bit起始位+数据+8bit校验位+结束位构成的。
MVB有两种帧:
主控帧:
总线的某个总线管理器发送的帧;
从属帧:
由总线从设备发送,回应某个主控帧。
基于帧结构,MVB共有16种报文,在主控帧中以一个字码(F-code)来区分,如表2-2-2所示:
MVB介质访问控制采用主从方式,由唯一的主控器以定时轮询的方式发送主控帧。
总线上其他设备均为从属设备,需要根据收到的主控帧来回送从属帧。
它们不能同时发送信息。
MVB由专用主设备——总线管理器进行管理。
管理器是唯一的主设备。
为增加可用性,可能有多个总线管理器,它们以令牌方式传递主设备控制权。
在一个给定时间,仅有一个管理器在总线上工作。
对于多个偶发性响应,主设备减少发送设备数量,直到不发生冲突。
根据通信网上所传输数据的性质和实时性的要求,把通信网上的数据分为三类:
过程数据(Processdata)、消息数据(messagedata)和管理数据(Supervlsorydata)。
通信网采用不同的方法来传递这三类数据。
过程数据是那些短而紧迫、传输时间确定和有界的数据。
把列车运行的控制命令和运行状态信息定义为过程数据。
过程数据的传输是周期性的。
把那些非紧迫的但可能冗长的信息定义为消息数据,把诊断信息、显示信息和服务功能作为消息数据来传送。
它们的传送是非周期的,而且可以根据需要分帧传送。
管理数据是网络自身管理、维护和初始化时在通信网中传递的数据。
这些数据只有在网络重构或初始化时才传递,而传递时与其它两种数据不发生冲突,因此在列车运行时通信网上传送的只有过程数据和消息数据,这两种数据用周期传送和非周期传送来区分。
周期性和偶发性数据通信共享同一总线。
但在各设备中被分别处理。
周期性和偶发性数据发送由充当主节点的一个设备控制。
这保证了确定性的介质访问。
为此,主节点在基本周期中交替产生周期相和偶发相,如图2-2-5所示。
三、绞式列车总线WTB(WiredTrainBus)
绞式列车总线WTB是一种串行通信总线,主要是为铁道车辆间建立通信连接而设计的。
图2-2-6表示了绞式列车总线的组成。
(一)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。
(二)WTB帧
所有的帧符合同一编码方式,遵循HDLC(ISO/IEC3309)标准。
帧格式如图2-2-7所示
(三)WTB报文
每次通信均由主节点建立,被选择的从节点对主节点的命令帧回复应答帧。
图2-2-8为一报文时序图,包含一主节点命令帧和一从节点的应答帧。
telegram
图2-2-8WTB报文格式
WTB规定了三种报文:
(1)过程数据报文;
(2)消息数据报文;
(3)管理数据报文。
(四)WTB的媒体访问控制MAC
在列车总线上,只有唯一的主节点控制媒体访问,其他的所有节点均为从属节点,只能在主节点问询到它时才能发送回应帧。
常态工作时,主节点不停地循环操作。
它将总线活动划分为一个个基本周期,主节点在基本周期中产生周期和偶发相,如图2-2-9所示。
(五)WTB列车初运行
1.一个列车内的初运行
列车总线主设备控制WTB的配置,当列车的组成改变时,即车厢被连挂或解挂时(如果需要经常发生),主设备重新组织总线,这个过程叫做列车初运行。
在初运行时,所有节点接收到一个唯一的标识它们在列车中的位置的地址,节点还必须能确定列车的定向,以便区分左右,例如门控制。
在初运行结束时,所有节点都知道新的构形,并且总线进入常规操作。
在初运行过程中,节点和电缆段从电气上连接起来,形成一条两端都有终端连接器的单一总线。
初始时,如果一个节点未被命名,它的介质连接装置便通过打开总线开关,同时在与之相连的每段的末端插入一个终端连接器的方法,把总线断开。
介质连接装置的两个信道监听总线,每个信道监听一个方向。
一个没命名的从设备不能发送帧(图2-2-10)。
Vehiclevehiclevehicle
列车总线主设备的选择取决于应用。
通常,列车司机通过某种方法,比如插入一把钥匙,来选择司机室内的节点作为主设备,这个节点的编号为01,并最终由它控制总线。
主设备通过交替地向每个方向发检测请求帧来定启动初运行,下一个从设备将会检测到主设备发出的帧,并用一个检测响应帧作为回答,指明自己是一个没被命名的从设备(图2-2-11)。
图中“?
”表示不确定编号,下同。
当主设备检测到一个方向上的没命名的从设备的回答后,它把其他通道切换到列车这一端,发一个命名请求给没命名的设备,告诉它“你是02号节点”。
收到这一命名请求的从节点发一个响应给主设备,以确认它已接受地址02,然后它把自己的标识设置为02,并打开主设备方向上的主通道(图2-2-12)。
主设备不能直接询问第三个节点,因为如果不存在第三个节点,关闭总线开关,移走节点02的终端连接器将会使总线不能正常工作。
像主设备一样,第2个节点通过辅助通道发检测请求帧。
第3个节点(如果存在)将发回一个检测响应给02,然后由节点02向主设备报告检测到一个没命名的节点。
为实现这一功能,主节点要定期轮询这一方向的端节点,读取它们的检测状态(图2-2-13)。
如果节点02报告检测到了一个没命名的节点,主设备就打开02作为中间节点(闭合总线开关,移走终端连接器,并关闭辅助通道),这时主设备就可以直接访问节点03,给它命名(图2-2-14)。
持续这一交换直到这一方向上的所有节点都被命名。
尽管导向车厢可能是推式车厢,这种情况下,由于可能的节点都位于司机室的前方,初运行时接63,62…等给节点命名。
当端节点在一定的时延之内不再向主设备报告检测到其他节点时,主设备认为检测到了列车的末端。
但是没有返回响应并不能安全地识别就是最后一节车厢。
例如,下一节车厢可能没有可操作的列车总线设备。
必须用其他方法(打开自动耦合开关,人工开关)来识别列车的末尾。
另外,我们还希望司机对列车组成部分的完整性进行检查。
当两个方向的节点都被命名之后,主设备把构形发送给各从设备,构形中包括每个已命名的节点的描述符。
在收到构形之前,节点不能参与常规操作,这是因为节点需要用构形对收到的帧解码。
在常规操作时,端节点周期性地向列车末端发检测请求来检测列车的长度。
当端节点报告列车的组成改变时,如果条件允许(例如,车速<5km/h),主设备重新启动初运行过程。
1.控制权的转移
尽管应用允许多个节点都成为主设备,但实际上一次只能有一个可操作的主设备,这些节点叫做弱节点。
弱节点允许列车总线在没有指定主设备的情况下进行操作,在一定时间内没有检测到总线动作的从设备将成为弱主设备。
有可能同时存在多个弱主设备,且每一个都想给它的邻节点命名,直到两个已命名的段发生冲突。
这时,其中一个弱主设备自称为主设备,并重新命名其他段。
应用可以指定一个节点作为主设备,这个节点叫做强节点。
在应用的控制下,充当主设备的节点可以改变。
在终点站可逆向(推一拉)列车改变运行方向时,就要改变主节点,操作程序为:
司机从司机室中取下钥匙,走到列车的另一头,把钥匙插在这一端的司机室中。
在取下钥匙时,主设备还像以前一样控制列车,但这时它是作为弱主设备,它仅仅通知其他的节点:
自己被降级。
降级将禁止一些功能。
在另一个节点插入钥匙后,这个从设备便升级为强节点。
当弱主设备检测到有一个节点已经升级时,它取消对所有节点的命名,并退回到从设备状态。
然后新的主设备重新命名所有的节点。
3.两列车的连接
当两列初运行过的车连接时,末端节点识别出列车被加长了。
由于节点在收到检测帧时就已经被命名,它们只回答一个指明其组成部分个数的应答帧。
下一步的工作取决于主设备的强度。
如果两列车都是在强主设备控制下,那么每一列车部发一个信号给应用,说明检测到了另一列它不能对其命名的列车。
如果一个主设备是强主设备而另一个是弱主设备,则弱主设备的端节点就发一个信号给弱主设备,从末端节点开始,逐个取消对各节点的命名。
然后,再发一个信号给强端节点,告诉它自己是没命名的,强主设备就接管这些设备,并像单个列车那样进行初运行。
如果两个主设备都是弱主设备,则拥有较多的已命名节点的弱主设备成为主设备。
如果两个弱主设备拥有同样数目的已命名的节点,由端节点决定哪方取胜。
仲裁进程保证总是有一个赢家。
(六)MVB容错
1.介质冗余技术
即使列车总线上的信息与安全无直接关系,列车总线上的故障也会导致列车不能正常运行。
对总线和节点来讲,多级冗余是期望的。
下面描述的是一个简单的介质冗余方案,这个方案中使用的是电缆重复,而不是节点重复。
为使冗余管理简单化,节点发送时总是在两条电缆上同时发送,接收时,只从一根电缆上接收。
每个设备都独立地选择自己的活动电缆线。
每个设备从一根电缆线上接收数据,同时监视另一根,检查它是否可操作。
为实现这一功能,译码器发“有效数据”信号。
这种节点的介质连接装置的每一根线都需要一个线路连接装置(图2-2-15)。
对进入节点的冗余信号的管理是实现问题。
2.主设备冗余技本
只有一个中心主设备容易引起故障。
冗余要求有一种多主设备结构来确保一个设备故障时,其他设备仍能正常工作。
尽管任何列车总线设备都可以作为主设备,至少可作为“弱主设备”,但把“监控列车功能分配给另一节点也是不可行的。
这是因为列车总线主设备跟综总线动作并接收控制信息,而其他设备不做这项工作。
切换到一个非当前的主设备上是危险的,但让其他主设备来监听总线获取信息却是可行,然而这样做要求有一个复杂而可靠的广播协议。
因为主设备在数据高度集中的司机室内,所以只有在司机室内复制一个主设备才是合理的,这两个主设备物理上是独立的(比如可以在机车的两边),并且通过直接相连实现同步(图2-2-16)。
后备主设备像主设备一样工作,但它不发送帧。
它监督主设备的动作,如果主节点出现故障,在一定时间内没有发送,后备主设备便进入一个恢复过程,并接管主设备的工作。
原则上,从设备无需后备,除非该从节点的功能十分迫切。
比如它的车厢具有牵引功能,在这种情况下,该从设备的冗余配置和主设备一样。
只有完全重复的配置才能提高利用率,这是因为把两条线连到同一节点上,引人了共模故障。
第二节ARCNET通信网络标准
一、ARCNET通讯协议
ARCNET是一种网络访问规程,于1977年由Datapoint公司制定。
ARCNET的数据传输速率可达2.5Mbit/S,最大传输距离可达6.4km;最多可支持255个节点互连,并可实现多主式连接,亦即可连成总线型和星型。
对于总线型,在不加中继器的情况下,可带8个节点,用同轴电缆作传输介质时,其最大传输距离为300m;若用双绞线作传输介质,最大距离约为120m。
ARCNET采用令牌传递(TokenPassing)实现介质访问,介质上有一个称为token(令牌)的特殊位串,它从低地址节点按序往高地址节点传递,而最高地址节点又往最低地址节点传递,这样逻辑上形成了一个环。
当一个节点获得令牌时,它有权发送信息,若无信息可发,则把令牌传到下一个节点。
这种方式十分类似令牌总线访问方法,它适合于实时小批量数据传输的场合。
由于ARCNET网具有效率高、节点进退网操作比较简单、实时性好等特点,用它作为列车通信网中的列车总线能够满足列车的特殊要求。
ARCNET通信线缆:
ARCNET采用同轴电缆,其规格遵循RG-62UARCNETConnector。
连接件为普遍采用的用于连接同轴电缆的BNC连接器。
过去曾普遍用于办公室自动化,经过优化,逐渐演变成了一种嵌入式网络技术。
该技术广泛运用于工业控制领域、智能楼宇、交通运输、机器人及电子游戏等领域。
在美国、欧洲特别是日本被广泛采用。
目前已售出多达千万个ARCNET节点。
ARCNETNIC(网络接口控制):
对于ARCNET网络,其上每一个节点都要由管理员指定一个MAC地址,这往往是一个主要的错误来源。
MAC地址的范围是0~255,因为该地址是由8位的拨码开关来设定的。
ARCNET是一种面向数据链路层的协议,没有定义应用层。
设计者应针对具体的应用自行设计应用层。
ARCNET基于令牌传递的协议,一个站只有获得令牌才能访问总线。
当一个站获得令牌,它可以向其他站发起一次传输,也可以向它的逻辑邻站传递令牌。
每得到令牌后只能发送一包数据。
所有总线上的站是平等的,共享总线带宽。
这样的机制避免了冲突,因此ARCNET用于实时系统具有明显的优点:
设计者可以准确预测每个站发送一条消息所需的时间。
这一点对于需要及时响应的控制系统或机器人来说尤其重要。
最初的物理层是双脉冲收发器,优化后速率为2.5Mbit/s,新一代的收发器体积更小,速率可达10Mbit/s。
ARCNET具有下列特点:
简单易用、可靠性高、性能好。
新型的ARCNET控制芯片非常小巧。
ARCNET体系结构如图2-2-17所示。
二、ARCNET工作机制
ARCNET局域网采用了优化的令牌总线协议(IEEE802.4),除了具有令牌总线网的一般特点外,还具有如下特点:
(1)网络中每个节点保存有下一个节点的逻辑地址,可以生成一个网络活动节点地址表。
(2)为了避免目的节点没有空闲缓冲区而引起信息的丢失,设置了空闲缓冲区查询帧,通过查询可以减少不必要的数据重传,提高了网络运行效率。
ARCNET是一个真正开放的标准协议,1999年成为美国国家标准ANSI/ATA878.1。
从OSI参考模型来看,它提供了网络的物理层和数据链路层服务,说明ARCNET能方便地在两个节点之间实现数据包的发送和接收。
(-)逻辑环的建立
在ARCNET网络中,每个节点均有一个唯一MAC(MediumAccessControl)地址,其取值范围为0~255,其中0是网络广播地址。
每个节点在系统初始化或重构时确定它在逻辑环中的下一个节点,并将下一个节点的ID值保存在各自专用的寄存器NID(NextID)中,并按MAC地址从小到大的顺序构成一个逻辑环路。
图2-2-18是一个典型的四节点逻辑环。
图2-2-18逻辑环的建立
令牌作为一组独特的信号序列,沿着逻辑环从一个节点传向逻辑邻居(而非物理邻居),因而与节点名在网络上的物理位置以及网络的拓扑结构无关。
(二)节点的进网或退网
当一个节点加电或840ms(2.5Mbit/s速率下)没有收到令牌时,它即发出一个重构脉冲,使总线终止一切活动,造成令牌丢失,从而引发系统重构,经过重构时间的多少取决于网上节点的多少和数据传输速率的大小,通常为20~30ms。
当一个节点由于故障或断电而退出网络时不需进行整个逻辑环的重构,因为当逻辑环的上一个下点(存有退网节点的ID值)向它发送令牌时,不能收到它的响应,因而令牌发送者将它的NID值加1重发令牌,直到收到响应,即找到逻辑环中一个新节点为止(实际上下一个新节点就是故障节点在原逻辑环的下一个节点),节点的退网也就完成。
根据现场实际情况,多数网络故障是节点故障,对于ARCNET即网络,只需该节点退网,即可保证网络中其他节点正常工作。
由于节点退网无需网络重构,因而网络故障恢复时间很短。
网络中节点的增加或退出都是由网络自动完成不需外界的介入。
(三)ARCNET帧结构
像以太网一样,ARCNET传输单位也称为帧。
帆结构如下所示。
(a)ITT帧
ALERTEOTDIDDID
(b)FBE帧
ALERTENQDIDDID
(c)ACK帧
ALERTACK
(d)NAK帧
ALERTNAK
(e)PAC帧
ALERTSOHSIDDIDDIDCPDATACRCCRC
ARCNET帧不管是哪种帧,都由ALERT引导,类似于Ethernet中使用的前导码。
ALERT由6bit间隔的传号(l)组成。
传号“1”由正脉冲后跟负脉冲组成的双脉冲表示。
空号“0”由无脉冲表示。
EOT是ASCII码中的传输结束控制符(04H)。
后跟的两个字节都是DID(终点标识符),即后继工作站的信息,重复使用DID的目的是增加可靠性。
(a)所示为邀请发送(ITT),令牌帧总是传递给它的后继工作站。
(b)是空闲缓冲器询问(FBE)帧。
ENQ是ASCII字符集中的询问字符(05H),它后跟的两个字节DID是想通过询问了解空闲缓冲器状态的工作站标识,DID重复使用也是为提高寻找终点工作站的可靠性。
ACK(确认)帧由ALERT和ACK组成,ACK是ASCII字符集中的确认字符(06H)。
当响应FBE帧而发送ACK时,表示接收工作站具有可供使用的缓冲器空间。
ACK帧所以没有DID字段,是因为这种帧是作为广播方式发送的,ACK帧如(c)所示。
NAK(否认)帧如(d)所示。
NAK是ASCII字符集中的否认字符(15H)。
当响应FBE帧而发送NAK时,表示接收工作站不具有可供使用的缓冲空间。
NAK帧也没有DID字段,其原因与ACK帧相同。
(e)所示为数据帧,帧中SOH(标题开始)是ASCII字符集中的标题开始字符(01H)。
SID(源点ID)和(终点ID)表示源点和终点工作站的地址。
CP(连续指针)字段指示工作站在存储器中找到的传输数据的起点,数据字段Data具有可变长度,处于l字节和508字节之间,用以携带用户数据。
2字节的CRC字段由发送站添加,用来保护Data字段。
(四)数据的接收和发送
ARCNET局域网的数据传输速率为156.25kbit/s~10Mbit/s,其用户数据的长度为0~507字节,有两种ARCNET数据帧模式,其中短帧模式用户数据的最大长度为253字节,长帧模式用户数据的最大长度507字节,只要按一定的格式将用户数据写入协议控制器内置的2KRAM中,在数据发送时,协议控制器会自动将其组织到ARCNET的数据帧中。
传输数据在协议控制器内置的2KRAM中的存放格式,如图2-2-19所示。
在数据传送的过程中,一旦源节点CPU将待发的用户数据写入协议控制器的内部RAM,在该节点持有令牌时,相当于接收到令牌传送帧(ITT,InvitationtoTransmit),首先向目的节点发送一个空闲缓存查询帧(FBE,FreeBufferEnquiry),查询目的节点是否有足够的接收缓存,目的节点如有,则
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