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列车通信网络 Train_Communication_Network ， TCN

列车通信网络 Train_Communication_Network ， TCN. 定义列车网络层次结构. 列车运行自动控制. 列车故障诊断. 列 车 总 线. 机车控制. 车厢控制 1. 车厢控制 N. 。。。. 车 厢 总 线. 车 厢 总 线. 车 厢 总 线. 牵引控制. 车门控制. 制动控制. 空调控制. 供电控制. 辅助控制. 轴温检测. 车速测量. 制动控制. 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：

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列车通信网络 Train_Communication_Network ， TCN

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Presentation Transcript

  1. 列车通信网络Train_Communication_Network，TCN

  2. 定义列车网络层次结构 列车运行自动控制 列车故障诊断 列 车 总 线 机车控制 车厢控制1 车厢控制N 。。。 车 厢 总 线 车 厢 总 线 车 厢 总 线 牵引控制 车门控制 制动控制 空调控制 供电控制 辅助控制 轴温检测 车速测量 制动控制

  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 TB 中华人民共和国铁道行业标准 TB/T 3035-2002 列 车 通 信 网 络 Train Communication Network 2002-02-09发布 2002-07-01实施 中华人民共和国铁道部发布 • 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 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 I T型 T型 T型 II L型 T型 T型 III L型 L型 T型 IV L型 L型 L型

  9. TB/T 3035－2002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 I T型 T型 T型 II L型 T型 T型 III L型 L型 T型 IV L型 L型 L型

  10. 西门子公司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. 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/s 1.5Mbit/s 地址空间 8 bit地址 12 bit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256 bits 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

  15. 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。

  16. 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。

  17. 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；

  18. 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，星型连接或点到点方式下最大距离2000米。

  19. 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。

  20. ESD端接器接线

  21. ESD连接器布置

  22. ESD端接器的连接器布置

  23. ESD信号波形－帧开始示例

  24. 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54.0Ω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： • +1.5 V < (Up - Un) < +5.0 V，驱动54.0 Ω阻性负载时； • +1.5 V < (Up - Un) < +6.0 V，无负载时。 低电平，此时电压差(Up - Un)在以下范围内： • -1.5 V > (Up - Un) > -5.0 V，驱动为54,0 Ω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。

  25. 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-0.200V，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。

  26. ESD拓扑

  27. 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。

  28. 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。

  29. 收发器与传输介质的连接

  30. 设备与EMD的双线连接(冗余)

  31. EMD连接器的布置

  32. EMD帧起始示例

  33. 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。

  34. 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。

  35. MVB总线段连接(混合拓扑结构)

  36. 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。

  37. 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

  38. MVB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

  39. 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。

  40. 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)

  41. 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。

  42. MVB信号传输 以9-bit帧Start_Delimiter（源定界符）打头，以8-bit Check_Sequence（校验序列）结束

  43. 介质冗余

  44. 光纤介质冗余

  45. 主设备权的转移 令牌传送算法 ：

  46. 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：

  47. F_code（功能码） 报文类型 报文类型 0 16位过程数据请求帧 1 32位过程数据请求帧 2 64位过程数据请求帧 3 128位过程数据请求帧 4 256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) 12 256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 • MVB中有16种报文，由主设备帧中的F_code区分。

  48. Process_Data（过程数据）报文 • 对F_code＝0..4和Logical_Address的Master_Frame进行响应的Process_Data

  49. MVB帧长度

  50. Message_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256 bits。Message_Data包含一个供所有设备译码的12-bit目的地址。

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