本科讲座

1. 本科讲座 高速列车通信网络 谭献海 Email：xhtan@swjtu.edu.cn 2013年4月

2. Topics 列车通信网络

3. 列车通信网络- 列车通信网络(英语:Train Communication Network,简称TCN),是一种以计算机网络为核心的分布式网络控制系统,作为铁路机车车辆的控制、检测和诊断数据通信网络系统;

4. 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：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； 列车通信网络的作用

5. 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； 列车通信网络的特点

6. The IEC Train Communication Network IEC 61375 Introduction Train Bus Vehicle Bus Vehicle Bus Vehicle Bus History Choices Train Bus Vehicle Bus Architecture Real-Time Protocols Standardization in IEC Product development and installed base

7. 发展历程 列车网络控制系统作为现代列车的关键技术，已在世界范围内得到了广泛的应用。 1988年，受国际电工委员会第9技术委员会的委托，来自20多个国家以及UIC（国际铁路联盟）的代表组成的第22个工作组（WG22），共同为铁路设备的数据通信制定了一项标准。1999年6月，经过长达11年的工作，IEC/TC9/WG22在ABB公司的MICAS的基础上，以及西门子公司的DIN43322和意大利的CD50等运行经验的基础上制定的列车通信网络（TCN）标准——IEC61375正式成为国际标准。此标准的制定有利于铁路运输部门、装配厂和设备供应商实现世界范围的车辆间的相互操作和插入式设备的联接。

9. 列车通信网络的基本结构：两条总线组成的三层结构：列车通信网络的基本结构：两条总线组成的三层结构： 多功能车厢总线（MVB），连接车厢内部设备，能加快响应速度，通过双绞线或光纤可以达到1.5Mbit/s的速率。 绞线式列车总线（WTB），连接列车各车厢，可自动配置，在双绞线上传输的速率可以达到1Mbit/s。 列车级控制、车厢级控制、设备级控制三层结构。 列车通信网络的基本结构

10. 图 高速列车检测控制诊断系统递阶层次结构 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 牵引控制 车 厢 总 线 车 厢 总 线 车门控制 制动控制 空调控制 辅助控制 噪声控制 车速测量 轴温检测

11. IEC-61375-1 TCN。 IEEE1473 TCN/Lonworks TB/T 3035—2002 列车通信网络 列车通信网络国际上目前制定了两个相应的标准：国际电工委员会IEC61375－1：1999《铁道电气设备列车总线第1部分：列车通信网络》及美国电气与电子工程师协会IEEE1473：1999《列车通信协议》。 后者的内容范围包含了前者，它规定了两种类型的列车通信网络：T型和L型。T型为IEC61375－1999规定的TCN网络；L型为美国电子工业协会EIA709.1：1998《控制网络协议规范》及EIA709.3:1998《自由拓扑双绞线信道规范》规定的Lonworks网络。 TB/T 3035—2002 列车通信网络是参照上述两个国际标准，并结合国内铁道牵引的实际情况制定的。 由株洲电力机车研究所提出并归口。 由株洲电力机车研究所负责起草。 国际标准及我国铁路标准

12. IEEE1473允许协议设计组合

13. IEC 61375-1 Introduction IEC 61375 – 2 Real Time Protocols IEC 61375 – 3Multifunction Vehicle Bus (MVB) IEC 61375 – 4 Wire Train Bus(WTB) Train Communication NetworkIEC 61375

14. Real-Time Protocols stack All busses of the TCN obey to the same operation principles. The Train Communication Network follows the OSI model. Network Management. Real-Time Protocols All busses share common and Messages Variables Application Application Interface Interface Presentation Management TCN Network Real-Time Protocols Session common to all busses Transport Network Link Layer Interface Link Layer Multifunction Wire Train other Vehicle Bus Bus bus Physical Layer

15. IEC-61375-1 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：轮询式的，源寻址的广播数据； 消息数据：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。 表1 汇总了列车通信网络的特性

16. 表1 列车通信网络特性总汇

17. 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）。 时延 过程变量在整个网中传输的最大时延被限制在一有限值内： 过程变量按周期传送； TCN允许所有在车厢总线之间从应用到应用的具有最高优先级别的过程变量在100ms内通过列车总线传送； TCN允许所有在同一车厢内两个设备之间的从应用到应用的具有最高优先级别的过程变量在50ms内传送。 TCN概述

18. 拓扑 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； 一个典型的结构如图1所示。 图1 列车总线和车厢总线 列车总线和车厢总线通过一个作为网关的节点相连。 这种层次结构是概念上的：允许没有车厢总线的节点或附挂有几个车厢总线的节点。 注：这种结构还可以进行扩展，如增加一个传感器/执行机构总线作为第三层。这一层不属于标准的列车通信网络范围，因为它被视为与感应总线相附挂的车厢总线的一部分。 Train Bus Vehicle Bus Vehicle Bus Vehicle Bus TCN概述

19. 列车总线用于连接各种组成的列车中的各个车厢：列车总线用于连接各种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。 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。 这种介质必须满足UIC电缆或EP电缆（电气制动电缆）的要求。 列车总线

20. 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； 车厢总线

21. 一个设备上的单一故障不应影响其它无关设备的运行。适合以下几种情况：一个设备上的单一故障不应影响其它无关设备的运行。适合以下几种情况： 偶发性崩溃或数据丢失； 介质中断或短路； 由损坏的发送器引起的连续发送； 介质不可访问； 配置错误； 节点丢失或重组。 在结构改变或设备失效/重组时，具有22个车厢的列车总线的中断时间在1.0秒以内。 冗余级别将取决于应用的实际有效性需求。 有效性

22. 2. 多功能车厢总线（Multifunction_Vehicle_Bus，MVB）

23. MVB是特定用于连接同一车厢或不同车厢的标准设备到列车通信网络的车厢总线。它既提供了可编程设备之间的互连，也提供可编程设备与其传感器和执行机构之间的互连。MVB是特定用于连接同一车厢或不同车厢的标准设备到列车通信网络的车厢总线。它既提供了可编程设备之间的互连，也提供可编程设备与其传感器和执行机构之间的互连。 MVB支持最多4095个设备，其中有256个是能参与消息传送的站。 下图显示了在机车及旅客车厢内的MVB的应用。 2. 1 MVB概述

24. 2. 1 MVB概述 机车内的Multifunction_Vehicle_Bus（多功能车厢总线） 旅客车厢内的Multifunction_Vehicle_Bus（多功能车厢总线）

25. 运行时不解挂的列车，MVB也可作为列车总线使用。运行时不解挂的列车，MVB也可作为列车总线使用。 MVB传送三类数据： 过程数据（Process_Data）：周期小于1ms的源地址数据的周期性广播； 消息数据（Message_Data）：按需求、目标寻址的单播或广播； 监督数据（Supervisory_Data）：传输事件分解、主设备权传送、设备状态等数据。 2. 1 MVB概述

26. 多功能车厢总线总结

27. MVB提供三种不同的物理介质，它们以相同速率运行：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。 2.2 MVB物理层

28. 2.2.1 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。 2.2 MVB物理层 图 电短距离介质

29. 2.2.2 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。 2.2 MVB物理层 图 跨越三个车厢的MVB

30. 2.2.3 光介质OSC 光介质被推荐用于高电磁噪音的区域，例如机车。 电介质采用总线拓扑结构，而光介质通常采用星型拓扑。 当设备数目小到能够使用有源或无源的光三通抽头时，光介质也能总线式排列。 图 61 Vehicle（车厢总线）星型光耦合器的配置 2.2 MVB物理层

31. 2.2.4 总线段连接 一条总线可以包含电短距离段、电中距离段和光纤段，不同段之间互连使用中继器。 MVB用中继器能扩展到2000米。网络扩展受任意两设备间最大应答延迟时间（43ms）的限制。 2.2 MVB物理层 图 车厢总线拓扑

32. 2.3.1总线控制器（Bus_Controller） 总线控制器控制总线的访问。 总线控制器通过发送器和接收器附挂到两条冗余总线。 总线控制器包含编码器/译码器和通信存储（Traffic_Store）控制逻辑。 总线控制器译码到达帧并寻址通信存储。 2.3 MVB设备 图 总线控制器

33. 2.3.2 设备分类 MVB总线上的设备，根据其控制与通信能力分为5类： 0类设备不参与通信。中继器和星型光耦合器属于这类。 1类设备连接简单的传感器或执行机构，不可远程配置，无应用处理器。不参与消息通信。 2类设备自带应用处理器。可配置，能预处理信息，但处理程序固定。参与消息通信。 3类设备是可编程逻辑控制器PLC的完全站，有许多端口，典型是256个。 4类设备与2/3类设备相同，但提供更多服务。参与总线的管理与控制，典型4类设备有： 控制总线的总线管理器 网络管理器 连接厢总线和列车总线的网关。 2.3 MVB设备

34. 2.3.3 1类设备 1类设备是连接I/O设备的简单连接器，它们不带处理器。 在现场设备中，总线控制器直接控制输入和输出寄存器。端口包括16-bit寄存器。一个端口用于反映设备状态，少数几个端口用于输入/输出连接。 1类设备仅对有限的几个地址做出响应，这些地址是由设备地址派生的。 2.3 MVB设备 图 1类设备的总线接口

35. 2.3.4 2、3类设备 2.3 MVB设备 图 2、3类设备总线接口

36. 所有的介质都以1.5Mb/s的统一速度操作。 数据采用曼切斯特编码，该编码把数据和时钟结合在一起生成一个信号。“1”用在1bit单位中间的一个负跳变进行传输，“0”用一个正跳变传输。 Frame_Data（帧数据）以9-bit帧Start_Delimiter（开始定界符）打头，以8-bit Check_Sequence（校验序列）结束，如图 66。 2.4 MVB信号传输 Data数据；Clock时钟；Line Signal导线信号；Start_Delimiter开始分界符 Check_Sequence检测序列；End_Delimiter结束分界符。 图 66 帧分界符，曼切斯特编码数据和Check_Sequence（校验序列）

37. Start_Delimiter（源分界符）包含3个非曼切斯特编码（传送由1.5bit单元划分），以区别于数据比特序列。有两种分界符：一种用于Master_Frames（主设备帧），另一种用于Slave_Frames（从设备帧）。Start_Delimiter（源分界符）包含3个非曼切斯特编码（传送由1.5bit单元划分），以区别于数据比特序列。有两种分界符：一种用于Master_Frames（主设备帧），另一种用于Slave_Frames（从设备帧）。 Check_Sequence（校验序列）在最多64 bit数据上生成。更长的字需传送多个Check_Sequence（校验序列）字节。Check_Sequence（校验序列）使用高完整性IEC 60870-5-1算法，提供距离为4的汉明距。 为创建一个伪造的二进制位，1个比特单元的两个半波是反相的，因此曼切斯特编码提供了附加的完整性。 帧由End_Delimiter（结束分界符）结束，允许对帧尾部检测。 在光纤或RS-485传输中，End_Delimiter（结束分界符）简单包含至少一个二进制位时间，以使线路返回空闲状态。 然而，在中距离介质里为避免线路啸叫，End_Delimiter（结束分界符）有一个DC-free对称形状。 2.4 MVB信号传输

38. 有两种类型帧： Master_Frame（主设备帧），只由主设备（Bus_Administrator（总线管理器）之一）生成； Slave_Frame（从设备帧），由从设备在响应Master_Frame（主设备帧）时发送。 一个Master_Frame（主设备帧）及相应Slave_Frame（从设备帧）共同形成一个报文，如图 67 Telegram报文；Master_Frame主设备帧；Slave_Frame从设备帧；MSD=主设备开始分界符；ED=结束分界符；SSD=从设备开始分界符；CS=检测序列。 图 67 MVB报文 2.5 MVB帧格式

39. Master_Start_Delimiter（主设备源分界符）和Slave_Start_Delimiter（从设备源分界符）不同，以防止同步失败。Master_Start_Delimiter（主设备源分界符）和Slave_Start_Delimiter（从设备源分界符）不同，以防止同步失败。 Master_Frame（主设备帧）有一个固定的33 bits长度，包括： 9-bit Master_Start_Delimiter（主设备开始分界符）； 4-bit指明期望的Slave_Frame（从设备帧）类型和尺寸的F_code； 12-bit域用于地址或参数； 8-bit Check_Sequence（校验序列）。 所有的设备都对Master_Frame（主设备帧）译码。被寻址源设备用其Slave_Frame（从设备帧）回答，该从设备帧可被多个其他设备接收。 2.5 MVB帧格式

40. Slave_Frame（从设备帧）可以有5种可能的尺寸：33、49、81、153或297 bits，包括： 9-bit Slave_Start_Delimiter（从设备开始分界符）； 16到256 bits的数据； 对应各64bits序列的8-bit Check_Sequence(校验序列)，如图 68。 2.5 MVB帧格式 MSD=主设备开始分界符（9bit）CS=校验序列（8bit） F=F_code（F功能码）（4bit） ED=结束分界符 SSD=从设备开始分界符 图 68 Master_Frame（主设备帧）和Slave_Frame（从设备帧）格式

41. 下列计算用于解释怎样获得确定的定时。仅适用于Process_Data（过程数据）传输。因为事件仲裁、可能冲突和链路层开销的存在，使得Message_Data（消息数据）传输速率较低。下列计算用于解释怎样获得确定的定时。仅适用于Process_Data（过程数据）传输。因为事件仲裁、可能冲突和链路层开销的存在，使得Message_Data（消息数据）传输速率较低。 用于Master_Frame（主设备帧）的帧持续时间为T_m＝22.0μs，用于Slave_Frame（从设备帧）的帧持续时间为t_s（依赖于数据尺寸）。 在接收Slave_Frame（从设备帧）到发送下一个Master_Frame（主设备帧）之间的主设备延迟为t_sm＝3.0μs。源设备延迟设为t_source＝3.0μs。 两个连续的Master_Frames（主设备帧）之间的间隔t_mm在两种极端情况下的总线拓扑计算： （1）没有中继器的20m总线 t_mm＝0.24μs {2x T_pd} + 3.0 μs {t_source} + 3.0 μs {t_ms} + 22.0 μs {T_m}+ t_s＝28.0 μs + t_s; （2）有三个星型耦合器2000m总线，每两个耦合器之间有一个中继器 t_mm＝33.0μs {2xT_pd} + 3.0μs {t_source} + 3.0μs {t_ms} + 22.0μs{T_m} + t_s＝61.0μs + t_s。 表 7显示了总线吞吐量 2.6 MVB物理吞吐量

42. 2.6 MVB物理吞吐量 • 表 7 20m和2000m的MVB吞吐量（物理层） 第1列显示了Slave_Frame（从设备帧）中的有用位数。 第2列是一个报文内传输的bit数。 第3和第4列给出包括延迟在内传送一个报文所需时间。 第5和第6列显示了每个间隔（1/间隔）的报文数量。 纯数据传输率显示了传输的有用bit数（只在Slave_Frame（从设备帧）中），这些数是被报文间的间隔分开的。

43. 2.7 MVB报文 表 8 - MVB的F_codes（Master_Frame（主设备帧）类型） • 2.7.1 报文类型 • MVB中有16种报文类型，由Master_Frame（主设备帧）中的F_code区分，如表 8。

44. 2.7.2 Process_Data（过程数据）报文 响应包含F_code＝0..4和Logical_Address（逻辑地址）的Master_Frame（主设备帧）的Process_Data（过程数据）如图 69所示。 2.7 MVB报文 注：帧中的阴影部分抱括了帧的表示、分界符和Check_Sequences（校验序列）。 一个Process_Data帧由一个设备发送，但被所有其它设备接收。

45. 2.7.3 Message_Data（消息数据）报文 Message_Data（消息数据）是对包含F_code＝12和设备地址的Master_Frame（主设备帧）的响应，其长度固定为256 bits。 Message_Data（消息数据）包含一个供所有设备译码的12-bit目的地址。只有被选中的目的设备才接收该帧，如图 70： 2.7 MVB报文 注：帧中的阴影部分抱括了帧的表示、分界符和Check_Sequences（校验序列）。

46. 2.7.4 Supervisory_Data（监督数据）报文 Supervisory_Data（监督数据）帧是对F_code＝8、9、13、14或15的Master_Frame（主设备帧）的响应。其长度总是16 bits，如图 71所示： 特别的，F_code＝15读Device_Status（设备状态），主设备可以通过轮训获得设备状态以便检查。 2.7 MVB报文 注：帧中的阴影部分抱括了帧的表示、分界符和Check_Sequences（校验序列）。

47. Master_Frame（主设备帧）以及用来响应主设备帧的Slave_Frame（从设备帧）之间的间隔小于4ms。为了使从设备能够在接到主设备帧后4 ms内响应，Slave_Frames（从设备帧）应在发送前准备好，为此，设备将其数据放置在一个称为端口的寄存器中。每个设备都有其一定数量的端口，分别配置为源端口或流端口。 端口分为两类：物理端口和逻辑端口，通过Master_Frame（主设备帧）中的F_code来区分。 Logical_Port（逻辑端口）（F_code 0..4）： 每个设备实现若干个Logical_Port（逻辑端口），典型的是256个。在配置阶段，分别将它们设置为源端口或流端口，其尺寸规定为16、32、64、128或256 bits。这些端口由12-bit的Logical_Address（逻辑地址）标识（F_code＝0 ..4）。逻辑端口为Process_Data（过程数据）提供基础通信。 2.8 MVB端口

48. Physical_Port（物理端口）（F_code 8..15） 每个设备实现8个Physical_Port（物理端口），用于Supervisoryp_Data（监督数据）和Message_Data（消息数据）。除了Message_Data（消息数据）端口外，其他端口的尺寸都为16bits。 物理端口通过12-bit Device_Address（设备地址）和F_code＝8..15寻址。 256-bit消息端口（F_code＝12）仅用于Message_Data（消息数据）。只有Master_Frame（主设备帧）指定的设备才能作为Message_Data（消息数据）的源。所有其他设备将监视从设备帧，若自身的设备地址在Slave_Frame（从设备帧）的帧头中出现则接收该帧。与其它端口相反，消息端口的内容不会被改写，因为消息端口在以前的内容未取走时，拒绝接受新帧。 2.8 MVB端口

49. 一个MVB设备端口的例子如图 72所示。端口位于Traffic_Store（通信存储）中，这是一个可被Application_Processor（应用处理器）和Bus_Controller（总线控制器）所访问的共享存储器。 2.8 MVB端口

50. 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。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，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。 主设备可以按照某种预定顺序对端口进行周期性的轮询，如图 73。 2.9 MVB介质分配 Basic_Period基本周期；Periodic_Phase周期相；Sporadic_Phase偶发相。