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（DEVICE BUS）（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／OSI 7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（Logic Link Control）子层和介质存取控制  MAC（ Medium  Access Control）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（Wire Train Bus， 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（ Multifunction  Vehicle Bus，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（Multifunction Vehicle Bus）
    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 2 000 m，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 2 ms。
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 20 m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 200 rn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 2.0 km，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。
其中两个主要的协议 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 9 bit起始位+数据+8 bit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（Process dat
a）、消息数据（message data）和管理数据（Supervlsory data）。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（Wired Train Bus）
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2-2-8  WTB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）。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。