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基于ARM的WTB和MVB网关的分析.pdf

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学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定,同意如下各项内容按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名落枫沏6年乌月f6日经指导教师同意,本学位论文属于保密,在 年解密后适用本授权书。指导教师签名 学位论文作者签名年 月 日 年 月 日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名蒋机砌6年五月t6日第1章绪论1.1课题研究背景及意义第1章绪论当今人类已经进入网络社会,计算机网络的迅猛发展正在改变着人们的工作和生活。铁路运输也不例外。在高速动车组中,由于控制和诊断的需要,须将列车中各车厢内由计算机控制的智能部件联网通信。尤其是近几年出现的地铁轻轨等高速城市轨道车辆,都需要装上列车通信网络,利用网络实现对车载设备的集散式监视、控制和管理,逐步实现列车控制的智能化、网络化和信息化。列车通信网络是面向控制的一种连接车载设备的数据通信系统,是分布式列车控制系统的核心组成部分。铁路列车以及地铁、城市轻轨列车对标准车载数据通信系统的需求也可以看作是整个工业界对标准的现场设备数据通信系统需求的一个缩影,是现代旅客列车研制中的一个重要课题““。国际电工委员会IEC联合国际铁路联盟UIC经过十年的工作制定了一个用于规范车载设备数据通信的标准IEC613751列车通信网络标准,即TCN标准。从而全球的列车通信网络有了一个相对一致的规范。现在许多机车车辆制造商,如Adtranz、Firema、Simens在他们的所有新项目中均以TCN为基础。列车通信网是一个局域网,在拓扑结构上采用总线型。它分为上、下两层,上层为列车总线,下层为车辆总线。列车总线用于连接不同车厢中的中央计算机,车辆总线用于连接同一车厢内各计算机部件。他们是两个独立的通信子网,具有不同的通信协议以及各自独特的技术特征。地铁等高速列车在客运高峰期需要经常改变列车编组,所以能够动态编组的WTB无疑是最适合的。每当列车组成改变时,列车总线各节点执行初运行过程,能够在电气上重新将各节点连接起来,并自动给每个节点分配连续的地址。可以说它是为高速列车量身定做的协议标准。而MVB是为快速过程控制而优化的总线,提供两种连接,一种是可编程设备之间的互联,一种是将这些设备与它们的传感器和执行机构互联,并且有最佳的响应速度,适合用作车辆总线。因此,为了使列车通信网络能够正常工作,发挥他们各自的优势,在两个网络间必须有一个进行协议转换的网关。我国列车通信网络的开发应用落后于欧洲。虽然国内已有很多部门已投入第1章绪论这一领域的研究和开发,但是目前这种技术并没有普及,很多的列车通信网络产品还是从国外购买的。这样,一方面由于购买价格昂贵,给批量生产带来困难,限制了我国列车通信网络的发展;另一方面,由于不了解国外产品的内核,给产品维护和升级带来很大困难。而且,在一定程度上我们的发展将受制于国外技术水平的提高。基于此,这一课题的研究对于列车通信网络国际标准在我国的推广以及加速我国机车控制系统结构开放化和标准化的进程有着积极的意义。1.2列车通信网络标准及其功能1.2。1列车通信网络标准列车控制、检测和诊断系统是应用多种总线技术把分布于各车厢内部、独立完成特定功能的计算机互联起来而形成的一种工业局域网,以实现资源共享、协同工作、分散监测和集中操作等目的。这个系统是以计算机网络为核心,把计算机技术、控制技术、设备故障诊断技术、网络通信技术紧密结合起来形成列车控制、诊断信息数据通信网络,简称列车通信网络。列车通信网络将整个列车微机控制系统的各层次以及各层次中的各单元连接起来,作为系统信息共享和交换的渠道,实现全列车环境下的信息交换o“”。1988年,IEC第九技术委员会TC9成立了第22工作组WG22,其任务是制订一个开放的通信系统,从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂,并且车上的可编程电子设备能够互换。1992年6月,TC9 WG22以委员会草案CDCommittee Draft的形式向各国发出列车通信网TCN的征求意见稿,该稿分成四个部分第一部分总体结构第二部分实时协议第三部分多功能车辆总线MVB第四部分绞线式列车总线WTB1998年11月,在中国湖南株洲召开IEC年会。1999年6月,TCN标准草案61375一l正式成为国际标准。在IEC 613751中,除了以上四个部分外,还增加了第1章绪论第五部分列车网络管理附录A 列车通信网导引附录B 一致性测试导则“”TCN标准对推动铁路技术进步具有重要意义。TCN为各种列车上的应用提供了一个标准的通信平台,使简单廉价的设备同复杂的车载计算机协作,共同构成真正的分布式控制系统。标准的列车通信平台使得新的设备和服务的出现更为容易,进而增强了铁路的竞争力。1.2.2列车通信网络标准的功能列车通信网的主要功能是作为沟通各个控制、诊断单元的信息通道,实现信息交流,从而达到控制的统一和资源共享的目的。用于控制和诊断的列车通信网的结构、介质、信号编码、数据格式、容错技术、通信控制及协议等均适应现代列车对控制、诊断等的要求。1.3列车通信网络在国内外的发展1.3.1列车通信网络的国外发展概况70年代末80年代初,车载微机的雏形分别在西门子公司和BBC公司出现。开始仅仅是用于传动装置的控制,随着控制、服务对象的增多,人们把铁道系统依次划分为6个层次,公司管理、铁路运营、列车控制、机车车辆控制、传动控制和过程驱动,于是列车通信网络在初期的串行通信总线的基础上应运而生,并从原来不同公司的企业标准推向国际标准,逐步形成了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列和全方位的开发、调试、维护、管理软件工具。TCN标准是由成熟的技术演变过来的,早在其出台以前,TCN技术就已经在各种铁道机车车辆上面得到了应用。标准制订后,更得到了世界各国的广泛支持,许多国际主要铁路机车车辆及设备企业如BombardierADtranz、Siemens、UniConlxol等相继出现了大量符合TCN标准的产品。表1.1列出了为一些国外企业的相应TCN产品。第1章绪论表1.1国外TCN网络设备列表公司 产品BOMBARDⅢR MVBC-01,MVB boards,TCN gatewayDOT SYSTEM MVB boards,MVB displaysDUAGON MVB/CAN gateway,MVB Bus AdministratorEKE Electronics TMS,TCN gatewayFAR SYSTEMS TCN Gateways,MVB boardsHUBERSUHNER MVB cableKoNTRON TMS,MVB/VME boardsMENG ENGⅣEERING MVB/AF 100 interface boardSELECTRON MVB/CAN gatewaySIEⅣ【ENS MVBCS1,MVB boards,TCN gmewayUNICONTROLS WTB/VME boards,MVB/VME boards1.3.2列车通信网络的国内发展概况90年代中期,随着动车组在我国升温,对列车通信网络特别是在动车的控制通信方面的需求十分迫切。因此铁道部开展了列车通信网络研究课题,国内外许多单位先后自发地开展了自我开发、联合开发或技术引进工作。这些工作主要在现场总线、TCN、基于RS485的通信协议等领域展开。如株洲电力机车研究所与原上海铁道大学合作开发的基于ARCNET的列车总线和基于HDLC的车辆总线的列车通信网络的研究;大同机车厂对列车通信网络结构及其协议的研究和对BITBUS的研究;株洲电力机车研究所的基于FSK的列车通信网的研究[_7】[8]。目前,上海轮轨电气技术有限公司与同济大学电力牵引控制研究所合作已经研制出了拥有自主知识产权的MVB网卡、WTB网卡、MVB/485网关等TCN设备。其他国内TCN网络研发单位也在不断的对自己的TCN设备进行创新和维护。“中华之星”高速列车是我国自行研制的具有自主知识产权的动力集中式交流传动车组。整列车采用分布式列车计算机控制与网络系统,按功能主要划分为列车级、车辆控制级、传动控制级。列车总线采用WTB,车辆总线采用MVB。每节车均设有一个WTB节点,各节点通过WTB列车总线连接起来。1。随着我国列车通信网络的发展,国产的列车通信与控制系统已经能够满足第1章绪论国内各种列车通信网络的基本要求。但目前我国在列车通信网络方面的研究较一些发达国家还有一定差距,自行研制的列车通信网络产品其实用性和可靠性还有待于时间的检验。TCN国际标准的制定为我国铁路计算机通信技术提供了良好的技术基础和科学的发展方向。为此,在基础研究方面,还应当继续加强,以推动我国列车通信网络的进一步发展。1.4 TON与现场总线现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。TCN将列车通信网络分成wTB网络和MVB网络。从某种程度上来看,WTB和MVB也可以被认为是应用于列车上的现场总线标准,它们都从现场总线技术的发展中汲取了丰富的营养。因此,将TCN的WTB和MVB同其他现场总线标准进行对比研究有利于更好地理解这两种总线。目前发展比较成熟的有LonWorks、WorldFIP、CAN等总线协议”“”。1.4.1列车车载数据通信中应用的几种总线1.LonWorks总线LonWorks是美国Echelon公司开发的一种通用控制网络协议,也是美国国家标准ANSI/EIA709.1.1998。LonWorks在美国铁路列车上应用较为广泛,国内铁路车辆也在尝试应用。LonWorks使用的LonTalk协议实现OSI参考模型全部7层服务,并支持全面的网络管理。1。2.WorldFip总线WorldFIP是欧洲现场总线标准EN50170的一部分,作为通用的现场总线标准被广泛地应用于能源、化工、交通运输等工业领域。法国ALSTOM公司将WorldFIP作为标准通信协议应用于其开发的AGATE列车控制系统,并成功应用于TGV高速列车。WorldFIP采用3层结构,提供变量服务、消息服务和网络管理服务”。3.CAN总线CAN总线最初是由德国BOSCH公司从80年代为解决现代汽车中众多的控第1章绪论制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,是一种多主总线,获得了非常广泛的应用。CAN取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。信号传输介质为双绞线“。1.4.2 TCN与通用现场总线的比较针对以上几种现场总线在介质访问、寻址方式、通信服务种类、编组自适应能力以及可靠性和可管理性等方面进行比较,具体内容见表1.2。表1.2几种现场总线比较比较对象 WTB与m LonWorks WorldFIP CAN土一从方式,总线 改进CSMA/CD介 主~从方式,带宽 CSMA方式,但将带宽分为周期性的 质访问控制协议, 由总线仲裁器集中 网络上数据分成不介质访问控制 同定分配部分周 即P.坚持CSMA 控制,同样采用周 同的优先级。期相和按需分配 期性分配。的部分偶发相。1、过程变量采用逻 1、设备地址,分为 1、变量采用16位 变量逻辑地址,消辑寻址WTB8位, 域、子网和节点3 全局逻辑标示; 息内容标上唯一标MVBl2位,广播 个层次; 2、消息数据采用 识,所有与特定消寻址方式发送; 2、物理地址,独一 24位网络地址 息内容相关节点识2、消息数据采用网 无二的48位ID地 3、网络管理采用应 别该标识并接收消络地址16位。 址,由制造商确定。 用标签。 息。l、变量服务,支持 1、确认消息服务 1、变量服务,支持 没有定义应用层,单独和成组访问; 2、非确认服务; 周期和非周期; 链路层提供消息内通信服务种类 2、消息服务,支持 3、非确认重复消息 2、消息服务.在链 容相关寻址能力,呼叫,应答和多播 服务 路层支持确认和非 消息内容完全由应消息通信。 4、认证消息服务。 确认消息传输。 用解释。编组自适应能力 WTB具备 不具备 不具备 不具备具备彳r质、主设备 单点故障对其他网 具各介质、主设备 单点故障对其他网可靠性和可管理性 冗余能力和网络管 络通信没影响,具 冗余能力和网络管 络通信没影响.无理能力。 有网络管理能力。 理能力。 网络管理能力。总体来讲,作为通用的现场总线,LonWorks、WorldFIP和CAN可以在列车6第1章绪论控制系统的通信中找到合适的应用。WTB用作编组经常改变的列车的列车总线无疑是最合适的,其他的总线都不具有编组自适应能力。MVB能提供最佳的响应速度,适合用作车辆总线。对于固定编组的列车,MVB也可以用作车辆总线。此外MVB也可被应用于其他需要快速响应的工业控制网络。WorldFIP是一种优秀的通用现场总线,可代替MVB。LonWorks是一种在实时性、灵活性和安全性等方面采取折中、平衡后而获得的现场总线,但用于时间关键的应用中要经过仔细的设计和验证。CAN总线简单可靠,但是实时性需要设计和验证,并缺乏消息传输能力,传输距离也受限““。1.5本章小结本章简单描述了列车通信网络的架构和功能,以及对其进行研究的意义。列车通信网络中WTB和MVB两个网络是本论文研究的重点。在此基础上,本章还介绍了列车通信网络在国内外的发展,并进一步将IEC613751与几种通用的现场总线作了比较。第2章列车通信网络2.1 TCN的体系架构第2章列车通信网络列车通信网是一个局域网,在拓扑结构上采用总线型。它分为上、下两层。上层为用于连接机车上各车辆的绞线式列车总线WTB,下层为用于连接车辆内部各种设备的多功能车辆总线MvB。列车总线由各个车厢内固定安装的物理传输介质通过车厢之间的互联而构成。每个车厢内设一个网关通信节点,列车总线通过该节点与车辆总线相连。列车通信网络的结构见图2.1““。图2.1列车通信网两极拓扑结构列车通信网络根据自身特点,在ISO/OSl7层模型基础上进行了优化和简化。作为局域网,列车通信网络节点功能固定,故只涉及了网络中的下两层和应用层。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。列车通信网的层次结构模式如图2.2所示“。列车总线和车辆总线提供相同的数据传送服务。但由于它们担任的角色不同因而技术上也不同。开式列车的列车总线能为它们节点命名和决定取向,这需要附加的硬件和软件,这对车辆总线是多余的。车辆总线比列车总线有更严格的定时,车辆总线的响应时间大约比列车总线快十倍。WTB和MVB各自具有不同的物理层和数据链路层,它们共同遵守实时协议RTPReal.Time Portocols。RTP为一个应用与另一个应用能够在列车通信网络上透明的通信提供协议和服务。为此,RTP需要使用网关来连接不同的总线,提供过程变量和消息两类服务。在RTP协议基础上,TCN定义了列车通信网络
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