1、列車網絡控制技術一、網絡控制系統概述1.1 1.1 基本概念基本概念 廣義上，廣義上，被稱為基于網絡的控制系統，是一種完全網絡化、分布化的控制系統，通過網絡構成閉環的反饋控制系統。 狹義上，狹義上，是以網絡為基礎，實現傳感器、控制器和執行器等系統各部件之間的信息交換，從而實現資源共享、遠程檢測與控制。列車網絡控制技術一、網絡控制系統概述 1.1 1.1 產生和發展產生和發展 （1 1）集中控制（模擬控制系統）集中控制（模擬控制系統）- -需求：遠距離傳輸需求：遠距離傳輸 （2 2）直接數字控制，）直接數字控制，計算機集中控制，不可靠；計算機集中控制，不可靠； （3 3）集散控制系統（）集散控制

2、系統（DCSDCS）- -“集中管理，分散控制集中管理，分散控制” 結構為多級主從關系，設備通信系統必須通過主機進行，系結構為多級主從關系，設備通信系統必須通過主機進行，系統容易崩潰；統容易崩潰； 現場儀表大多采用模擬信號，可靠性差現場儀表大多采用模擬信號，可靠性差; ; 標準不統一；標準不統一； （4 4）現場總線控制系統（）現場總線控制系統（FCSFCS），公開化、標準化，全分布式結），公開化、標準化，全分布式結構構 現場總線標準種類過多，難以整合；現場總線標準種類過多，難以整合； 本質安全、數據傳輸、可靠性存在一定瓶頸；本質安全、數據傳輸、可靠性存在一定瓶頸； （5）工業以太網控制系統（

3、）工業以太網控制系統（FCS），全開放、全數字、標準化，），全開放、全數字、標準化，實時實時性，安全性，環境適用性。性，安全性，環境適用性。列車網絡控制技術一、網絡控制系統概述 1.3 1.3 控制網絡和信息網絡的區別控制網絡和信息網絡的區別信息網絡：信息網絡：指已在辦公和通信等領域廣為采用的、由包括PC在內的各種計算機及網絡連接構成的系統。特點：（特點：（1 1）瞬間數據量大，支持各種數據；）瞬間數據量大，支持各種數據； （2 2）發生頻率較低；）發生頻率較低； （3 3）實時性沒有苛刻的限制；）實時性沒有苛刻的限制；控制網絡：控制網絡：控制系統向開放化、智能化與網絡化發展所形成的一種特殊網

4、絡，直接面向生產過程和控制過程，肩負這工業一線測量與控制信息傳輸的特殊任務。 要求實時性與確定性、高可靠性與安全性、惡劣環境適應性、總線供電與本質安全等特殊要求。列車網絡控制技術一、網絡控制系統概述 1.3 1.3 控制網絡和信息網絡的區別控制網絡和信息網絡的區別 控制網絡和信息網絡的區別主要體現在：控制網絡和信息網絡的區別主要體現在： （1）短幀信息，交換頻繁； （2）周期（測量與控制）與非周期信息（如報警）同時存在； （3）實時性強； （4）方向性強； （5）順序性好； （6）環境適應性強； （7）廣播通信方式，（信息網絡：點對點） （8）需解決一致性和互操作性問題（信息網絡：互聯互通問題

5、） 區分信息網絡和控制網絡的關鍵因素是看網絡是否具有支持實時應用的能力！列車網絡控制技術二、列車通信網絡的任務與功能（1）實現各動力車的牽引重聯控制（2）實現全列車（動車和拖車）所有由計算機控制的部件聯網通信和資源共享（3）實現全列車的制動控制、自動門控制、軸溫監測及空調控制等功能（4）完成全列車的自檢及故障診斷決策 將分布于列車上不同位置具有不同功能的控制節點（計算機控制單元）以一定的規則用通信介質連接起來，形成信息通道；在一定的計算機軟、硬件的支持下，為連接于其上的節點提供穩定、可靠的通信服務。列車網絡控制技術二、國內外列車控制系統的現狀與發展 20世紀70年代末至80年代初，車載微機的雛

6、形分別在西門子公司和BBC公司出現。開始僅僅是用于傳動裝置傳動裝置的控制。 1999年6月,TCN標準草案正式成為國際標準，即IEC61735。列車網絡控制技術三、列車通信網絡的構成、特點及發展趨勢 列車通信網絡是列車總線和車輛總線的二層結構，列車總線連接不同的車輛或動車組單元，貫穿整個列車；車輛總線連接車輛內部的控制單元或診斷單元等智能裝置，車輛總線通過網關（或類似的裝置）掛接于列車總線上。1 1、列車通信網絡的結構、列車通信網絡的結構列車網絡控制技術(1) 實時性；(2) 協議簡單性；(3) 短幀信息傳送；(4) 信息交換的頻繁性、網絡負載的穩定性；(5) 較高的安全性、容錯能力；(6)

7、低成本需要。 列車通信網絡是用于列車這一流動性大、環境惡劣、可靠性要求高、實時性強、與控制系統緊密相關的特殊的計算機網絡。2 2、對列車通信網的要求、對列車通信網的要求列車網絡控制技術現代列車控制系統主要是基于網絡技術的控制系統，比如Siemens的SIBAS 32SIBAS 32鐵路自動化系統、ADtranz公司(現已被Bombardier公司收購)的MITRACRMITRACR列車通信和控制系統、Alstom公司的A- GATERA- GATER控制系統以及日本三菱、東芝公司的 TCMS TCMS 列車控制監視系統。 近年來，隨著用戶對控制網絡的開放性、性價比等要求的提高, 以及基于網絡的

8、遠程診斷與維護、旅客信息與舒適性支持等新需求的提出, IEC TCNIEC TCN列車通信網絡，列車通信網絡，WorldFIPWorldFIP， LonWorksLonWorks，CANCAN，工業以太網以及無線網絡等技術都在車載控制系統中找到了它們最合適的應用場合, 控制網絡在列車上的應用將呈現出多種技術并存、相互競爭和融合的局面。 四、列車網絡技術應用現狀列車網絡控制技術 1 1、局面上、局面上 由于各種控制網絡都有其優缺點,目前還沒有一種控制網絡能很好地滿足鐵路用戶的所有應用需求。因此,在將來,列車網絡技術標準和IE C61158工業現場總線標準一樣, 將不再是僅包含一種技術的標準,而是

9、多種網絡技術的融合。列車控制網絡技術今后的發展將呈以下趨： 1) 1) 相互競爭相互競爭, ,多種網絡技術并存；多種網絡技術并存； 2) 2) 相容并蓄相容并蓄, ,多種網絡共存于一個系統中；多種網絡共存于一個系統中； 3) 3) 異軍突起異軍突起, ,工業以太網的引入將成為新的熱點。工業以太網的引入將成為新的熱點。五、列車網絡發展趨勢列車網絡控制技術(1) 為改善控制性和確保可靠性，在中央裝置和各終端裝置已分別采用復數的3232位位CPUCPU代替了早期單一的8 8位CPUCPU，以安全控制為中心的列車運行監測還要不斷提高其可靠性和響應性。(2) 進一步發展具有診斷功能的監測裝置，其關鍵技術

10、是信息傳輸系統（傳輸通道、傳輸速度、控制方式等）。由于列車的運行環境使有線和無線傳輸系統容易受到潛在的電磁干擾影響，如果采用光纖通訊光纖通訊，則可不受電磁干擾。(3) 實現標準化和無維修化等。2 2、技術上、技術上列車網絡控制技術一、一、通信系統概述通信系統概述1、基本概念、基本概念(4) (4) 信道信道信道是傳輸信號的通道，由傳輸介質及相應的附屬信號設備組成。信道可分為邏輯信道和物理信道。信道可分為邏輯信道和物理信道。一條線路可以是一條信道（一般稱為物理信道），但這條線路上可以有多條邏輯信道，如一條光纖可以供上千人通話，就有上千個邏輯信道。通常所講的信道都是指邏輯信道。根據信道傳輸的信號不

11、同，將其分為模擬信道和數字信道。(5) (5) 帶寬帶寬 數據信號傳送時信號的能量或功率的主要部分集中的頻率范圍能量或功率的主要部分集中的頻率范圍稱為信號寬帶。若通信線路不失真地傳送2MHz或10MHz的信號，則該通信線路的帶寬為2MHz或10MHz。信道上能夠傳送信號的最大頻率范圍稱信道的帶寬，信道帶寬大于信號帶寬。(6) (6) 總線總線 總線是將信息以一個或多個源部件傳送到一個或多個目的部件的一組傳輸線。通俗的說，就是多個部件間的公共連線，通俗的說，就是多個部件間的公共連線，用于在各個部件之間的傳輸信息。人們常常以MHz來描述總線頻率。列車網絡控制技術2、通信系統的組成、通信系統的組成信

12、息源編碼調制傳 輸介 質解調譯碼接收者發 送 設 備 接 收 設 備噪 聲 干 擾 將復雜網絡間設備通信簡化，可以得到以下的簡單的單向數字通信模型數字通信模型。列車網絡控制技術14 （2）發送設備）發送設備 發送設備的基本功能是將信息源和傳輸介質匹配起來，即將信息源產生的消息信號經過編碼，變換為便于傳送的信號形式，送往傳輸介質。 對于數字通信系統來說，發送設備的編碼常常又可分為信道編碼信道編碼與與信源編碼信源編碼兩部分。信源編碼是把連續消息變換為數字信號；而信道編碼則是使數字信號與傳輸介質匹配，提高傳輸的可靠性或有效性。變換方式是多種多樣的，調制是最常見的變換方式之一。列車網絡控制技術曼徹斯特

13、編碼（曼徹斯特編碼（manchestermanchester EncodingEncoding）：這是一種常用的基帶信號編碼。它具有內在的時鐘信息，因而能使網絡上的每一個系統保持同步同步。在曼徹斯特編碼中，時間被劃分為等間隔的小段，其中每小段代表一個比特。每一小段時間本身又分為兩半，前半個時間段所傳信號是該時間段傳送前半個時間段所傳信號是該時間段傳送比比特值取反碼，后半個時間段傳送的是比特值本身。特值取反碼，后半個時間段傳送的是比特值本身。可見在一個時間段內，其中間點總有一次信號電平的變化。因此攜帶有信號傳送的同步信息同步信息而不需另外傳送同步信號。二、數據編碼二、數據編碼步驟步驟：（：（1

14、1）采樣、（）采樣、（2 2）量化、（）量化、（3 3）編碼）編碼列車網絡控制技術數據編碼數據編碼類型：類型： 模擬數據編碼模擬數據編碼 ：模擬數據編碼采用模擬信號來表達數據的0，1 狀態。幅度、頻率、相位描述模擬信號的參數，可以通過改變這三個參數，實現模擬數據編碼。幅度鍵控ASK（amplitude-sheft keying）、頻移鍵控FSK（frequency-sheft keying）、相移鍵控PSK中(phase-shift keying）是模擬數據編碼的三種編碼方法。列車網絡控制技術三三、信號的傳輸方式、信號的傳輸方式1.串行和并行串行和并行：按每次傳送的數據位數，傳輸方式可分為：并

15、行傳輸和串行傳輸兩種。2.異步傳輸和同步傳輸異步傳輸和同步傳輸 在串行通信中，數據是一位一位依次傳輸的，同步問題尤為重要，因為比特的傳送和接收是通過采用定時時鐘來完成的。發送方利用它的時鐘來決定每個數據位的起始和結束。在接收方時鐘被用來確定對信號進行采樣取值的位置和間隔時間。列車網絡控制技術三三、信號的傳輸方式、信號的傳輸方式基帶傳輸基帶傳輸：基帶傳輸就是在數字通信的信道上直接傳送數據的基帶信號，即按數據波的原樣進行傳輸，不包含有任何調制，它是最基本的數據傳輸方式。特點特點：信號按位流形式傳輸，整個系統不用調制解調器，這使得系統價格低廉。它可采用雙絞線或同軸電纜作為傳輸介質，也可采用光纜作為傳

16、輸介質。與寬帶網相比，基帶網的傳輸介質比較便宜，可以達到較高的數據傳輸速率（一般為1Mbps10Mbps），但其傳輸距離一般不超過25km，傳輸距離越長，質量越低。基帶網中線路工作方式只能為半半雙工方式雙工方式或單工方式單工方式。載波傳輸載波傳輸：載波傳輸采用數字信號對載波進行調制后實行傳輸。最基本的調制方式有上述的幅度鍵控（ASK）頻移鍵控（FSK）相移鍵控（PSK）三種。列車網絡控制技術五五、差錯控制技術差錯控制技術1.差錯的產生差錯的產生 所謂差錯就是在數據通信中，接收端接收到的數據與發送端實際發出的數據出現不一致的現象。差錯的產生是由噪聲引起的。根據產生原因的不同可把噪聲分為兩類：熱噪

17、聲和沖擊噪聲。四四、通信方式、通信方式列車網絡控制技術五五、差錯控制技術差錯控制技術2. 差錯控制編碼差錯控制編碼 (1) 奇偶校驗碼：奇偶校驗碼又稱奇偶監督碼，也叫垂直冗余校驗（VCR，Verticial Redundancy Check），是最簡單、最常用和費用最低的差錯檢錯碼。其特點是構成簡單，而且插入的冗余又低。因此，在實際通信系統中應用最多。奇偶校驗編碼只需在信息碼后加一位校驗位（或稱監督位），使得碼組中“1”的個數為技術或偶數即可。兩種編碼的原理相同，效果也相同。在這種編碼中，無論信息位有多少，監督位都只有一位。偶校驗奇校驗列車網絡控制技術五五、差錯控制技術差錯控制技術2. 差錯控

18、制編碼差錯控制編碼 (2) 方正校驗碼：方正校驗碼也稱行列監督碼或縱向冗余校驗碼（LRC，Lognitudinal Redundancy Check），它的碼元受到行和列兩個監督，行列監督碼是二維的奇偶監督碼，這種碼可以克服奇偶監督碼不能發現偶數個差錯的缺點，并且是一種用以糾正突發差錯的簡單糾錯編碼特點： 可以克服奇偶監督碼不能發現偶數個差可以克服奇偶監督碼不能發現偶數個差錯的缺點；錯的缺點； 常用于糾正突發性出錯，但長度有限；常用于糾正突發性出錯，但長度有限； 可使誤碼率降到原來的可使誤碼率降到原來的1%0.01%； 不能糾正差錯數正好是不能糾正差錯數正好是4的倍數，求位置的倍數，求位置在矩

19、形的在矩形的4個角的差錯。個角的差錯。列車網絡控制技術五五、差錯控制技術差錯控制技術2. 差錯控制編碼差錯控制編碼 (3) 循環冗余校驗碼（CRC）：通信中用得最廣泛的校驗碼是一種漏檢率很低，也便于實現的循環冗余碼（CRC，Cyclic Redundancy Code），CRC碼又稱多項式碼。 基本原理：基本原理： CRC檢驗原理實際上就是在一個k位二進制數據序列之后附加一個r位二進制檢驗碼(序列)，從而構成一個總長為nkr位的二進制序列；附加在數據序列之后的這個檢驗碼與數據序列的內容之間存在著某種特定的關系。如果因干擾等原因使數據序列中的某一位或某些位發生錯誤，這種特定關系就會被破壞。因此，

20、通過檢查這一關系，就可以實現對數據正確性的檢驗。 列車網絡控制技術五五、差錯控制技術差錯控制技術2. 差錯控制編碼差錯控制編碼 (3) 循環冗余校驗碼（CRC）：通信中用得最廣泛的校驗碼是一種漏檢率很低，也便于實現的循環冗余碼（CRC，Cyclic Redundancy Code），CRC碼又稱多項式碼。 任何一個n位的二進制數都可以用一個n-1次的多項式來表示： （1） 二進制編碼多項式的加減運算為模2加減運算，即兩個碼多項式相加時，對應項系數進行模2加減，所謂模2加減就是個位都不帶進位，借位的按位加減。這種加減運算實際上局勢邏輯上的異或運算，即加法和減法等價。（2）12101210(x)B

21、BnnnnBXBXXB X121221(X)(X)(X)(X)(X)(X)BBBBBB列車網絡控制技術五五、差錯控制技術差錯控制技術2. 差錯控制編碼差錯控制編碼 (3) 循環冗余校驗碼（CRC） 二進制碼多項式的乘除法運算與普通代數多項數的乘除法運算是一樣的，符合同樣的規律。 （3） 表征CRC碼的多項式成為生成多項式G(x)（4）=122(X)/(X)Q(X)R(X)/ B (X)BBB(X)/G(X)Q(X)R(X)/G(X)rX(X)R(X)Q(X)G(X)rX B(X)R(X)Q(X)G(X)V(X)rX B列車網絡控制技術CRC的工作原理列車網絡控制技術五五、差錯控制技術差錯控制技

22、術2. 差錯控制編碼差錯控制編碼 (3) 循環冗余校驗碼（CRC） 1、幀檢驗序列FCS（Frame Check Sequence）：為了進行差錯檢驗而添加的冗余碼。2、多項式模2運行：實際上是按位異或(Exclusive OR)運算，即相同為0，相異為1，也就是不考慮進位、借位的二進制加減運算。如：10011011 + 11001010 = 01010001。3、生成多項式（generator polynomial）：當進行CRC檢驗時，發送方與接收方需要事先約定一個除數，即生成多項式，一般記作G（x）。生成多項式的最高位與最低位必須是1。常用的CRC碼的生成多項式有：CRC8=X8+X5+

23、X4+1CRC-CCITT=X16+X12+X5+1CRC16=X16+X15+X5+1CRC12=X12+X11+X3+X2+1CRC32=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X1+1每一個生成多項式都可以與一個代碼相對應，如CRC8對應代碼：100110001。列車網絡控制技術五五、差錯控制技術差錯控制技術2. 差錯控制編碼差錯控制編碼 (3) 循環冗余校驗碼（CRC） 錯誤檢測：錯誤檢測： 當接收方收到數據后，用收到的數據對P（事先約定的）進行模2除法，若余數為0，則認為數據傳輸無差錯；若余數不為0，則認為數據傳輸出現了錯誤，由于

24、不知道錯誤發生在什么地方，因而不能進行自動糾正，一般的做法是丟棄接收的數據。幾點說明：幾點說明： CRC是一種常用的檢錯碼，并不能用于自動糾錯。 只要經過嚴格的挑選，并使用位數足夠多的除數 P，那么出現檢測不到的差錯的概率就很小很小。 僅用循環冗余檢驗 CRC 差錯檢測技術只能做到無差錯接受（只是非常近似的認為是無差錯的），并不能保證可靠傳輸。列車網絡控制技術五五、差錯控制技術差錯控制技術3. 差錯控制方法差錯控制方法 (1) 反饋重發檢錯方法 反饋重發檢錯方法又稱自動請求重發（Automatic Repeater Quest，ARQ），是利用編碼的方法在數據接收端檢測差錯。當檢測出差錯后，設

25、法通知發送數據端重新發送數據，直到無差錯為止，如圖所示。ARQ方法只使用檢錯碼。列車網絡控制技術五五、差錯控制技術差錯控制技術3. 差錯控制方法差錯控制方法 （2）前向糾錯方法。 前向糾錯方法（Forward Error Correcting，FEC）中，接收數據端不僅對數據進行檢測，而且當檢測出差錯后還能利用編碼的方法自動糾正差錯，如圖所示。FEC方法必須使用糾錯碼。列車網絡控制技術電路交換的特點電路交換必定是面向連接的。電路交換必定是面向連接的。 電路交換的三個階段：電路交換的三個階段：建立連接建立連接通信通信釋放連接釋放連接列車網絡控制技術2.1 2.1 報文交換報文交換在在 20 20

26、 世紀世紀 40 40 年代，電報通信也采用了基于存儲轉發年代，電報通信也采用了基于存儲轉發原理的原理的報文交換報文交換(message switching)(message switching)。 報文交換報文交換 即存儲轉發交換。報文則指具有即存儲轉發交換。報文則指具有完整消息完整消息含義的數據含義的數據單元，交換單元。單元，交換單元。報頭中至少要包含的信息：報頭中至少要包含的信息： 報文的起始標志報文的起始標志 數據的開始標志數據的開始標志 數據源節點地址數據源節點地址 數據目的節點地址及路由信息數據目的節點地址及路由信息 控制信息控制信息 報文編號報文編號列車網絡控制技術2.2 分組交

27、換交換機理相同于報文交換，差別在于交換數據單元長度不同。交換機理相同于報文交換，差別在于交換數據單元長度不同。交換單元：分組。把報文（一段）分成若干分組，在每個分組前加交換單元：分組。把報文（一段）分成若干分組，在每個分組前加分組標頭進行傳輸。分組標頭進行傳輸。兩種方式：兩種方式：數據報數據報：獨立處理的每個分組稱為：獨立處理的每個分組稱為“數據報數據報”。虛電路虛電路：建立的一條邏輯連接。：建立的一條邏輯連接。列車網絡控制技術分組交換特點分組交換的優點：分組交換的優點： 高效高效 動態分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。動態分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。 靈活靈活 以分組為傳送單位和查

28、找路由。以分組為傳送單位和查找路由。 迅速迅速 不必先建立連接就能向其他主機發送分組；充分使用鏈路的帶不必先建立連接就能向其他主機發送分組；充分使用鏈路的帶寬。寬。 可靠可靠 完善的網絡協議；自適應的路由選擇協議使網絡有很好的生存完善的網絡協議；自適應的路由選擇協議使網絡有很好的生存性。性。 分組在各結點存儲轉發時需要分組在各結點存儲轉發時需要排隊排隊，這就會造成一定的，這就會造成一定的時延時延。 分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的的開銷開銷。 列車網絡控制技術三種交換方式特點線路交換：線路交換： 在數據傳送開

29、始之前必須建立一條完整的通路； 在線路釋放之前，該通路將被一對用戶完全占用; 適于突發式的通信，線路利用率不高。報文交換：報文交換： 報文從源站傳送到目的地采用存儲轉發方式； 在傳送報文時，同時只占用一段通道； 在交換節點中需要緩沖存儲，報文需要排隊，時間延遲取決于中繼交換局的數目； 不適用于實時通信的要求。分組交換：分組交換： 報文從源站被分成分組進行傳輸，并規定了最大分組長 度； 在數據報方式中，目的站需要重新組裝報文； 可根據通信網的現狀選擇最佳路由，提高了通信效率和可靠性； 分組交換技術是網絡中使用最廣泛的一種交換技術。列車網絡控制技術什么是多路復用技術?兩種四類常用的多路復用技術 頻

30、分復用 (用于模擬信號) 頻分復用 (電路適用) 波分復用 (光纜適用) 時分復用 (用于數字信號) 同步時分復用 統計時分復用七七、多路復用技術多路復用技術列車網絡控制技術一、計算機網絡與網絡拓撲一、計算機網絡與網絡拓撲網絡的拓撲結構網絡的拓撲結構是指網絡中節點的互連形式。在網絡拓撲結構中，星形、環形、總線形和樹形較為常見。四、總線拓撲四、總線拓撲在總線型拓撲中，傳輸介質是一條總線總線，工作站通過相應硬件接口接至總線上。一個站發送數據，所有其他站都能接收一個站發送數據，所有其他站都能接收。樹樹形拓撲形拓撲是總線拓撲的擴展形式，傳輸介質是不封閉的分支電纜。它和總線拓撲一樣，一個站發送數據，其他

31、站都能接收。特點特點：總線和樹形拓撲的傳輸介質稱作多點式多點式或廣播式廣播式。因為所有節點共享一條傳輸鏈路，一次只允許一個站發信息，需有某種存取控制方式，確定下一個可以發送的站。信息也是按分組信息也是按分組發送發送，達到目的站后，經過地址識別，將信息復制下來。列車網絡控制技術36如前所述，在總線和環形拓撲中，網上設備必須共享傳輸線路。為解決在同一時間有幾個設備同時爭用傳輸介質，需有某種介質訪問控制方式，以便協調各設備訪問介質的順序，在設備之間交換數據。通信中對介質的訪問可以是隨機的，即各工作站可在任何時刻，任意地訪問介質；也可以是受控的，即各工作站可用一定的算法調整各站訪問介質順序和時間。在隨

32、機訪問方式中，常用的爭用總線技術為CSMA/CD。在控制訪問方式中則常用令牌總線、令牌環，或稱之為標記總線、標記環。列車網絡控制技術38一、一、CSMA/CD（載波監聽多路訪問（載波監聽多路訪問/沖突檢測）沖突檢測）載波監聽CSMA的控制方案是先聽再講。一個站要發送，首先需監聽總線，以決定介質上是否存在其他站的發送信號。如果介質是空閑的，則可以發送。如果介質是忙的，則等待一定間隔后重試。當監聽總線狀態后，可采用以下三種CSMA堅持退避算法：（1）不堅持CSMA。假如介質是空閑的，則發送。假如介質是忙的，則等待一段隨機時間，重復第一步。（2）1-堅持CSMA。假如介質是空閑的，則發送。假如介質是

33、忙的，繼續監聽，直到介質空閑，立即發送。假如沖突發生，則等待一段隨機時間，重復第一步。（3）P-堅持CSMA。假如介質是空閑的，則以P 的概率發送，或以（1-P）的概率延遲一個時間單位后重復處理。該時間單位等于最大的傳輸延遲。假如介質是忙的，繼續監聽直到介質空閑，重復第一步。列車網絡控制技術40二、令牌（標記）訪問控制方式二、令牌（標記）訪問控制方式CSMA的訪問存在發報沖突問題，產生沖突的原因是由于各站點發報是隨機的。為了解決沖突問題，可采用有控制的發報方式，令牌方式是一種按一定順序在各站點傳遞令牌（token）的方法。誰得到令牌，誰才有發報權。令牌訪問原理可用于環形網絡，構成令牌環形網；也

34、可用于總線網，構成令牌總線網絡。列車網絡控制技術 OSI開放系統互聯參考模型共包括7層，如圖2-4-1所示，第17層依次為物理層物理層（Physical LayerPhysical Layer）、數據鏈數據鏈路層路層(Date Link Layer)(Date Link Layer)、網絡層網絡層(Network Layer)(Network Layer)、傳輸層傳輸層(Transport (Transport Layer)Layer)、會話層會話層(Session Layer)(Session Layer)、表表示層示層(Presentation Layer)(Presentation La

35、yer)和應用層應用層(Application Layer).(Application Layer).7個層次可以劃分為低層和高層兩部分，1 13 3層為低層，主要負責設備間的通信；5 57 7層為高層，主要面向信息處理；傳輸層是高層與低層之間的接口，負責將高層與低層連接起來。 圖2-4-1 OSI參考模型列車網絡控制技術 在每一層中數據包數據包（協議數據單元）均由來自上一層的數據與信息頭組成，因而，數據包通常在不同的層中有不同的名稱，如表2-4-1所示。表2-4-1 數據包在OSI各層中的名稱 當不同的設備同時進行通信時，OSI參考模型中由最底層物理層最底層物理層到最高層應用層最高層應用層都

36、形影完成不同的功能，從而完成兩設備間的數據交流。下面將對OSI模型各層的功能逐一介紹。列車網絡控制技術 物理層實體間的物理數據單元的傳輸時在兩臺相鄰的通信設備之間進行的。通信設備分為兩類，即數據終端設備數據終端設備（DTE,Data Terminal Equipment）和數據通信數據通信設備設備（DCE,Data Communication Equipment）。DTE具有根據協議控制數據通信的功能，例如，網絡中連接的計算機和數據的輸入、輸出設備等；DEC是數據通信設備，例如，調制解調器和自動呼叫應答機等。在發送數據端，并行輸出的數據經過DTE和DCE后，形成串行信號序列，在傳輸媒介（如雙絞

37、線）上進行傳輸。在接收端進行相反的變換，實現計算機的通信。1) 1) 物理層概述物理層概述 物理層并不關心傳輸過程中比特流比特流的含義，它只關心與網絡的物理連接物理連接及信號的發送發送和接收接收。為了保證比特流能送達物理信道，正確傳輸比特流信息，并是接收方正確地接受信息，其協議規定了建立建立、維持維持和拆除拆除物理信道的相關特性，它們分別是：機械特性機械特性、電氣特性電氣特性、功能特性功能特性和過程特性過程特性。機械特性機械特性主要指硬件連接的接口，一般包括硬件接口的大小和形狀；電氣特性電氣特性主要反映信號的碼型結構、電壓電平和電壓變化的規則及信號的同步等與信號有關的功能特性；功能特功能特性性

38、包括有關規定、目的要求、數據類型、控制方式等，主要說明接口引腳的功能和作用。以反映接口電路的功能；過程特性過程特性是在功能特性的基礎上規定了接口的功能函數，傳輸數據的順序等，它涉及信號的傳輸方式。列車網絡控制技術 實現位同步實現位同步。 數據信號的傳輸數據信號的傳輸。 接口設計接口設計。 信號傳輸規程信號傳輸規程。 2) 物理層解決的主要問題物理層解決的主要問題3 3）物理層的）物理層的功能功能 實現實體之間的按位傳輸實現實體之間的按位傳輸，并保證按位傳輸的正確性，同時向數據鏈路層進行一個透明的位流傳輸。 監督比特流轉換成電磁信號監督比特流轉換成電磁信號，并通過通信介質傳輸的規程。 在數據終端

39、設備、數據通信和交換設備間在數據終端設備、數據通信和交換設備間完成對數據傳輸的物理信道的建立、保持和拆除。表示層的功能表示層的功能 數據轉換數據轉換。 數據的格式化數據的格式化。 數據壓縮數據壓縮。 數據加密數據加密。列車網絡控制技術圖2-4-6 IEEE協會數據鏈路層劃分為LLC子層和MAC子層 1) 1) 數據鏈路層概述數據鏈路層概述 IEEE協會協會將數據鏈路層劃分為兩個字層（見圖2-4-6）：介質訪問介質訪問控制（控制（MAC，Media Access Control）子層和邏輯鏈路控制（邏輯鏈路控制（LLC，Logic Link Control）子層。介質訪問控制（介質訪問控制（MA

40、C）：提供訪問控制，負責物理尋址和對網絡介質 的物理訪問；邏輯鏈路控制（邏輯鏈路控制（LLC）：提供出錯糾正和數據流控制，建立和維護網 絡設備間的數據鏈路連接。列車網絡控制技術第三章 列車通信網絡協議 列車通信網的主要功能是作為溝通各個控制、診斷單元的信息通道，實現信息交流，從而達到列車通信網的主要功能是作為溝通各個控制、診斷單元的信息通道，實現信息交流，從而達到控制的統一和資源共享資源共享的目的。 列車中所用的網絡協議主要包括：TCN通信網絡標準、Lonworks通信網絡標準、ARCNET通信網絡標準以及CAN通信網絡標準。這些協議或專為鐵路系統設計；或者是為適用于鐵路系統而改進的通用通信網

41、絡標準。列車控制網絡的列車控制網絡的介質介質TCN推薦：列車總線用雙絞屏蔽線200以內車廂總線用雙絞屏蔽線大于200米車廂總線用光纖列車網絡控制技術 TCN（列車通信網絡）（列車通信網絡）于1999年6 月正式成為國際標準，即月正式成為國際標準，即IEC61735。該標準對列車通信網絡的總體結構、連接各車輛的列車總線、連接車輛內部各智能設備的車輛總線及過程數據等內容進行了詳細的規定。 它分為上、下兩層，上層為列車總線列車總線，下層為車輛總線車輛總線。 列車總線列車總線由各個車廂內固定安裝的物理傳輸介質（雙絞線或同軸纜）通過車廂之間的互連而構成。每個車廂內設一個通信節點，列車總線通過節點與車輛總

42、線相連。 車輛總線車輛總線分別設置在各節車廂內，連接該節車廂的各個控制單元與設備。 分三層結構：列車級控制、車廂級控制、設備級控制列車級控制、車廂級控制、設備級控制列車網絡控制技術開式列車開式列車閉式列車組閉式列車組車輛在運行中不分離.列車總線由司機或工廠離線配置例子: TGV, ICE, 地鐵, 郊區通勤列車 .包括需要頻繁編組和解編的車輛，列車總線能自動再配置（初運行）例子: 國際旅客列車.WG22 區分兩種主要不同的列車:列車通信網的結構：列車通信網的結構：列車網絡控制技術 圖中給出了三節的結構，其中，車廂中從站及智能設備的數量因要求不同而有差別。 列車總線與車輛總線是兩個獨立的通信子網

43、, 而且有不同的通信協議。節點就是進行協議轉換的網關網關。 一般有動力裝置的車廂（動車或機車）內的節點稱主節點（主節點（Master Node），），無動力裝置的車廂為的節點稱為從節點（從節點（Slave Node）。每一列車在運行中必須有一個且只能有一個控制總線工作的節點，稱為控制節點控制節點。正常情況下以前導車的主節點為主控節點。主控節點管理列車總線的運行，必要的時候主控節點可以切換可以切換。 車輛總線的運作由各車廂的節點來管理。列車通信網的結構：列車通信網的結構：列車網絡控制技術一、列車通信網的體系結構一、列車通信網的體系結構列車網絡控制技術 TCN （列車通信網絡）將列車上的智能設備連

44、接起來，完成下述功能功能：（）列車牽引控制及車輛控制（如車門、車燈等的遠程控制）；（）遠程診斷及維護；（）旅客信息及舒適性； TCN包括兩層結構：（1）連接各車輛的絞線式列車總線絞線式列車總線（Wire Train BusWTB），列車新編組時可自動配置，通信介質為雙絞線通信速率為1Mbit/s；（2）連接一節車輛內或車輛組（單元）各設備的多功能車輛總線（Multifunction Vehicle BusMVB)，經優化具有快響應性，通信介質為雙絞線或光纖，通信速率為1.5Mbit/s。 網絡管理部分包括對網絡的配置、維護、及操作。一、列車通信網的體系結構一、列車通信網的體系結構列車網絡控制技

45、術一、列車通信網的體系結構一、列車通信網的體系結構列車網絡控制技術 MVB總線用于連接位于同一節車輛內或不同車輛內的標準設備，構成一列車通信網。標準設備包括可編程設備和智能傳感器和執行器。 MVB可以連接4096個設備，不同設備分配不同地址。其中256個站具有消息傳送能力。二、多功能車輛總線二、多功能車輛總線 MVB（Multifunction Vehicle Bus）列車網絡控制技術MVB傳輸的數據有以下三類：（1）過程數據：定時廣播的帶源地址的數據，定時間隔小于1ms；（2）消息數據：有請求時應答，帶有目的地址的點對點或廣播數據；（3）管理數據：用于事件判決、主設備轉換、設備狀態發送的數據

46、。二、多功能車輛總線二、多功能車輛總線 MVB（Multifunction Vehicle Bus）列車網絡控制技術（一） MVB物理層 MVB提供三種通信介質，工作速率相同。1標準的RS-485收發器，距離20m，最多連接32個設備；2IEC61158-2規定的變壓器及電氣隔離收發器，采用屏蔽雙絞線，距離200m，最多32個設備；3光纖，距離2000m，點對點連接或星形連接。 MVB上連接的設備都有一總線控制器，設備通過它來控制總線訪問。 MVB采用曼徹斯特編碼，每一數據位碼元中間都有跳變，從高到低的跳變（負跳變）表示1，正跳變則表示0。二、多功能車輛總線二、多功能車輛總線 MVB（Mult

47、ifunction Vehicle Bus）列車網絡控制技術 （二） MVB 幀 MVB幀是由9-bit起始位+數據+8-bit校驗位+結束位構成的。 MVB有兩種幀： 主控幀：總線的某個總線管理器發送的幀； 從屬幀：由總線從設備發送，回應某個主控幀。 基于幀結構，MVB共有16種報文，在主控幀中以一個字碼（F-code）來區分，如表所示。二、多功能車輛總線二、多功能車輛總線 MVB（Multifunction Vehicle Bus）列車網絡控制技術 （二）（二） MVB 幀幀 MVB介質訪問控制采用主從方式，由唯一的主控器主控器以定時輪詢的方式發送主控幀主控幀。 總線上其它設備均為從屬設備

48、從屬設備，需要根據收到的主控幀來回送從屬幀從屬幀，它們不能同時發送信息。 MVB由專用主設備總線管理器總線管理器進行管理，管理器是唯一的主設備。為增加可用性，可能有多個總線管理器，它們以令牌方式傳遞主設備控制權。令牌方式傳遞主設備控制權。在一個給定時間，僅有一個管理器在總線上工作。對于多個偶發性響應，主設備減少發送設備數量，直到不發生沖突。二、多功能車輛總線二、多功能車輛總線 MVB（Multifunction Vehicle Bus）列車網絡控制技術 （二）（二） MVB 幀幀 根據通信網上所傳輸數據的性質和實時性的要求，把通信網上的數據分為三類： 過程數據（過程數據（process dat

49、a）：是那些短而緊迫，傳輸時間確定和有界的數據。把列車運行的控制命令和運行狀態信息定義為過程數據。過程數據的傳輸是周期性周期性的。 消息數據（消息數據（message data）：是那些非緊迫的但可能冗長的信息。把診斷信息、顯示信息和服務功能作為消息數據來傳送。它們的傳送是非周期的，而且可以根據需要分幀傳送。 管理數據（管理數據（Supervisory data）：是網絡自身管理、維護和初始化時在通信網中傳遞的數據。這些數據只有在網絡重構或初始化時才傳遞，且傳遞時與其他兩種數據不發生沖突。 因此在列車運行時通信網上傳送的只有過程數據過程數據和消息數據消息數據。二、多功能車輛總線二、多功能車輛總

50、線 MVB（Multifunction Vehicle Bus）列車網絡控制技術（二）（二） MVB 幀幀 列車運行時通信網上傳送的過程數據過程數據和消息數據消息數據用周期傳送周期傳送和非周期非周期傳送來區分。周期性和偶發性數據通信共享同一總線，但在各設備中被分別處理。周期性和偶發性數據發送由充當主節點主節點的一個設備控制，這保證了確定性的介質訪問。為此，主節點在基本周期中交替產生周期相周期相和偶發相偶發相，如圖所示。二、多功能車輛總線二、多功能車輛總線 MVB（Multifunction Vehicle Bus） 絞式列車總線 WTB是一種串行通信總線，主要是為車輛間建立通信連接而設計的。下

51、圖表示了絞式列車總線的組成。三、絞式列車總線三、絞式列車總線WTB（Wired Train Bus）（一） WTB物理層 WTB采用屏蔽雙絞線，要求有較高的機械連接性能。使用該種介質可以達到1Mbit/s通信速率，長度為860m，對應22節26m長的UIC列車，可連接至少32個節點。 MVB采用曼徹斯特編碼，每一數據位碼元中間都有跳變，從高到低的跳變（負跳變）表示1，正跳變則表示0。列車網絡控制技術（三）（三）WTB的介質訪問機制的介質訪問機制 （1）總線主節點負責介質訪問，所有其他從節點只有當總線主對其輪詢時才響應。 （2）當列車網絡組成改變時，每個節點都通知總線主自己所需被輪詢的周期，總線

52、主據此建立輪詢策略。 （3）基本周期為25ms，緊迫的過程數據可以請求每個周期被輪詢，不緊迫的可請求按特征周期特征周期輪詢，一個特征周期是基本周期的整倍數。 三、絞式列車總線三、絞式列車總線WTB（Wired Train Bus）列車網絡控制技術（三）（三）WTB的介質訪問的介質訪問 （4）隨著車輛數的增加，周期相增長，偶發相收縮。對于偶發性數據，總線只要按順序輪詢節點，為縮短搜索時間，可通告有偶發性數據，則總線主在周期相后再次輪詢該節點偶發數據。 （5）每個基本周期里，總線主輪詢其中一個端節點；如果端節點是自身，仍然輪詢自己并響應，以便讓所有其他節點檢測總線主的存在口。三、絞式列車總線三、絞

53、式列車總線WTB（Wired Train Bus）列車網絡控制技術1一個列車內的初運行一個列車內的初運行 列車總線主設備控制WTB的配置的配置，當列車的組成改變時，即車廂被連掛或解掛時，主設備重新組織總線，這個過程叫做列車初運行列車初運行。 在初運行時，所有節點接收到一個唯一的標識唯一的標識它們在列車中的位置的地址地址,節點還必須能確定列車的定向定向，以便區分左右，例如門控制。在初運行結束時，所有節點都知道新的構形，并且總線進入常規操作。 在初運行過程中，節點和網絡線段從電氣上連接起來，形成一條兩端都有終端連接器的單一總線。初始時，如果一個節點未被命名，它的介質連接裝置便通過打開總線開關，同時

54、在與之相連的每段的末端插入一個終端連接器的方法，把總線斷開。介質連接裝置的兩個信道監聽總線，每個信道監聽一個方向（一個沒命名的從設備不能發送幀）。（四）（四）WTB列車初運行列車初運行列車網絡控制技術1一個列車內的初運行一個列車內的初運行 列車總線主設備的選擇取決于應用。通常列車司機通過某種方法，比如插入一把鑰匙，來選擇司機室內的節點作為主設備主設備，這個節點的編號為01，并最終由它控制總線。 主設備主設備通過交替地向每個方向發檢測請求幀來確定啟動初運行，下一個從設備從設備將會檢測到主設備發出的幀，并用一個檢測響應幀作為回答，指明自己是一個沒被命名的從設備。（五）（五）WTB列車初運行列車初運

55、行列車網絡控制技術 1一個列車內的初運行一個列車內的初運行 當主設備檢測到一個方向上的沒命名的從設備的回答后，它把其它通道切換到列車這一端，發一個命名請求命名請求給沒命名的設備，告訴它“你是02號節點”。收到這一命名請求的從節點發一響應響應給主設備，以確認它已接受地址02，然后它把自己的標識設置為02，并打開主設備方向上的主通道。（五）（五）WTB列車初運行列車初運行列車網絡控制技術 1一個列車內的初運行一個列車內的初運行 主設備不能直接詢問第三個節點，因為如果不存在第三個節點，閉合總線開關，移走節點02的終端連接器將會使總線不能正常工作。 像主設備一樣，第第2個節點個節點通過輔助通道發檢測請

56、求幀檢測請求幀。第第3個節點個節點（如果存在）將發回一個檢測響應檢測響應給02，然后由節點02向主設備主設備報告檢測到一個沒命名的節點。為實現這一功能，主節點要定期輪詢這一方向的端節點，讀取它們的檢測狀態。（五）（五）WTB列車初運行列車初運行列車網絡控制技術（五）（五）WTB列車初運行列車初運行1一個列車內的初運行一個列車內的初運行 如果節點02報告檢測到了一個沒命名的節點，主設備就打開02作為中間節點（閉合總線開關，移走終端連接器，并關閉輔助通道），這時主沒備就可以直接訪問節點節點03，給它命名。列車網絡控制技術3.2.1 LonWorks概述概述 LonWorks控制網絡在功能上就具備了

57、網絡的基本功能，他本身就是一個局域網局域網，和LAN具有很好的互補性，又可方便的實現互聯，易于實現更加強大的功能。 Lonworks網絡控制技術是美國Echelon公司發明的，是在控制系統中引入網絡的概念，是目前控制領域中應用最廣的通用控制總線技術之一。Lon is Local Operating Network。 LonWorks網絡是局部操作網絡，它是底層設備網絡，跨越傳感器級、現場設備級控制級，其網絡規模類似于局域網，但可比局域網大。其網絡采用分布式結構，為無主結構。從控制的角度看，為自治服務系統。 LonWorks控制網絡結構包括五大部分：網絡協議網絡協議（Lon TalkLon Ta

58、lk協議）協議）、網絡傳輸媒體網絡傳輸媒體，網絡設備網絡設備，執行機構執行機構和管理軟件管理軟件。 3.2.2 LonWorks3.2.2 LonWorks網絡拓撲結構網絡拓撲結構列車網絡控制技術1 1、芯片的、芯片的CPUCPU結構結構 NeuronNeuron芯片內部有三個芯片內部有三個CPUCPU，各有分工。v介質訪問控制介質訪問控制CPUCPU:完成介質訪問控制，處理LonTalk協議的第1、2層，包括驅動通信子系統硬件和執行算法。v網絡網絡CPUCPU:實現LonTalk協議的第36層，處理網絡變量、尋址、事務處理、權限證實、背景診斷、軟件計時器、網絡管理和路由等。v應用應用CPUC

59、PU:完成用戶的編程，包括用戶程序對操作系統的服務調用。 Neuron芯片的CPU結構如下圖所示：2 2、LonTalkLonTalk協議的網絡地址結構協議的網絡地址結構 LonTalk的地址唯一的確定了LonTalk的源節點源節點和目的節點目的節點（可以是一個或幾個節點）。 網絡地址可以有三層結構：域域、子網子網和節點節點。列車網絡控制技術 3 3 通信服務通信服務 (1) 報文服務 LonTalkLonTalk協議提供了四種基本類型的報文服務協議提供了四種基本類型的報文服務：確認（Acknowledged)Acknowledged)、請求/響（Request/Response)Reques

60、t/Response)、非確認重復（Unacknowledged Repeated)Unacknowledged Repeated)以及非確認（Unacknowledged)Unacknowledged)。 (2) 沖突 LonTalk協議使用其獨有的沖突避免算法，該算法具有在過敏情況下信道仍然能負載接近最大能力的通過量，而不是由于過多的沖突而使通過量降低。 （3）優先級 LonTalk協議通過提供優先服務機制以改善對重要消息包的響應時間，協議允許用戶在信道上分配優先級時隙，它專門用于具有優先級的節點。列車網絡控制技術4 LonTalk MAC4 LonTalk MAC子層子層 Echelon