30基于以太网和CAN总线控制的列车通信网络研究

发布时间：2016-11-24 03:31

本文关键词：基于以太网和CAN总线控制的列车通信网络研究，由笔耕文化传播整理发布。

硕士学位论文绪论１．２．２国内列车通信网络发展情；从上世纪９０年代中期开始，我国开始自行研发列车通；ＴＣＮ产品与国外其他公司相关产品的兼容性，近年来；另外，国内众多单位对其他现场总线在列车通信网络中；然而，由于投资相对较少、起步相对较晚等诸多原因，；硕：七学位论文绪论统的性能，我们应从列车通信网络；１．３国内外几种主流列车通信网技术的比较；目前国内外成功应用

硕士学位论文绪论１．２．２国内列车通信网络发展情况

从上世纪９０年代中期开始，我国开始自行研发列车通信网络，但发展速度较慢。随着高速动车组和地铁城轨列车在我国的飞速发展，我们对高效安全实时的列车通信网络的需求十分迫切。针对此问题，铁道部组织开展了列车通信网络的研究课题。国内许多单位先后开展了自主开发、联合开发或技术引进等工作，主要集中在现场总线、Ｌｏｎｗａｒｄｓ、ＴＣＮ标准总线和基于ＲＳ４８５通信协议等领域内展开：同济大学与中国南车株洲电力机车研究所首先在ＴｃＮ标准总线方面作了大量的前期探讨工作，对列车通信网的发展起到了重要的启蒙作用；西南交通大学对列车网络控制中的旅客信息管理进行了研究，并设计出了相关硬件终端平台；中国南车株洲电力机车研究所、中国北车四方车辆研究所在对国外ＭｖＢ、ＷＴＢ等网络产品消化吸收的基础上分别进行了自主研发，研制了具有自主知识产权的ＭｖＢ网卡、ｗＴＢ网卡、ＭＶＢ／４８５网关等ＴＣＮ设备，并将其应用于我国自行研制的具有自主知识产权的“中华之星＂等高速列车中【３１；为了确保国产化

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ＴＣＮ产品与国外其他公司相关产品的兼容性，近年来，同济大学、兰州交通大学、中国南车青岛四方机车车辆股份有限公司等单位对ＴＣＮ网络的一致性测试进行了研究，将自主研发的ＭｖＢ、ＷＴＢ产品与国外的庞巴迪公司、西门子公司、川崎重工等同类相应产品的互连互通进行了测试，提出了ＴＣＮ一致性测试规范；西南交通大学、北京交通大学等单位针对ＭｖＢ和ＷＴＢ等核心器件单独购置比较困难的现状，对这些器件用ＦＰＧＡ来进行设计。另外，铁道科学研究院、北京交通大学、西南交通大学、中国南车戚墅堰工艺研究所、中国北车四方机车车辆研究所等单位对ＭＶＢ、ＷＴＢ网络产品也进行了研究，有些己购买或准备购买’ＭＶＢ、ＷＴＢ的开发工具用于国产化产品的开发工作。

另外，国内众多单位对其他现场总线在列车通信网络中的应用也进行了研究。中国南车株洲电力机车研究所、中国北车四方机车车辆研究所、中国南车戚墅堰工艺研究所等对ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线进行了研究，并将其应用于改造后的内燃动车组的通信网络系统中；铁道科学研究院和同济大学等对ｗｏｒｌｄＦＩＰ总线在列车通信网络中的应用进行了一定的研究，并提出了可行性建议；国防科技大学在ＣＡＮ总线作为磁悬浮列车的列车总线方面进行了深入的研究；中国南车株洲电力机车研究所对ＣＡＮ总线用于列车监控装置和摆式列车局部控制总线进行了研究；同济大学针对ＣＡＮ总线作为连接司机控制平台和列车控制单元的局部总线做了一些具体的工作等等。

然而，由于投资相对较少、起步相对较晚等诸多原因，我国列车通信网络的技术水平与国外先进水平相比还存在很大的差距。为了提高国内列车网络控制系

硕：七学位论文绪论统的性能，我们应从列车通信网络的核心技术、我国的具体国情等各个方面考虑，并对目前国际上流行的列车网络技术进行消化吸收和借鉴，研制适合我国轨道交通行业现状和未来发展需要的列车网络总线，以便更好的为广大旅客服务，为和谐铁路作出贡献。

１．３国内外几种主流列车通信网技术的比较

目前国内外成功应用于列车网络控制系统中的现场总线主要包括以下几种：Ｌｏｎｗｏｒｋｓ、ＷｂｒｌｄＦＩＰ、ＣＡＮ、ＭＶＢ和ＷＴＢ几种。这几种总线各自有各自的优势，但也有其缺点，下面简要介绍下各个总线的特点：

ＬｏｎＷｂｒｋｓ是美国Ｅｃｈｅｌｏｎ公司于１９９１年推出的一种局部操作控制网络协议，也就是美国国家标准ＡＮＳＩ／ＥＩＡ７０９．１．１９９８。它采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置；支持双绞线、射频、红外线、同轴电缆、光纤和电力线等多种传输介质，支持本质安全防爆；采用双绞线通信时，其通信速率从３００ｂｐｓ到１．５Ｍｂｐｓ不等，直接通信距离可达２７００州７８Ｋｂｐｓ／每段６４个节点和１３０ＩＩｌ／１．２５ｍｐｓ／每段６４个节点。

ＬｏｎＷｂｒｋｓ采用带优先级机制的预测Ｐ．峰持ＣＳＭＡ通信介质访问控制方式，它所采用的ＬｏｎＴａｌｋ协议被封装在Ｎｅｕｒｏｎ神经元芯片中得以实现，遵循ＩＳｏ／ＯＳＩ参考模型的全部七层协议，不仅具备局域网的基本功能，而且支持全面的网络管理，与异型网的兼容性比现存的任何现场总线都好。

目前ＬｏｎＷ６ｒｋｓ技术不仅广泛应用在工业、家庭、楼宇、能源等自动化领域，在交通运输方面也应用普遍。Ｌｏｎｗｏｒｋｓ在美国铁路列车上应用较为广泛，在国内铁路也有成功的应用。ＩＥＥＥ将Ｌｏｎｗｏｒｋｓ作为其制订的列车通信协议标准的一部分（Ｔｙｐｅ．Ｌ），与列车通信网络ＴＣＮ标准正ＩＥＣ６１３７５．１（Ｔ”ｅ．Ｔ）共同构成ＩＥＥＥ】４７３。

Ｗｂ订ｄＦＩＰ是欧洲标准ＥＮ５０１７０的第三部分，它是在法国标准ＦＩＰ．Ｃ４６．６０１／Ｃ４６．６０７的基础上采纳了ｌＥＣ物理层国际标准（６１ｌ５８．２）而发展起来的。早在８０年代中期，以法国几家大公司为主要成员的ＦＩＰ组织开发了工业现场总线ＦＩＰ（ＦａｃｔｏＤ，ＩｎｆｏｍｌａｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃ０１），并成为法国标准ＮＦＣ４６．６００，主要６

硕ｉ＝学位论文绪论应用于自动化领域现场设备和控制器以及控制器之间的数字化连接；１９９３年３月ＦＩＰ采纳了现场总线国际标准ＩＥＣ６１１５８．２而成为ｗｂｒｌｄＦＩＰ，与Ｐ．Ｎｅｔ、ｐｒｏ矗ｂｕｓ一起共同成为欧洲标准ＥＮ５０１７０的一部分，目前主要成员包括ＡｌｓｔｏｍＡｌｌｅｎＢｒａｄｌｅｙ、、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ、ｓｃｈＩｌｅｉｄｅｒ等１２０多个公司，其目标是建立一种开放性的、相互兼容的现场总线。经过十多年的努力，ＷｂｄｄＦＩＰ己发展成为具有丰富软硬件产品支持并且自成系统的现场总线标准，，被广泛应用于化工、能源、交通运输等工业控制领域。法国ＡＬｓＴＯＭ公司将ｗ６ｒｌｄＦＩＰ作为标准通信协议成功应用于ＴＧＶ高速列车当中。

ｗｂｒｌｄＦＩＰ支持星型和总线型的拓扑结构，传输介质可采用光纤和屏蔽双绞线。传输速率有３１．２５ｋｂｐｓ至２５Ｍｂｐｓ五个不同等级，其中典型速率为１Ｍｂｐｓ。采用屏蔽双绞线通信时，最大传输距离可达２０＆Ⅳ３１．２５Ｋｂｐｓ。

ｗｂｒｌｄＦＩＰ采用ＩＳｏ／ＯｓＩ参考模型的３层结构：物理层、数据链路层和应用层，提供消息服务、变量服务和网络管理服务。在数据链路层，ｗｂｄｄＦＩＰ采用集中控制、周期性预分配的主——从方式对总线介质访问进行控制，并通过总线上唯一的总线仲裁器ＢＡ（Ｂｕｓ舳ｉｔｒａｔｏｒ）来实现仲裁控制，实现数据的实时传输。另外，为提高通信的可靠性，ｗｂｒｉｄＦＩＰ还支持介质冗余、ＢＡ冗余以及ＭａｎＣｈｅｓｔｅｒ编码等多种方式。

１．３．３ＣＡＮ总线

ＣＡＮ总线最初是由德国ＢＯＳＣＨ公司在２０世纪８０年代初期为解决现代汽车中众多电子控制单元（ＥＣＵ）与测试仪器之间交换信息而开发的一种串行数据通信协议，现己成为国际标准ＩＳ０１１８９８（高速应用）和ＩＳ０１１５１９（低速应用），并获得了非常广泛的应用。ＣＡＮ总线不仅应用于离散控制领域中的过程监测与控制，特别是工业自动化的低层监控，以解决控制与测试之间可靠和实时数据的交换，而且在列车通信中也得到了一定的应用。

ＣＡＮ总线支持总线型的拓扑结构，传输介质可采用双绞线、光纤和同轴电缆等。采用双绞线通信时，最高速率为１Ｍｂｐｓ／４０ｍ，最大传输距离可达ｌＯｌ洲５Ｋｂｐｓ。ＣＡＮ总线采用了ＩＳｏ／ＯｓＩ参考模型的两层：物理层和数据链路层，其中数据链路层包括介质访问控制子层ＭＡＣ和逻辑链路控制子层ＬＬＣ。ＣＡＮ总线采用带优先级机制的ＣＳＭ～ＣＡ方式对通信介质进行访问控制，支持非破坏性的逐位仲裁机制，并具有支持多主访问等功能。

ＣＡＮ总线具有突出的差错检验机理，具有五种错误检测、出错标定和故障界定功能；由于其信息传输采用了短帧结构（有效数据最多为８个字节），因而受干扰率低，传输时间短，可以满足现场控制的实时性要求，同时还具有极高的

硕．卜学位论文绪论通信灵活性和传输效率。另外，ＣＡＮ总线节点在严重错误的情况下，还具有自动关闭输出的功能，以使总线上其它节点的操作不受影响，具有极高的安全性。

作为一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，ＣＡＮ总线还具有比其它现场总线低的开发费用，因此它特别适合于分布式控制应用中的设备之间的连接，在列车通信网络中用于车辆总线非常合适。但由于其缺乏长报文大数据量消息传输能力和传输距离受限，所以不适合用作列车总线，在用作列车总线时需做一定的处理。

１．３．４ＴＣＮ

ＴＣＮ是ＩＥＣ专门为列车通信网制定的标准，包括实时通信协议（Ｉ玎Ｐ）、绞式列车总线（ＷＴＢ）、多功能车辆总线（ＭｖＢ），这几种技术作为相对比较独立的部分有其各自的体系结构，理论上可以在ＷＴＢ和ＭＶＢ上运行非Ｉ汀Ｐ的其他协议，而Ｉ盯Ｐ也可以作为除ｗＴＢ和ＭＶＢ外其他总线上的通信协议，但一般情况下，还是把他们作为一个整体来考剧卯。’

多功能车辆总线ＭｖＢ主要用于在一个车辆或固定编组的几个车辆内连接各种可编程设备以及现场传感器，也可在固定编组的列车中用作列车总线。ＭＶＢ是以瑞士Ｌ０ｋ４６０机车上创始的总线为基础而制订的一种专用现场总线标准，并已在６００多辆机车车辆上得到成功应用。

绞线式列车总线ＷＴＢ是以德国ＤＩＮｖ４３３２２和意大利ＣＤ４５０高速列车的数据通信经验为基础而制定的专用现场总线标准，它具有很强的编组自适应能力，主要用于在日常运营中需经常动态改变编组的列车中连接各车辆，也可在固定编组的列车中充当列车总线。

ＭｖＢ和ＷＴＢ采用集中控制、周期性预分配的主一从方式对总线介质进行访问控制，这种访问通过总线上唯一的称为总线管理器（ＢｕｓＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｏｒ）的主节点来完成。同时，ＭＶＢ和ＷＴＢ支持总线上周期性过程数据（变量）和非周期性消息数据两类信息的传输，并对两类数据传输服务分别定义了两种不同的网络体系结构。过程变量服务的协议只包含物理层、数据链路层（分为介质访问控制ＭＡＣ子层和逻辑链路控制ＬＬＣ子层）和应用层三个层次，用以传输周期性的控制命令和控制变量，以实现控制的实时性要求。其中数据链路层主要通过链路过程数据接口ＬＰＩ处理端口和通信缓存的操作，完成协议大部分的工作；应用层则通过应用变量接口ＡＶＩ处理过程变量的访问。消息服务协议则包含了ＯＳＩ定义的七层完备模型结构，实现网络管理信息、维系服务信息、故障诊断信息和旅客服务信息的非周期传输。消息数据作为偶发性数据采用目标寻址方式按需传输，数据从源设备发向目标设备或同一总线上的所有设备，总线上每个设备均有相应

硕士学位论文绪论的缓冲队列，分别用来存储己收和待发的消息数据。

如上所述，通用现场总线如Ｗ６ｒｌｄＦＩＰ、ＬｏｎＷ６ｒｋｓ和ＣＡＮ均可应用于列车控制系统的通信，而且随着现场总线技术的发展，应用前景更为广阔；而ＴＣＮ（ｗＴＢ和ＭⅦ）作为专门为列车通信网指定的标准，在初期制定时就有明确具体的列车级和车辆级的应用需求定义，其中包括：列车编组的自适应能力、实时的变量通信、非实时的消息通信、网络的可管理性和网络的可靠性。但也正是因为它是专门为列车通信网开发的，其适用范围、供货商、经济性均不如其他几种通用总线。

１．４课题背景意义及本文的主要内容

国内的列车网络及控制技术是在引进国外技术的基础上发展起来的，国外厂商只提供产品而不转让其核心技术。由于难以单独购买网络专用芯片等种种原因，目前仍是直接购买国外产品，或利用国外设计的高价网卡等进行系统集成，以此构成列车通信网络。曲于列车通信网络是一个系统工程，因此国内工程技术人员在掌握现代列车网络控制技术方面，除了要掌握计算机网络技术外，还需要充分了解现代列车传动控制、故障检测与诊断等诸多方面的新技术，需要进一步加强基础理论性的研究，真正从低层掌握核心技术，自下而上从深入了解网络低层协议入手，逐步掌握核心板卡及替代核心专用芯片方面的设计制造技术【６Ｊ。

当前国内的ＭｖＢ侧ＴＢ发展还面临着以下几个难题：

（１）目前ＭｖＢ用ＴＢ的产品和核心技术仍然由国外的几个公司垄断。’由于国外公司对ＭｖＢ／ＷＴＢ关键技术，尤其是核心器件——多功能车辆总线控制器（ＭｖＢＣ）芯片的垄断，都严重阻碍了国内厂家丌发列车通信网络产品，而整机引进的周期长且价格难以承受。

（２）国内对引进的ＭｖＢ删ＴＢ标准、技术的消化理解和二次丌发都做得不够。这不利于ＭｖＢ／ｗＴＢ技术在国内机车推广和使用，同时也不利于吸取经验研制自己的列车网络产品和制定自己的列车网络标准。国内对列车通信网络的研究较少，只有部分院校和研究所有所涉及，没有多少技术积累，且此类技术要求高、投入大，这些都导致国内列车通信网络研究进步缓慢１７】。

（３）产品的后期服务、升级换代、维修配件等方面都面临困难。由于铁路产品的生命周期相对较长，产品核心技术如果没有完全自主掌握，在产品的后期服务、维修配件和升级换代等方面必然受制于人，不利于铁路的发展。广州地铁、上海地铁、香港地铁和台湾地铁等都面临着这方面的问题。

本文主要分析了车辆总线网络和列车总线网络的技术要求，根据其技术要求将以太网通信技术和ＣＡＮ总线控制技术结合起来，设计一个嵌入式网关，应用９

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