本文關鍵詞：基于以太網(wǎng)和CAN總線控制的列車通信網(wǎng)絡研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

碩士學位論文緒論１．２．２國內(nèi)列車通信網(wǎng)絡發(fā)展情；從上世紀９０年代中期開始，我國開始自行研發(fā)列車通；ＴＣＮ產(chǎn)品與國外其他公司相關產(chǎn)品的兼容性，近年來；另外，國內(nèi)眾多單位對其他現(xiàn)場總線在列車通信網(wǎng)絡中；然而，由于投資相對較少、起步相對較晚等諸多原因，；碩：七學位論文緒論統(tǒng)的性能，我們應從列車通信網(wǎng)絡；１．３國內(nèi)外幾種主流列車通信網(wǎng)技術的比較；目前國內(nèi)外成功應用

碩士學位論文緒論１．２．２國內(nèi)列車通信網(wǎng)絡發(fā)展情況

從上世紀９０年代中期開始，我國開始自行研發(fā)列車通信網(wǎng)絡，但發(fā)展速度較慢。隨著高速動車組和地鐵城軌列車在我國的飛速發(fā)展，我們對高效安全實時的列車通信網(wǎng)絡的需求十分迫切。針對此問題，鐵道部組織開展了列車通信網(wǎng)絡的研究課題。國內(nèi)許多單位先后開展了自主開發(fā)、聯(lián)合開發(fā)或技術引進等工作，主要集中在現(xiàn)場總線、Ｌｏｎｗａｒｄｓ、ＴＣＮ標準總線和基于ＲＳ４８５通信協(xié)議等領域內(nèi)展開：同濟大學與中國南車株洲電力機車研究所首先在ＴｃＮ標準總線方面作了大量的前期探討工作，對列車通信網(wǎng)的發(fā)展起到了重要的啟蒙作用；西南交通大學對列車網(wǎng)絡控制中的旅客信息管理進行了研究，并設計出了相關硬件終端平臺；中國南車株洲電力機車研究所、中國北車四方車輛研究所在對國外ＭｖＢ、ＷＴＢ等網(wǎng)絡產(chǎn)品消化吸收的基礎上分別進行了自主研發(fā)，研制了具有自主知識產(chǎn)權的ＭｖＢ網(wǎng)卡、ｗＴＢ網(wǎng)卡、ＭＶＢ／４８５網(wǎng)關等ＴＣＮ設備，并將其應用于我國自行研制的具有自主知識產(chǎn)權的“中華之星＂等高速列車中【３１；為了確保國產(chǎn)化

‘

ＴＣＮ產(chǎn)品與國外其他公司相關產(chǎn)品的兼容性，近年來，同濟大學、蘭州交通大學、中國南車青島四方機車車輛股份有限公司等單位對ＴＣＮ網(wǎng)絡的一致性測試進行了研究，將自主研發(fā)的ＭｖＢ、ＷＴＢ產(chǎn)品與國外的龐巴迪公司、西門子公司、川崎重工等同類相應產(chǎn)品的互連互通進行了測試，提出了ＴＣＮ一致性測試規(guī)范；西南交通大學、北京交通大學等單位針對ＭｖＢ和ＷＴＢ等核心器件單獨購置比較困難的現(xiàn)狀，對這些器件用ＦＰＧＡ來進行設計。另外，鐵道科學研究院、北京交通大學、西南交通大學、中國南車戚墅堰工藝研究所、中國北車四方機車車輛研究所等單位對ＭＶＢ、ＷＴＢ網(wǎng)絡產(chǎn)品也進行了研究，有些己購買或準備購買’ＭＶＢ、ＷＴＢ的開發(fā)工具用于國產(chǎn)化產(chǎn)品的開發(fā)工作。

另外，國內(nèi)眾多單位對其他現(xiàn)場總線在列車通信網(wǎng)絡中的應用也進行了研究。中國南車株洲電力機車研究所、中國北車四方機車車輛研究所、中國南車戚墅堰工藝研究所等對ＬｏｎＷｏｒｋｓ總線進行了研究，并將其應用于改造后的內(nèi)燃動車組的通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中；鐵道科學研究院和同濟大學等對ｗｏｒｌｄＦＩＰ總線在列車通信網(wǎng)絡中的應用進行了一定的研究，并提出了可行性建議；國防科技大學在ＣＡＮ總線作為磁懸浮列車的列車總線方面進行了深入的研究；中國南車株洲電力機車研究所對ＣＡＮ總線用于列車監(jiān)控裝置和擺式列車局部控制總線進行了研究；同濟大學針對ＣＡＮ總線作為連接司機控制平臺和列車控制單元的局部總線做了一些具體的工作等等。

然而，由于投資相對較少、起步相對較晚等諸多原因，我國列車通信網(wǎng)絡的技術水平與國外先進水平相比還存在很大的差距。為了提高國內(nèi)列車網(wǎng)絡控制系

碩：七學位論文緒論統(tǒng)的性能，我們應從列車通信網(wǎng)絡的核心技術、我國的具體國情等各個方面考慮，并對目前國際上流行的列車網(wǎng)絡技術進行消化吸收和借鑒，研制適合我國軌道交通行業(yè)現(xiàn)狀和未來發(fā)展需要的列車網(wǎng)絡總線，以便更好的為廣大旅客服務，為和諧鐵路作出貢獻。

１．３國內(nèi)外幾種主流列車通信網(wǎng)技術的比較

目前國內(nèi)外成功應用于列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場總線主要包括以下幾種：Ｌｏｎｗｏｒｋｓ、ＷｂｒｌｄＦＩＰ、ＣＡＮ、ＭＶＢ和ＷＴＢ幾種。這幾種總線各自有各自的優(yōu)勢，但也有其缺點，下面簡要介紹下各個總線的特點：

ＬｏｎＷｂｒｋｓ是美國Ｅｃｈｅｌｏｎ公司于１９９１年推出的一種局部操作控制網(wǎng)絡協(xié)議，也就是美國國家標準ＡＮＳＩ／ＥＩＡ７０９．１．１９９８。它采用了面向對象的設計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置；支持雙絞線、射頻、紅外線、同軸電纜、光纖和電力線等多種傳輸介質(zhì)，支持本質(zhì)安全防爆；采用雙絞線通信時，其通信速率從３００ｂｐｓ到１．５Ｍｂｐｓ不等，直接通信距離可達２７００州７８Ｋｂｐｓ／每段６４個節(jié)點和１３０ＩＩｌ／１．２５ｍｐｓ／每段６４個節(jié)點。

ＬｏｎＷｂｒｋｓ采用帶優(yōu)先級機制的預測Ｐ．峰持ＣＳＭＡ通信介質(zhì)訪問控制方式，它所采用的ＬｏｎＴａｌｋ?yún)f(xié)議被封裝在Ｎｅｕｒｏｎ神經(jīng)元芯片中得以實現(xiàn)，遵循ＩＳｏ／ＯＳＩ參考模型的全部七層協(xié)議，不僅具備局域網(wǎng)的基本功能，而且支持全面的網(wǎng)絡管理，與異型網(wǎng)的兼容性比現(xiàn)存的任何現(xiàn)場總線都好。

目前ＬｏｎＷ６ｒｋｓ技術不僅廣泛應用在工業(yè)、家庭、樓宇、能源等自動化領域，在交通運輸方面也應用普遍。Ｌｏｎｗｏｒｋｓ在美國鐵路列車上應用較為廣泛，在國內(nèi)鐵路也有成功的應用。ＩＥＥＥ將Ｌｏｎｗｏｒｋｓ作為其制訂的列車通信協(xié)議標準的一部分（Ｔｙｐｅ．Ｌ），與列車通信網(wǎng)絡ＴＣＮ標準正ＩＥＣ６１３７５．１（Ｔ”ｅ．Ｔ）共同構成ＩＥＥＥ】４７３。

Ｗｂ訂ｄＦＩＰ是歐洲標準ＥＮ５０１７０的第三部分，它是在法國標準ＦＩＰ．Ｃ４６．６０１／Ｃ４６．６０７的基礎上采納了ｌＥＣ物理層國際標準（６１ｌ５８．２）而發(fā)展起來的。早在８０年代中期，以法國幾家大公司為主要成員的ＦＩＰ組織開發(fā)了工業(yè)現(xiàn)場總線ＦＩＰ（ＦａｃｔｏＤ，ＩｎｆｏｍｌａｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃ０１），并成為法國標準ＮＦＣ４６．６００，主要６

碩ｉ＝學位論文緒論應用于自動化領域現(xiàn)場設備和控制器以及控制器之間的數(shù)字化連接；１９９３年３月ＦＩＰ采納了現(xiàn)場總線國際標準ＩＥＣ６１１５８．２而成為ｗｂｒｌｄＦＩＰ，與Ｐ．Ｎｅｔ、ｐｒｏ矗ｂｕｓ一起共同成為歐洲標準ＥＮ５０１７０的一部分，目前主要成員包括ＡｌｓｔｏｍＡｌｌｅｎＢｒａｄｌｅｙ、、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ、ｓｃｈＩｌｅｉｄｅｒ等１２０多個公司，其目標是建立一種開放性的、相互兼容的現(xiàn)場總線。經(jīng)過十多年的努力，ＷｂｄｄＦＩＰ己發(fā)展成為具有豐富軟硬件產(chǎn)品支持并且自成系統(tǒng)的現(xiàn)場總線標準，，被廣泛應用于化工、能源、交通運輸?shù)裙I(yè)控制領域。法國ＡＬｓＴＯＭ公司將ｗ６ｒｌｄＦＩＰ作為標準通信協(xié)議成功應用于ＴＧＶ高速列車當中。

ｗｂｒｌｄＦＩＰ支持星型和總線型的拓撲結構，傳輸介質(zhì)可采用光纖和屏蔽雙絞線。傳輸速率有３１．２５ｋｂｐｓ至２５Ｍｂｐｓ五個不同等級，其中典型速率為１Ｍｂｐｓ。采用屏蔽雙絞線通信時，最大傳輸距離可達２０＆Ⅳ３１．２５Ｋｂｐｓ。

ｗｂｒｌｄＦＩＰ采用ＩＳｏ／ＯｓＩ參考模型的３層結構：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，提供消息服務、變量服務和網(wǎng)絡管理服務。在數(shù)據(jù)鏈路層，ｗｂｄｄＦＩＰ采用集中控制、周期性預分配的主——從方式對總線介質(zhì)訪問進行控制，并通過總線上唯一的總線仲裁器ＢＡ（Ｂｕｓ舳ｉｔｒａｔｏｒ）來實現(xiàn)仲裁控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。另外，為提高通信的可靠性，ｗｂｒｉｄＦＩＰ還支持介質(zhì)冗余、ＢＡ冗余以及ＭａｎＣｈｅｓｔｅｒ編碼等多種方式。

１．３．３ＣＡＮ總線

ＣＡＮ總線最初是由德國ＢＯＳＣＨ公司在２０世紀８０年代初期為解決現(xiàn)代汽車中眾多電子控制單元（ＥＣＵ）與測試儀器之間交換信息而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，現(xiàn)己成為國際標準ＩＳ０１１８９８（高速應用）和ＩＳ０１１５１９（低速應用），并獲得了非常廣泛的應用。ＣＡＮ總線不僅應用于離散控制領域中的過程監(jiān)測與控制，特別是工業(yè)自動化的低層監(jiān)控，以解決控制與測試之間可靠和實時數(shù)據(jù)的交換，而且在列車通信中也得到了一定的應用。

ＣＡＮ總線支持總線型的拓撲結構，傳輸介質(zhì)可采用雙絞線、光纖和同軸電纜等。采用雙絞線通信時，最高速率為１Ｍｂｐｓ／４０ｍ，最大傳輸距離可達ｌＯｌ洲５Ｋｂｐｓ。ＣＡＮ總線采用了ＩＳｏ／ＯｓＩ參考模型的兩層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其中數(shù)據(jù)鏈路層包括介質(zhì)訪問控制子層ＭＡＣ和邏輯鏈路控制子層ＬＬＣ。ＣＡＮ總線采用帶優(yōu)先級機制的ＣＳＭ～ＣＡ方式對通信介質(zhì)進行訪問控制，支持非破壞性的逐位仲裁機制，并具有支持多主訪問等功能。

ＣＡＮ總線具有突出的差錯檢驗機理，具有五種錯誤檢測、出錯標定和故障界定功能；由于其信息傳輸采用了短幀結構（有效數(shù)據(jù)最多為８個字節(jié)），因而受干擾率低，傳輸時間短，可以滿足現(xiàn)場控制的實時性要求，同時還具有極高的

碩．卜學位論文緒論通信靈活性和傳輸效率。另外，ＣＡＮ總線節(jié)點在嚴重錯誤的情況下，還具有自動關閉輸出的功能，以使總線上其它節(jié)點的操作不受影響，具有極高的安全性。

作為一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網(wǎng)絡，ＣＡＮ總線還具有比其它現(xiàn)場總線低的開發(fā)費用，因此它特別適合于分布式控制應用中的設備之間的連接，在列車通信網(wǎng)絡中用于車輛總線非常合適。但由于其缺乏長報文大數(shù)據(jù)量消息傳輸能力和傳輸距離受限，所以不適合用作列車總線，在用作列車總線時需做一定的處理。

１．３．４ＴＣＮ

ＴＣＮ是ＩＥＣ專門為列車通信網(wǎng)制定的標準，包括實時通信協(xié)議（Ｉ玎Ｐ）、絞式列車總線（ＷＴＢ）、多功能車輛總線（ＭｖＢ），這幾種技術作為相對比較獨立的部分有其各自的體系結構，理論上可以在ＷＴＢ和ＭＶＢ上運行非Ｉ�。械钠渌麉f(xié)議，而Ｉ盯Ｐ也可以作為除ｗＴＢ和ＭＶＢ外其他總線上的通信協(xié)議，但一般情況下，還是把他們作為一個整體來考劇卯。’

多功能車輛總線ＭｖＢ主要用于在一個車輛或固定編組的幾個車輛內(nèi)連接各種可編程設備以及現(xiàn)場傳感器，也可在固定編組的列車中用作列車總線。ＭＶＢ是以瑞士Ｌ０ｋ４６０機車上創(chuàng)始的總線為基礎而制訂的一種專用現(xiàn)場總線標準，并已在６００多輛機車車輛上得到成功應用。

絞線式列車總線ＷＴＢ是以德國ＤＩＮｖ４３３２２和意大利ＣＤ４５０高速列車的數(shù)據(jù)通信經(jīng)驗為基礎而制定的專用現(xiàn)場總線標準，它具有很強的編組自適應能力，主要用于在日常運營中需經(jīng)常動態(tài)改變編組的列車中連接各車輛，也可在固定編組的列車中充當列車總線。

ＭｖＢ和ＷＴＢ采用集中控制、周期性預分配的主一從方式對總線介質(zhì)進行訪問控制，這種訪問通過總線上唯一的稱為總線管理器（ＢｕｓＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｏｒ）的主節(jié)點來完成。同時，ＭＶＢ和ＷＴＢ支持總線上周期性過程數(shù)據(jù)（變量）和非周期性消息數(shù)據(jù)兩類信息的傳輸，并對兩類數(shù)據(jù)傳輸服務分別定義了兩種不同的網(wǎng)絡體系結構。過程變量服務的協(xié)議只包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層（分為介質(zhì)訪問控制ＭＡＣ子層和邏輯鏈路控制ＬＬＣ子層）和應用層三個層次，用以傳輸周期性的控制命令和控制變量，以實現(xiàn)控制的實時性要求。其中數(shù)據(jù)鏈路層主要通過鏈路過程數(shù)據(jù)接口ＬＰＩ處理端口和通信緩存的操作，完成協(xié)議大部分的工作；應用層則通過應用變量接口ＡＶＩ處理過程變量的訪問。消息服務協(xié)議則包含了ＯＳＩ定義的七層完備模型結構，實現(xiàn)網(wǎng)絡管理信息、維系服務信息、故障診斷信息和旅客服務信息的非周期傳輸。消息數(shù)據(jù)作為偶發(fā)性數(shù)據(jù)采用目標尋址方式按需傳輸，數(shù)據(jù)從源設備發(fā)向目標設備或同一總線上的所有設備，總線上每個設備均有相應

碩士學位論文緒論的緩沖隊列，分別用來存儲己收和待發(fā)的消息數(shù)據(jù)。

如上所述，通用現(xiàn)場總線如Ｗ６ｒｌｄＦＩＰ、ＬｏｎＷ６ｒｋｓ和ＣＡＮ均可應用于列車控制系統(tǒng)的通信，而且隨著現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，應用前景更為廣闊；而ＴＣＮ（ｗＴＢ和ＭⅦ）作為專門為列車通信網(wǎng)指定的標準，在初期制定時就有明確具體的列車級和車輛級的應用需求定義，其中包括：列車編組的自適應能力、實時的變量通信、非實時的消息通信、網(wǎng)絡的可管理性和網(wǎng)絡的可靠性。但也正是因為它是專門為列車通信網(wǎng)開發(fā)的，其適用范圍、供貨商、經(jīng)濟性均不如其他幾種通用總線。

１．４課題背景意義及本文的主要內(nèi)容

國內(nèi)的列車網(wǎng)絡及控制技術是在引進國外技術的基礎上發(fā)展起來的，國外廠商只提供產(chǎn)品而不轉讓其核心技術。由于難以單獨購買網(wǎng)絡專用芯片等種種原因，目前仍是直接購買國外產(chǎn)品，或利用國外設計的高價網(wǎng)卡等進行系統(tǒng)集成，以此構成列車通信網(wǎng)絡。曲于列車通信網(wǎng)絡是一個系統(tǒng)工程，因此國內(nèi)工程技術人員在掌握現(xiàn)代列車網(wǎng)絡控制技術方面，除了要掌握計算機網(wǎng)絡技術外，還需要充分了解現(xiàn)代列車傳動控制、故障檢測與診斷等諸多方面的新技術，需要進一步加強基礎理論性的研究，真正從低層掌握核心技術，自下而上從深入了解網(wǎng)絡低層協(xié)議入手，逐步掌握核心板卡及替代核心專用芯片方面的設計制造技術【６Ｊ。

當前國內(nèi)的ＭｖＢ側ＴＢ發(fā)展還面臨著以下幾個難題：

（１）目前ＭｖＢ用ＴＢ的產(chǎn)品和核心技術仍然由國外的幾個公司壟斷�！捎趪夤緦Γ停觯拢祝裕玛P鍵技術，尤其是核心器件——多功能車輛總線控制器（ＭｖＢＣ）芯片的壟斷，都嚴重阻礙了國內(nèi)廠家丌發(fā)列車通信網(wǎng)絡產(chǎn)品，而整機引進的周期長且價格難以承受。

（２）國內(nèi)對引進的ＭｖＢ刪ＴＢ標準、技術的消化理解和二次丌發(fā)都做得不夠。這不利于ＭｖＢ／ｗＴＢ技術在國內(nèi)機車推廣和使用，同時也不利于吸取經(jīng)驗研制自己的列車網(wǎng)絡產(chǎn)品和制定自己的列車網(wǎng)絡標準。國內(nèi)對列車通信網(wǎng)絡的研究較少，只有部分院校和研究所有所涉及，沒有多少技術積累，且此類技術要求高、投入大，這些都導致國內(nèi)列車通信網(wǎng)絡研究進步緩慢１７】。

（３）產(chǎn)品的后期服務、升級換代、維修配件等方面都面臨困難。由于鐵路產(chǎn)品的生命周期相對較長，產(chǎn)品核心技術如果沒有完全自主掌握，在產(chǎn)品的后期服務、維修配件和升級換代等方面必然受制于人，不利于鐵路的發(fā)展。廣州地鐵、上海地鐵、香港地鐵和臺灣地鐵等都面臨著這方面的問題。

本文主要分析了車輛總線網(wǎng)絡和列車總線網(wǎng)絡的技術要求，根據(jù)其技術要求將以太網(wǎng)通信技術和ＣＡＮ總線控制技術結合起來，設計一個嵌入式網(wǎng)關，應用９

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