TCNWTB設(shè)備線路冗余控制單元設(shè)計(jì)

1、TCN-WTB設(shè)備線路冗余控制單元設(shè)計(jì)胡修林，殷端，張?zhí)N玉（華中科技大學(xué) 電信系，湖北，武漢 ，430074）摘要：列車通信網(wǎng)TCN是面向控制的連接鐵路車載可編程電子設(shè)備的分布式數(shù)據(jù)通信局域網(wǎng)，它是控制、計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)等學(xué)科的交叉與集成。本文討論的絞線式列車總線的冗余控制功能用來保證WTB總線系統(tǒng)的高可靠性。文章全面分析了冗余控制功能單元，對(duì)線路模式選擇，線路受擾信號(hào)管理，切換控制，MAU報(bào)告進(jìn)行了詳細(xì)討論，對(duì)協(xié)議中未加限制的內(nèi)容提出了具體實(shí)現(xiàn)方案。最后用狀態(tài)機(jī)控制方式在FPGA上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：列車通信網(wǎng) 絞線式列車總線 可靠性 冗余控制 FPGA中圖分類號(hào)：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

2、BLine Redundancy Control Unit in TCN-WTB DevicesHuxiulin, Yinduan, Zhangyunyu(Electronics and Information Dept, Huazhong University of Science and Technology, Hubei, Wuhan ,430074)Abstract: Train communication network (TCN) is the local distributing network for data communication on the train, which

3、 connects the programmable electronic train devices. It is the crossing and integration of the control, computer and communication technology. This paper focuses on the Line Redundancy Control Unit in TCN-WTB Devices to ensure the high reliability of the systeme. This paper completely analyzes the f

4、unction of the Line Redundancy Control Unit, especially the line mode selection, the line disturbance signal management, switchover and the Medium Attachment Unit (MAU) report and proposes the method to implement the part that are not restricted by the standard. At last we implement the unit on FPGA

5、 using state control.Keywords: TCN, WTB, Redundancy Control, reliability ,FPGA1 TCN概述列車通信網(wǎng)（Train Communication Network,簡稱TCN）系列協(xié)議由國際電工委員會(huì)(IEC)第9技術(shù)委員會(huì)(TC9)和國際鐵路聯(lián)盟(UIC)聯(lián)合完成,并定稿為IEC613751標(biāo)準(zhǔn)1, IEEE定名為IEEE1473-T列車通信標(biāo)準(zhǔn)，用于列車的遠(yuǎn)程控制、診斷、維護(hù)和乘客信息實(shí)時(shí)管理。TCN包含兩種串行主從總線：1）絞線式列車總線(Wire Train Bus，簡稱WTB)，具有自配置功能，用來連接列車內(nèi)的

6、各個(gè)車廂。2）多功能車廂總線(Multifunction Vehicle Bus，簡稱MVB)，用來連接一個(gè)車廂（或一個(gè)不可分的車廂編組）內(nèi)的設(shè)備。TCN由WTB和MVB構(gòu)成兩級(jí)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們之間的列車總線節(jié)點(diǎn)連接兩級(jí)總線起著網(wǎng)關(guān)的作用，完成MVB和WTB之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)跨總線通信，同時(shí)執(zhí)行用戶應(yīng)用程序，完成WTB模塊和MVB模塊初始化、TCN網(wǎng)絡(luò)管理等功能。2 WTB線路上的幀對(duì)線路上的信號(hào)，WTB首先要進(jìn)行幀編碼和解碼，線路上的幀數(shù)據(jù)為曼徹斯特碼編碼。一幀信號(hào)由幀頭開始，接著是幀數(shù)據(jù)，最后由終止分界符結(jié)束。幀頭由電平為“1”的起始位S開始，隨后是若干個(gè)（0，1）位對(duì)（本設(shè)計(jì)中采用了

7、7對(duì)），最后以“1”結(jié)束。終止分界符為2.0BT（1BT 1個(gè)時(shí)間單位）寬的正電平。（如圖1所示）規(guī)范中定義了解碼器產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)：載波檢測(cè)信號(hào)（CS）和信號(hào)品質(zhì)錯(cuò)誤信號(hào)（SQE），用于信號(hào)品質(zhì)監(jiān)視和冗余切換。載波檢測(cè)信號(hào)CS：在檢測(cè)到幀頭最后一位后的0.5BT內(nèi)，解碼器使CS信號(hào)有效。在檢測(cè)到終止分界符，非0、非1或非終止分界符后的0.5BT 內(nèi)，解碼器應(yīng)使CS信號(hào)無效。信號(hào)品質(zhì)出錯(cuò)信號(hào)SQE：在檢測(cè)到幀頭的最后一位后的0.5BT內(nèi)，解碼器應(yīng)使SQE信號(hào)無效。CS信號(hào)有效后，在檢測(cè)到非0、非1或非終止分界符后的0.5BT 內(nèi)，解碼器使SQE信號(hào)有效。有效幀：一個(gè)包含了幀頭，一定數(shù)目的幀數(shù)據(jù)以及

8、一個(gè)終止分界符的幀定義為有效幀。當(dāng)CS信號(hào)有效后，如果SQE信號(hào)有效的時(shí)間超過0.5BT，則此幀定義為無效幀。3 冗余控制原理冗余方案采用雙線并行模式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過獨(dú)立的線路單元連接到冗余的兩總線上，同一車輛內(nèi)連接到雙線上的設(shè)備將相同的線標(biāo)識(shí)為Line_A和Line_B。節(jié)點(diǎn)通過線路A和線路B同時(shí)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，但節(jié)點(diǎn)只從其中的一條線路接收數(shù)據(jù)，此線路稱作信任線，節(jié)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)視另一線路，此線路稱作監(jiān)視線。冗余控制模塊控制總線傳輸和信任線選擇。它接收來自幀編碼器、幀解碼器和鏈路層主控器的信號(hào)完成控制功能，區(qū)分信任線和冗余線。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)其物理層產(chǎn)生的信號(hào)或其鏈路層的請(qǐng)求，獨(dú)立地選擇它的信任線和監(jiān)視

9、線，而不受其他節(jié)點(diǎn)的影響。4 冗余控制功能模塊設(shè)計(jì)冗余控制模塊完成四大功能：線路模式選擇2，線路受擾信號(hào)管理，切換控制，MAU報(bào)告，下面分別介紹（如圖2所示）。4.1 線路模式選擇在內(nèi)部寄存器中定義了only_trust_a和only_trust_b兩個(gè)對(duì)象來確定線路的模式，這兩個(gè)對(duì)象由應(yīng)用層來管理：1） only_trust_a1，only_trust_b0時(shí)為單線模式，永遠(yuǎn)信任a線。2） only_trust_a0, only_trust_b1時(shí)為單線模式，永遠(yuǎn)信任b線。3） only_trust_aonly_trust_b0，為雙線模式，開始時(shí)的信任線由初始化時(shí)的值決定，以后由切換策略導(dǎo)

10、致的切換結(jié)果決定。4） only_trust_aonly_trust_b 1，此種情況上層設(shè)計(jì)中保證其不出現(xiàn)。4.2 線路受擾信號(hào)管理連接到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的總線節(jié)上都有一個(gè)線路受擾信號(hào)（Line_Disturbance），由于接入線路各有兩個(gè)方向，則線路A的叫DA1和DA2，線路B的叫DB1和DB2。出現(xiàn)以下情況線路上的Line_Disturbance信號(hào)將被確認(rèn)：1）在線路上解碼器確認(rèn)了SQE信號(hào)；2）在冗余線路單元確認(rèn)了它的CS信號(hào)后的T_skew_r=32.0us時(shí)間內(nèi)，信任線解碼器沒有產(chǎn)生一個(gè)CS信號(hào)，即幀丟失，則幀丟失線路的Line_Disturbance信號(hào)被確認(rèn)。當(dāng)解碼器接收到一個(gè)有效

11、幀時(shí)，Line_Disturbance信號(hào)將被取消。在單線模式下，未使用的線路被看作是受到永久干擾的。4.3 切換控制出現(xiàn)以下情況時(shí)，轉(zhuǎn)換單元在T_switchover=64.0us的時(shí)間內(nèi)交換信任線和監(jiān)視線：1）信任線Line_Disturbance信號(hào)被確認(rèn)，而監(jiān)視線Line_Disturbance信號(hào)沒有被確認(rèn)。2）鏈路層請(qǐng)求交換（特別是幀長度、FCS或協(xié)議發(fā)生差錯(cuò)時(shí)）。4.4 MAU報(bào)告鏈路層應(yīng)知道和控制下層所有的狀態(tài)信息，冗余控制模塊通過MAU向鏈路管理層報(bào)告下列信息：1）通過哪條線路接受了一幀數(shù)據(jù)；2) 每條線路的每個(gè)方向上Line_Disturbance信號(hào)的狀態(tài)等。協(xié)議中只是規(guī)

12、定了很多信號(hào)的一般管理功能，而沒有給出精確和推薦的實(shí)現(xiàn)方式。在本設(shè)計(jì)中，不僅將系統(tǒng)變量按協(xié)議規(guī)定存儲(chǔ)在鏈路層寄存器中，同時(shí)在應(yīng)用層和鏈路層主控制器中動(dòng)態(tài)管理。這就使系統(tǒng)使用者能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)控制。此外冗余控完成的功能還包括：存儲(chǔ)器接口控制，保證鏈路層和應(yīng)用層之間信息的并行，一致性；初始化處理；錯(cuò)誤管理，記錄系統(tǒng)所有的錯(cuò)誤情況的統(tǒng)計(jì)。5 線路冗余控制實(shí)現(xiàn)5.1 bit錯(cuò)延時(shí)控制數(shù)據(jù)bit錯(cuò)由cs和sqe配合判斷，但由于cs和sqe信號(hào)是同時(shí)變化的，因此當(dāng)cs信號(hào)變化時(shí)sqe的狀態(tài)是不定的，如果此時(shí)立即判斷，很可能出現(xiàn)誤判，實(shí)現(xiàn)時(shí)采用在檢測(cè)到cs信號(hào)下降沿后，將cs信號(hào)延遲2個(gè)BT再檢測(cè)sqe信號(hào)，此

13、時(shí)sqe信號(hào)已經(jīng)穩(wěn)定，如果此時(shí)sqe為高則認(rèn)為出現(xiàn)bit錯(cuò)，否則認(rèn)為收到的幀為有效幀，從而來設(shè)置線路的Line_Disturbance信號(hào)【3】。5.2 時(shí)滯超時(shí)錯(cuò)由于信號(hào)在線路A和線路B上延時(shí)不同，因此它們的時(shí)滯（時(shí)間差）在發(fā)送器、接收器或線路上其他任何地方是不同的。在線路單元輸出端測(cè)得的同一方向線路A和線路B上信號(hào)的時(shí)滯不應(yīng)超T_skew_t=1.0us，接收器允許的最大接受時(shí)滯為T_skew_r=32.0us。雙線模式下，節(jié)點(diǎn)的兩接收器接收到的幀信號(hào)之間的時(shí)滯時(shí)間t_skew T_skew_r,則認(rèn)為沒有來幀的線路上幀丟失。下面對(duì)錯(cuò)誤情況做一個(gè)簡單分類【2】：1）任線的幀先來，在T_sk

14、ew_r內(nèi)收到冗余線的幀；2）任線的幀先來，在T_skew_r內(nèi)沒有冗余線的幀，即冗余線的幀丟失；3）冗余線的幀先來，在T_skew_r內(nèi)收到信任線的幀；4）冗余線的幀先來，在T_skew_r內(nèi)沒有信任線的幀，即信任線的幀丟失。冗余控制模塊時(shí)滯超時(shí)錯(cuò)，采用狀態(tài)機(jī)來控制。由前面介紹的功能要求，每種情況的執(zhí)行一般使用一個(gè)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)，有一些還是要使用多個(gè)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。圖4中s0為等待狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)幀到來時(shí)根據(jù)是信任線還是冗余線上的幀先來或同時(shí)來狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)跳轉(zhuǎn)，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，檢測(cè)另外的一條線路上的幀的到來時(shí)間是否超時(shí)。如果在超時(shí)時(shí)間內(nèi)到來，則系統(tǒng)狀態(tài)將由s2跳轉(zhuǎn)到s0等待下一幀的到來。協(xié)議中定義的T_

15、skew_r由線路物理特性來滿足，一旦超時(shí)，則為物理層問題，線上的數(shù)據(jù)幀將丟失，為了使對(duì)幀丟失的判斷更加可靠，引入了一個(gè)冗余時(shí)間t_en.在某一線路上幀出現(xiàn)后的T_skew_rt_en時(shí)間內(nèi)，如果另一線上的幀沒有出現(xiàn)才認(rèn)為該幀丟失。圖4中從s5狀態(tài)到s0狀態(tài)跳轉(zhuǎn)時(shí)，信任線的Line_Disturbance信號(hào)被確認(rèn)。根據(jù)以上兩種情況，綜合判斷兩線的Line_Disturbance信號(hào)，完成線路冗余切換。6 結(jié)論列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是現(xiàn)代列車的核心技術(shù)之一，目前國外主要鐵路機(jī)車設(shè)備制造企業(yè)如Siemens，Bombardier和Unicontrol等已經(jīng)開發(fā)出比較完整的TCN網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)品,而我國對(duì)T

16、CN的研究還處于起步階段，在此形勢(shì)下研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TCN網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，對(duì)我國鐵路網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)核心競(jìng)爭力的提升具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。列車通信網(wǎng)絡(luò)的硬件隨著可編程片上系統(tǒng)發(fā)展將具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁剪、可擴(kuò)充、可升級(jí)、并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。文中討論的WTB冗余控制模塊是國內(nèi)的首篇公開討論，在ALTERA公司的FPGA芯片EP1C20F324I7上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，該模塊配置靈活，修改方便，性能完全達(dá)到要求，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足列車通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文是國內(nèi)WTB冗余控制模塊基于FPGA實(shí)現(xiàn)的首篇公開討論，本文采用自頂向下設(shè)計(jì)方法，通過設(shè)備功能分析來實(shí)現(xiàn)總線協(xié)議的方法，在今后

17、的研究中也具有一定的借鑒意義。參考文獻(xiàn)1 IEC 61375-1, Train Communication NetworkS.2 Juan Carlos Moreno,Eduardo Jess Laloya and Jess Navarro, “Line Redundancy in MVB-TCN Devices: A Control Unit Design”, IEEE MELECON 2006, May 16-19.3 王劍, 趙海燕，基于CPLD的控制器冗余設(shè)計(jì),微計(jì)算機(jī)信息，2005，8-2：114-116.基金資助：國防預(yù)研基金資助項(xiàng)目（51421010705jw0523）作者介紹：

18、胡修林（1945），男，華中科技大學(xué)，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：通信理論、現(xiàn)代通信系統(tǒng)與通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信。殷 端（1982），男, 華中科技大學(xué)，電信系碩士研究生，研究方向：通信與信息系統(tǒng)，衛(wèi)星通信,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，IC設(shè)計(jì),嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。張?zhí)N玉（1948），女，華中科技大學(xué)，電信系教授，主要研究方向：通信系統(tǒng)，軟件無線電、虛擬儀器及智能控制。Author Introduction：Huxiulin（1945）,male, Huazhong University of Science and Technology , Professor.Engaged in the application research and development of communication system, network, satellite communication and so on.Yinduan（1945）,male, Huazhong University of Science and Technology , master, researches include communication system, network, satellite communication, IC design and embedded