【文章內(nèi)容簡介】 線，北京地鐵15號線、房山線、昌平線、亦莊線，廣州地鐵8號線等）均廣泛采用。 TCN列車網(wǎng)絡的研究推廣自從TCN國際標準推出以后，得到了越來越廣泛的應用。究其原因，離不開TCN網(wǎng)絡自身的實時、可靠、安全、開放的優(yōu)點，能很好地滿足列車通信需求。當然，更離不開Siemens、Bombardier等大公司不遺余力的研發(fā)和推廣，使得支持和應用TCN產(chǎn)品的公司和國家在十幾年間有了很大的增長。在TCN標準采納以后，世界范圍內(nèi)很多研究單位積極地設計了相應的電路、仿真軟件和驗證工具，極大地推進了TCN技術的發(fā)展。 TCN列車網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢從TCN標準推出到今天，已經(jīng)十余年了，期間各方面科學技術飛速發(fā)展。可以說，盡管TCN標準的推出為解決列車以及車載控制設備之間的相互聯(lián)掛的問題貢獻巨大，但總體看來，TCN網(wǎng)絡技術中的核心部分仍基本由若干家大公司所壟斷，技術門檻較高也限制了它更大范圍的應用。TCN并沒有完全滿足列車在所有場合的控制需要，在技術與日俱新的今天，它需要新的發(fā)展。 列車網(wǎng)絡技術已經(jīng)成熟，也是當代軌道車輛必然采用的核心技術之一。隨著通信網(wǎng)絡技術的應用范圍不斷擴大，用戶對網(wǎng)絡的開放性、性價比、開發(fā)和應用的多樣性及靈活性等方面都提出了更高的要求。由于TCN網(wǎng)絡自身也難免存在一些不足，所以不可能完全取代其他形式的控制網(wǎng)絡，完全滿足鐵路用戶的所有應用需求。因此，在將來，列車網(wǎng)絡技術不可能是TCN的天下，必然是多種網(wǎng)絡技術的融合。列車控制網(wǎng)絡技術的發(fā)展趨勢可能會是以TCN為主，在軌道車輛的高速動車組、地鐵車輛等高端市場應用；其他各種形式的總線形式作為列車網(wǎng)絡的重要補充，在各種適用的場合找到應用的空間。這些通用網(wǎng)絡技術在今后一段時間內(nèi)將和原有TCN網(wǎng)絡共同發(fā)展，取長補短并相互融合，形成有機的整體。 另外，隨著列車通信要求的不斷提高，TCN自身方面的改進是必要的。如在可靠性方面，目前對列車通信網(wǎng)絡的可靠性進行量化的評估在國內(nèi)外還是鮮見的，對于可靠性要求高的列車網(wǎng)絡，全面引入可靠性工程的分析、評價、設計及驗證的方法是必要的；在安全性方面，近些年提出了功能安全通信的理念，并在2007年推出了《IEC617843用于工業(yè)網(wǎng)絡功能安全通信行規(guī)》國際標準，隨后很多種用于工業(yè)控制的總線標準也應用該標準，對自身的協(xié)議加以完善，添加了功能安全通信層來保證通信網(wǎng)絡的功能完整性等級。那么，列車通信網(wǎng)絡對安全性如此強調(diào)的總線形式，是否要執(zhí)行功能安全標準，是非常值得考慮的問題。隨著列車服務質(zhì)量水平和乘客需求的不斷提高，列車信息化服務的要求也越來越高，TCN在此方面顯然是不能滿足的。因此，為乘客提供優(yōu)質(zhì)的信息娛樂服務，包括移動電視、移動網(wǎng)絡等，也必將是TCN未來的方向。 WTB總線 絞線式列車總線WTB目前，現(xiàn)場總線在列車上有許多成功的應用?但大部分都局限于車輛內(nèi)部，或者固定編組的列車。絞線式列車總線（WTB）是一種串行數(shù)據(jù)通信總線，它是以列車運行控制計算機為核心?通過列車總線將各個車輛控制計算機節(jié)點連接起來，形成上層分布式網(wǎng)絡。WTB主要設計用于經(jīng)常相互連掛和解掛的重聯(lián)車輛（經(jīng)常相互連掛和解掛是國際UIC列車經(jīng)常用到的一種情況）。WTB總線由與總線節(jié)互連的節(jié)點組成，總線節(jié)由沿車輛走的干線電纜、連接不同車輛干線電纜的跨接電纜以及為達各節(jié)點而對干線電纜進行延伸的擴展電纜組成。在常規(guī)操作中，每個節(jié)點將被插入到干線電纜中，連接兩個總線節(jié)（1）位于總線末端的節(jié)點，或者說末端節(jié)點，將在電氣上終止連接它們的兩個總線節(jié)，（2）位于總線中間的節(jié)點，或者說中間節(jié)點，將在電氣上連接到它們的兩個總線節(jié)。連接到一個節(jié)點的兩個電纜節(jié)將被命名為方向1和方向2在一列車的每個車輛中可以有一個或幾個節(jié)點，節(jié)點通過介質(zhì)附件MAU連到介質(zhì)上。MAU由線路單元,方向轉(zhuǎn)換器,主通道、輔助通道組成。一個線路單元由以下幾部分組成：（1）一個總線開關Kb用于兩個方向的連接或斷開；（2）兩個端接器開關Kt1和Kt2，每個方向一個，在末端設定中通過它在節(jié)點中插入端接器，在中間設定中通過它斷開端接器；（3）兩個收發(fā)器（發(fā)送器/接收器）電路，每個方向一個。每個發(fā)送器由二進制信號TxS（信號）和TxE（使能）控制。接收器的輸出信號是Rxs（一個數(shù)字信號或模擬信號）。收發(fā)器通過適當?shù)姆椒?例如采用變壓器，實現(xiàn)與線路的電氣隔離；（4）兩個曼徹斯特編碼、解碼器，每個收發(fā)器一個，它們可分別集成在各自的發(fā)送器或接收器內(nèi)。曼徹斯特編碼/解碼器的輸出和輸入定義為一個調(diào)制解調(diào)器接口：（5）與隔離開關相連的過壓保護/短路保護電路。WTB幀數(shù)據(jù)格式與IOS/IEC3309種規(guī)定的HDLC(高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程)幀格式一致。如圖311,一幀數(shù)據(jù)以一個標志符“01111110”開始，它和結束標志符是為解決數(shù)據(jù)鏈路層幀同步的問題而設的，一起作為幀邊界。接著是HDLC數(shù)據(jù),HDLC幀包括至少32位,最多1056位數(shù)據(jù)(不計算IOS3309中預見的填充位)。這樣在接收端,只要找到標志字段,就可以確定一幀的位置。WTB幀以與起始標志相同的結束標志結束?結束標志符不可當作為下一幀的起始標志符使用。 WTB介質(zhì)訪問一般有動力裝置的車廂（動車和機車）內(nèi)的節(jié)點作為主節(jié)點，無動力裝置的車廂內(nèi)的節(jié)點作為從節(jié)點。WTB介質(zhì)訪問控制方式為主，從控制方式，每一列車在運行中必須有且僅有一個控制總線工作的節(jié)點，稱為控制節(jié)點?？刂乒?jié)點必須是主節(jié)點，一般情況下以前導機車內(nèi)的主節(jié)點為控制節(jié)點，稱為主控節(jié)點。主控節(jié)點管理列車總線的運行，必要時主控節(jié)點可以切換，車廂總線由各車廂內(nèi)的節(jié)點管理運行。主設備節(jié)點負責介質(zhì)訪問，其它所有節(jié)點都是從設備，只在被主設備輪詢時響應。常規(guī)操作中，主設備的操作循環(huán)進行。它把總線動作分配到若干基本周期。為保證過程數(shù)據(jù)確定、及時的發(fā)送，主設備按事先定義的特征周期輪詢各節(jié)點以獲取周期數(shù)據(jù)。在兩個周期相之間的固定時間內(nèi)，主設備輪詢從設備以獲取偶發(fā)性數(shù)據(jù)。組成改變時，每個節(jié)點向主設備聲明自己要求在哪個周期被輪詢。主設備據(jù)此為節(jié)點建立輪詢策略。主節(jié)點將總線帶寬以25ms為基本周期進行劃分，基本周期又分解為周期相和偶發(fā)相。主節(jié)點按預先生成的周期列表依次請求從節(jié)點向總線廣播其過程數(shù)據(jù)。此外有消息數(shù)據(jù)發(fā)送的從節(jié)點還在其過程數(shù)據(jù)中發(fā)送一個請求標志，主節(jié)點將記錄此請求?；局芷谥兄芷谙嘀蟮牟糠质桥及l(fā)相，在此期間主節(jié)點向請求發(fā)送消息數(shù)據(jù)的節(jié)點依次發(fā)送消息數(shù)據(jù)傳送請求，收到請求的節(jié)點將要發(fā)送的消息數(shù)據(jù)發(fā)向目的節(jié)點。從節(jié)點在主控節(jié)點的輪詢下向主應用或其它從應用發(fā)送過程數(shù)據(jù)，并在有消息數(shù)據(jù)需發(fā)送時，主動在25ms內(nèi)過程數(shù)據(jù)發(fā)送完畢期間，也即偶發(fā)相（相對周期相而言）利用分配的消息時間片向主節(jié)點或其它從節(jié)點發(fā)送該消息數(shù)據(jù)。 第三章 微機控制基礎 微型計算機的概述 微機簡介與發(fā)展微型計算機系統(tǒng)簡稱“微機系統(tǒng)”。是由微型計算機、顯示器、輸入輸出設備、電源及控制面板等組成的計算機系統(tǒng)。配有操作系統(tǒng)、高級語言和多種工具性軟件等?！拔C系統(tǒng)”是20世紀最重要的科技成果之一。它是一種能自動、高速、精確地處理信息的現(xiàn)代化電子設備，計算機具有算術運算和邏輯判斷能力，并能通過預先編好的程序來自動完成數(shù)據(jù)的加工處理，因此，也可以說計算機也是一種幫助人類從事腦力勞動(包括記憶、計算、分析、判斷、設計、咨詢、診斷、決策、學習和創(chuàng)造等思維活動)的工具?，F(xiàn)在，計算機的應用已深入到社會的各個角落，極大地改變著人們的工作、學習和生活方式，成為信息時代的主要標志。計算機從誕生到現(xiàn)在不過半個多世紀， 但是它的發(fā)展速度是驚人的， 它把人 類的計算速度提高了數(shù)千億倍。計算機的發(fā)展先后經(jīng)歷了電子管、 晶體管、 大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路為主要器件的四個發(fā)展時代。 預計在不久的將來，將誕生以超導器件、電子仿真、集成光路等技術支撐的第五代計算機。計算機總的發(fā)展趨勢是朝著巨型化、微型化、網(wǎng)絡化、智能化、多媒體化發(fā)展。1946年2月，在美國賓夕法尼亞大學誕生了世界上第一臺計算機ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)。這臺計算機由電子管組成，每秒可進行5000次的加法運算，而且采用了著名的數(shù)學家馮諾依曼(，美籍匈牙利人) 的“存儲程序” 的設計思想， 即采用二進制計算、存儲程序并在程序控制下自動執(zhí)行的思想。以后，這種模式的計算機被稱為“馮 諾依曼機” 。 計算機發(fā)展至今， 一直沿用“存儲程序” 的思想。這是計算機科學發(fā)展史上的一個重要里程碑，它奠定了計算機發(fā)展的科學基礎。 微機的特點與應用主要特點； 1) 體積小、質(zhì)量輕、功耗低；由于微機中廣泛采用了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，從而使微機的體積大大縮小。amp。sup2；芯片面積上。隨著超大規(guī)模集成電路技術的不斷發(fā)展，今后推出的微處理器集成度會更高。 2) 可靠性高、使用環(huán)境要求低由于微機采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，系統(tǒng)內(nèi)使用的器件數(shù)量減少，器件、部件之間的連線以及接插件數(shù)目也相應地減少，而且MOS電路本身工作所需的功耗也很低，所以微機的可靠性大大提高。進而降低了對使用環(huán)境的要求。普通家庭、辦公室環(huán)境就可滿足要求，促進了微機的普及。 3) 結構簡單、系統(tǒng)設計靈活、適應性強、使用方便微機多采用模塊化的硬件結構，構成系統(tǒng)的各功能部件和各種適配器通過標準的總線插槽相連， 增加了系統(tǒng)擴充的靈活性和方便性?，F(xiàn)代微處理器芯片及其相應的支持邏輯、I/O接口等都有標準化、系列化的產(chǎn)品，用戶可根據(jù)不同的應用要求選擇不同的功能部件， 而且功能性強使用方便，加速了微機的應用和普及。 4) 應用軟件的配置豐富軟件是計算機的靈魂， 從系統(tǒng)軟件到應用軟件可方便地構成不同規(guī)模的微機系統(tǒng)，從而使微機具有很強的適應性。 5) 性能價格比高性能價格比是指機器性能與售價之比，是衡量產(chǎn)品性能優(yōu)劣的一個綜合指標。 許多高性能的微機的性能已經(jīng)達到或超過了中小計算機甚至大型計算機、工作站的水平，但其價格要比它們低很多。微機優(yōu)良的性能價格比是其能廣泛應用基礎，同時又進一步促進了微機技術的發(fā)展。應用 由于微機具有體積小、價格低、耗電少等優(yōu)點， 所以它的應用范圍十分廣闊。 歸納起來， 目前有如下幾個應用領域?？茖W計算 許多現(xiàn)代微型計算機系統(tǒng)具有較強的運算能力，這是在過去只有大、中、小型機才具有的。特別是多個微處理器構成的系統(tǒng)，其功能往往可與大型機相匹敵，而成本卻低到足以使大型機趨于淘汰。比如，美國Seguent公司用30個Intel 80386集合起來，構成Symmetry計算機，速度為120 MIPS，達到IBM 3090系列最高檔大型機的性能，價格卻不到后者的十分之一。用更多的微處理器構成的并行處理機甚至可以超過大型機的速度和性能。比如，Intel 公司用128個微處理器構成的IPSC機，速度達512 MIPS，這比任何一種商用大型機的速度都高。Intel 公司用一臺32個微處理器構成的IPSC機運行一個廣泛使用的科學計算程序，結果比Cray公司的大型機XMP/2快40%。信息處理和事務管理 短時間內(nèi)完成對大量信息的處理是信息時代的必然要求。微型計算機配上數(shù)據(jù)庫管理軟件以后，可以很靈活地對各種信息按不同的要求進行分類、檢索、轉(zhuǎn)換、存儲和打印，加上一些專用部件（如傳感器）后，還可以處理光、熱、力、聲等物理信號。過程控制 過程控制是微機系統(tǒng)應用最多，也是最有效的方面之一?，F(xiàn)在，在制造工業(yè)和日用品生產(chǎn)廠家中都可以看到微機控制的自動化生產(chǎn)線，微機在這些部門的應用為生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量的迅速提高開辟了廣闊前景。儀器儀表控制 在儀器儀表，特別是電子設備中，已逐步用微處理器取代了傳統(tǒng)的機械部件或分離的電子部件，這大大提高了產(chǎn)品的性能/價格比。此外，微處理器的應用還導致了一些新儀器——智能儀器的誕生。如智能示波器、邏輯分析儀等，它使得人們能同時觀察眾多的信號波形及它們之間的時序關系。在醫(yī)學領域，出現(xiàn)了以微處理器為核心控制部件的CT掃描儀、超聲掃描儀等智能化的醫(yī)療設備，這就大大提高了對疾病的確診速度和確診率。計算機輔助教學、輔助設計等 隨著微機系統(tǒng)軟、硬件的不斷豐富，逐步改善著人們的生活和生產(chǎn)方式。比如，用微機輔助設計（CAD）機械、電子等產(chǎn)品，可以降低成本、縮短研制周期；用微機輔助測試（CAT）數(shù)字設備、集成電路性能指標或檢查設備故障等，可以節(jié)約測試時間、提高測試準確率及避免重大事故的發(fā)生；用微機輔助教學（CAI），可提高學習者的學習興趣和學習效率。目前各高校都在建設越來越多的多功能教室，改變著傳統(tǒng)的教育方法；此外，在日常生活中也在不斷涌現(xiàn)輔助服裝設計（客體服裝設計）、電腦選發(fā)型等用微機提供的各種全新的服務項目。計算機網(wǎng)絡與通信 計算機網(wǎng)絡是指把若干臺地理位置不同，且具有獨立功能的計算機通過通信設備和線路互連起來，以實現(xiàn)信息傳輸和資源共享的一種計算機系統(tǒng)。 計算機技術和通信技術的迅速發(fā)展與緊密結合使計算機不僅用于科學計算、工業(yè)控制等，也更多的用于信息的收集、加工、處理和傳輸。計算機網(wǎng)絡使人們能將計算機“群集”起來，快速而有效的發(fā)揮系統(tǒng)的整體效益。Internet功能的不斷增加和用戶的不斷擴充，使地球變?yōu)橐粋€村莊。微機作為信息高速公路（一種高速信息網(wǎng)絡體系）的終端其功能是電話、電視、多媒體電腦匯集而成的“家庭信息中心”，它是一個新的高技術浪潮，在它的沖擊下，我們的生活方式和工作方式都將改變。 微機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結構HXD2型電力機車的微機控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信基礎是WorldFIP網(wǎng)絡通信技術，由于HXD2型電力機車項目是國內(nèi)的機車制造行業(yè)首次系統(tǒng)引進WorldFIP網(wǎng)絡通信技術，因此在介紹HXD2型電力機車的WorldFIP網(wǎng)絡通信系統(tǒng)后，需要介紹WorldFIP網(wǎng)絡通信技術的基本原理，隨后再介紹HXD2型電力機車的微機控制系統(tǒng)。 WorldFIP網(wǎng)絡通信的原理和結構HXD2型電力機車的微機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的通信結構分為兩級：車輛級通信和列車級通信，對應的FIP網(wǎng)也分為兩級：FIP車輛網(wǎng)（FIPV網(wǎng)）和FIP列車網(wǎng)（FIPT網(wǎng)）。具體的網(wǎng)絡拓撲結構見01所示。圖31