[信息与通信]列车通信网络毕业设计.doc

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1、摘 要现代列车朝高速化、自动化、舒适化方向发展已经成为必然趋势。列车通信网络已成为高速列车控制系统的关键技术。它能够通过对列车运行及车载设备动作的相关信息进行集中管理,从而保障列车安全高速运行。介绍了列车通信网络的两条总线,即绞线式列车总线(WTB)和多功能车辆总线(MVB),并分析了两层网络拓扑结构。根据现场总线技术在我国高速列车上的应用情况,比较了WTB、MVB、LonWorks、CAN等几种总线的特点,根据其特点可选取不同的应用领域。 关键词 ： 列车通信网络 列车总线 拓扑结构ABSTRACTModern train towards fast pace, automation, com

2、fortable change direction development has become an inevitable trend. Train communication network has become a high-speed train control system key technology. It can through to train operation and automotive equipment action related information for centralized management, thus safeguarding train ope

3、ration safety high-speed operation. Introduces the train communication network, namely, the two bus winding type WTB) and train bus (multi-function vehicle bus (MVB), and analyzes the two layers of network topology. According to the fieldbus technology in our countrys high-speed train applications,

4、compares the WTB, MVB, LonWorks, CAN wait for a few kinds bus characteristics, according to its characteristic CAN select different applications. Abstract： Keywords train communication network Train bus The topological tructure of目 录第一章 CRH2的基本知识概括.1第一节 CRH2基本概要.1第二节 CRH2国产化和生产模式.1第三节 CRH2型动车组特性.1第四

5、节 关于CRH2型列车空调吸收问题及编组模式指标.1第二章 列车通信网络的发展历程及结构.2第一节 列车通信网络的基本内容.2第二节 TNC及LonWorks技术分析.2第三节 网络拓扑的结构及绞线式列车总线WTB概括.2第四节 常见的几种网络拓扑结构.2第三章 列车通信网络的访问控制方式.3第一节总线型网络访问控制方式.3第二节环型网络访问控制方式.3第三节 LON （LocalE Operation Networks）和CAN网络控制.3第四节 访问控制列表.3第四章 列车通信网络的具体应用.4第一节 列车通信网络意义.4第二节 列车运行控制系统概述.4第三节LonWorks 现场总线技术

6、在列车监控系统中的应用.4第四节 列车通信网络应用比较及CRH2车型的应用.4第五章 结论.5第一章 CRH2的基本知识概括第一节 CRH2基本概要1.1 CRH2型动车组概貌基本概要，这款车型是以日本新干线的E2-1000型电力动车组为基础，也是继台湾高铁的700T型后，第二款出口国外的新干线列车。供中国使用的CRH2型均使用与E2-1000型相同的牵引电动机。列车共分为两批，第一批为数60辆，其编组方式是4节动车配4节拖车（4M4T），在速度级别属A型，最高营运时速为250公里，用于经改造的既有路线上；而第二批列车为数60辆，属加强版本，编组方式6M2T，速度级别属C型，最高营运时速为30

7、0公里，将用于新建的高速客运专线上。 另外，所有CRH2型的座椅均可以回转。2007年4月18日，由南车四方机车车辆有限公司生产的CRH2型动车组首次投入运营，以下是该动车组的概貌情况。1.1.1 动车组列车CRH2型动车组列车采用流线型外形，具有良好的气动特性，完全满足高速行驶要求，其主要体现在头部结构上，它由纵向双曲线拱面、横线五曲拱面设计而成，见图1.1所示。动车组两端外形对称设计，列车前后两端内部均设驾驶室，列车通常运行时在前段的驾驶室内进行操作。 图1.1动车组车头外形1.1.2动车组客室CRH2型动车组由客室承载旅客运输，客室包括一等车客室和二等车客室。图1.2为一等车客室概貌，其

8、座椅采取“2+2”布置，乘坐空间大。图1.3为二等车客室概貌，其座椅采取“2+3”布置，较一等车客室承载更多旅客。图1.2二等车客室图1.3二等车客室1.1.3 动车组司机室 图1.4为CRH2型动车组司机室概貌。司机室用于操纵列车的运，在每列编组的两端分别设置一个司机室，由前段司机室实施列车控制，后端司机室可做乘务员室。两个司机室具有相同的结构和功能。司机室分为5个区域：设备舱、操纵台、驾驶区、配电区、通电台。整个司机室整洁、美观、舒适。图1.4动车组司机室1.1.4 编组CRH2型动车组最高运营速度为250km/s，科在中国铁路既有线路（指定区间）和客运专线上运行。动车组采用8辆编组，4动

9、4拖，由两个动力单元组成，每个动力单元由2个动车和2个拖车(T-M-M-T)组成。CRH2型动车编组见图1.5，动车组前后两端均设驾驶室，列车通常运行时在前端的驾驶室内进行操作。受电弓设在4号和6号车上，动车组运行采用单弓受流，另一受流电弓处于折叠状态。两列动车可联挂运行，联挂时受电弓采取双弓受流。图1.5CRH2型动车编组第二节 CRH2国产化和生产模式1.1 CRH2的国产化 关于CRH2型动车组国产化制动控制单元介绍： CRH2型动车组中的制动控制指令即通过列车通信网络来传送,其中列车信息终端与制动控制单元(BCU)通信的传输介质为光纤,采用HDLC协议。由于国外企业不公开列车信息终端与

10、BCU通信的数据含义,这就给动车组上制动设备的替换更新带来一定的困难,所以需要对CRH2型动车组列车控制网络进行分析,解决国产化BCU的联网问题。 1.2 CRH2的生产模式 中国方面订购的首批列车数量为数60列，乃CRH车系中数量最多。当中为数3列在日本完成，并完整地运往中国；另有6列以散件形式付运，由中方负责组装；其余51组将透过日本的技术转移，由南车四方机车车辆股份有限公司建造，但一些高技术部件，包括IGBT VVVF牵引逆变器等，在中国有能力国产化以前，仍会使用日本原装产品。首辆列车已于2006年3月8日运抵中国。 按照政府的指示，所有CRH系列均会被命名为“和谐号”。图1.6为“和谐

11、号”动车组(CRH2-300)的车头实图：“和谐号”动车组列车(CRH2-300)这些中国版本的E2系，也按照中国国情及铁路标准而作出适当的改动，包括安装采用德国斯特曼公司（Stemmann-Technik）技术的DSA250型受电弓，以适应高变化的沿线架空电缆接触网。在驾拖车顶部均装有多种信号天线，这也是日本本土的同型车所没有的。第三节 CRH2型动车组特性关于CRH2型动车组制动系统特性。一、制动模式针对性强,趋于智能化CRH2型动车组的制动系统具有多种制动控制方式,可以满足不同运行条件下对列车制动的需求。行车中,动车组制动控制装置能接受列车信息网络或司机操纵动作等指令,进行常用制动、快速

12、制动、紧急制动、耐雪制动等相应的制动动作。1.常用制动特性。常用制动的制动力共分为7级,行车操纵中使用机会最多。系统在制动时自动进行延迟充气控制,M车(动车)上产生的电气再生制动除满足本车制动力要求外,多余制动力用来代替T车(拖车)的一部分制动力,T车制动力不足时则由其空气制动力补充,从而维持本制动单元(一个动车和一个拖车构成一个制动单元)所需要的制动力,并实现和保持规定减速度。另外制动系统还具有空、重车载荷适应功能,制动力能够自动按需变化,维持一定的减速度。2.快速制动特性。动车组的快速制动功能,具有比常用制动高1.5倍的制动力。2007年4月18日中国铁路第6次大提速以来，由中国南车四方股

13、份有限公司生产的CRH2型200kmh动车组以其高可靠性运行得到了用户和社会的普遍认可。CRH2型200kmh动车组网络控制系统在动车组的运行过程中充分发挥了其设备状态监控、重大故障引导处理的功能，极大地提高了司乘人员对动车组的操作性和对故障的处理能力。第四节 关于CRH2型列车空调吸收问题及编组模式指标1.1空调吸收问题 由于中国尚未有与新干线类似的高速客运专线，现时所有以CRH2行走的路线均与其它客车及货车共享。中国铁路除动车组及较新款的25T型客车外，其余大部份旅客列车的洗手间均缺乏集便装置，一般列车在行驶时会把污物直接排放在路轨上。而CRH2空调设备的进风口是置于车下，因此列车在行走时

14、，进风口会把路轨沿线上的污物及垃圾等也一并吸入，造成部份车厢充斥异味，而空调过滤网也需频频清洗，平均每两天清洗一次，每四天便得要更换。日本的同型车由于路线多采用无道碴之板式轨道，且无污物排放问题，过滤网每月仅需清洗一次。 1.2 编组模式及指标 现时每组CRH2均为八卡列车，其编组方式如下: 标准编组（CRH2-001A至CRH2-042A及CRH2-044A）: 1 TZE 20xx01 2 MZE 20xx02 3 MZE 20xx03 4 TZE 20xx04 5 TZEC 20xx05 6 MZE 20xx06 7 MZY 20xx07 8 TZE 20xx00 为配合日后的新路线通车

15、，一些CRH2列车使用了非标准编组形式，包括增加一等车厢。 CRH2-043A: 1 TZY 204301 2 MZY 204302 3 MZE 204303 4 TZE 204304 5 TZEC 204305 6 MZE 204306 7 MZY 204307 8 TZY 204300 CRH2-045A至CRH2-120C: 1 TZE 2xxx01 2 MZE 2xxx02 3 MZE 2xxx03 4 TZE 2xxx04 5 TZEC 2xxx05 6 MZY 2xxx06 7 MZY 2xxx07 8 TZE 2xxx00 xxx: 列车编号 (001-120) ZY: 一等座车

16、 ZE: 二等座车 ZEC: 二等座车/餐车 当中编号00及01的车厢拥有驾驶室，车外写有CRH2-0xxA或CRH2-xxxC；编号04及06的车厢拥有受电弓。 编组型式：22+BoBo+BoBo+22+22+BoBo+BoBo+22 (4M4T)，可两编组连挂运行 车种：一等座车、二等座车、餐车 编组定员：610人 客室布置：一等车2+2、二等车2+3 最高运营速度：250 km/h (可提升至300 km/h) 最高试验速度：260 km/h 以上 轨距：1435 mm (标准轨) 适应站台高度：1200 mm 传动方式：交直交 牵引功率：4800 kW 编组重量及长度：201.4m，3

17、45t 车体型式：大型中空型材铝合金车体 气密性：车内压力从4kPa降到1kPa时间大于50s 头车车辆长度：25700 mm 中间车辆长度：25000 mm 车辆宽度：3380 mm 车辆高度：3700 mm 空调系统：准集中式 转向架类型：DT206/TR7004B无摇枕转向架 转向架一系悬挂：单组钢弹簧单侧拉板定位+液压减振器 转向架二系悬挂：空气弹簧+橡胶堆 转向架轴重：14 t 转向架轮径：860/790 mm 转向架固定轴距：2500 mm 受流电压：交流 25 kV，50 Hz 牵引变流器：IGBT水冷VVVF 牵引电动机：三菱电机MT205 / 永济YJ92A (300kW)

18、x16 启动加速度（m/s2）：0.406 制动方式：直通式电空制动 紧急制动距离（m）（制动初速度200km/h）：1800 补助电源：DC100V，三相AC100V AC220V、AC400V 第二章 列车通信网络的发展历程及结构第一节 列车通信网络的基本内容2.1 通信网络基本概要列车通信网络其实已经包含了调制的目的。因为原始信息/信号（一般叫做基带信号）通常都不适合在信道中传输，会很快损耗消失。调制就是将其变成适合在信道中传输的方式，可以低损耗的传输，实现远距离通信的目的。 列车通信网络是安装在客车上的计算机局域网络系统,负责对整列客车各个部分信息的采集与传递,对列车的车载设备状态进行

19、控制、检测、诊断及记录,并为乘客提供相关信息服务。列车通信网络由列车总线网、车辆总线网级子网组成,建设列车通信网络对保证列车控制的有效性、安全性及旅客舒适性具有重大意义。 现今列车通信网络主要采用WTB/MVB与LonWork技术,这两种技术已广泛应用于列车通信网络中。但这两种总线也有其自身的缺陷,由于列车级通信数据量大于车辆级,一般情况下,当列车级通信速率高于车辆级,二级子网才能更好地匹配,MVB比WTB通信速率高,且WTB/MVB专为列车通信网络而开发,费用较高;LonWorks对传输介质和拓扑形式要求不严格,既能作为列车总线也能作为车辆总线,但其最大缺陷为传输速率较低,很难满足列车通信网

20、络中日益增长的数据传输。工业以太网作为一种现场总线,具有传输速率高、容错性强、拓扑性好的特点,很适合应用于列车通信中。 本文针对现有列车通信网络中存在的缺点,提出将工业以太网应用于列车通信网络的方案,并对以太网在机车中的应用进行了积极有益的探索和研究。 我国铁路第六波大提速以来，时速200km/h的和谐号动车组已在京沪、京哈等主要干线上投入运营，京津、武广、郑西、京沪鞥高速客运专载已陆续开工建设。我国铁路正在逐步进入高速铁路时代。动力分散方式的采用，使得通过列车通信网路实现列车的实时控制和信息传递显得尤为重要。1999年6月，TNC标准草案IEC61375-1正式成为国际标准。IEEE于199

21、9年制定了IEEE1473列车通信协议。该协议规定了两种网络，一种为IEEE1473-T，这种网络就是IEC61375-1规定的用多功能车辆总线和绞线式列车总线实现的列车通信网：另一种是IEEE1473-1，是用LonWorks总线实现的列车通信网。2.2 国外发展情况简介 70年代末至80年代初，车载微机的雏形分别在西门子公司和BBC公司出现，开始仅仅是用于传动装置的控制。随着控制、服务对象的增多，人们把铁道系统依次划分为六个层次：公司管理、铁路运营、列车控制、机车车辆控制、传动控制和过程驱动，列车通信网络在初期的串行通信总线的基础上应运而生，并从原来不同公司的企业标准推向国际标准，逐步形成

22、了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列和全方位的开发、调试、维护、管理软件五金|工具。 ABB公司的微机自动化系统MICAS-S2在列车层采用了FSK列车总线，波特率19.2Kbps，车辆总线采用了在RS485控制器总线基础上进一步开发的MICAS车辆总线MVB，波特率1.5Mbps，这二种总线均具有全方位的软件工具支持。 1988年，IEC第九技术委员会TC9成立了第22工作组WG22，其任务是制订一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂，并且车上的可编程电子设备能够互换。 1992年6月，TC9WG22以委员会草案CD（CommitteeDraft）的形式向各国发出

23、列车通信网TCN的征求意见稿，该稿分成四个部分：第一部分总体结构，第二部分实时协议，第三部分多功能车辆总线MVB，第四部分绞式列车总线WTB。 总体结构把列车通信网规定为由多功能车辆总线MVB和绞式列车总线WTB组成。其中多功能车辆总线MVB以ABB的MICAS车辆总线MVB为蓝本，WTB以西门子的DIN43322和意大利的CD450为蓝本。 MVB的传输介质可以是双绞线，也可以是光纤。在后一种场合，其跨距为2000m，最多可联结256个智能总线站。数据划分为过程数据、消息数据和监管数据，对过程数据的传输作了优化。发送的基本周期是1ms或2ms。 WTB的传输介质为双绞线，最多可连接32个节点

24、，总线跨距860m。WTB具有列车初运行和接触处防氧化功能。发送的基本周期是25ms。 1994年5月至1995年9月，欧洲铁路研究所ERRI耗资300万美元，在瑞士的Interlaken至荷兰的阿姆斯特丹的区段，对由瑞士SBB、德国DB、意大利FS、荷兰NS的车辆编组成的运营试验列车进行了全面的TCN实验。 1998年11月，在中国湖南株洲召开IEC年会。1999年6月，TCN标准草案61375-1正式成为国际标准。在61375-1中，除了以上四个部分外，还有第五部分列车网络管理，附录A列车通信网导引，附录B一致性测试导则。2.3 列车通信网络选用原则参照2个国际标准并结合国情，推荐使用T型

25、网络，但也保留L型网络一定的使用空间。推荐使用T型网络，主要是下面3种场合（1）非固定编组列车；（2）实时性要求高、传送时间要求确定、时限紧迫的场合；（3）有列车互操作性要求的场合。 对于节点数较少，传送数据量不大，时限不大紧迫的固定编组列车可以采用L型网络，但要保证其性能及互操作性应，同以列车中宜采用一种网络。或是T型或是L型。因为目前还没有在这两种不同且各自独立的通信网络间搭建桥梁，所以列车中相同的设备不可能挂在两种不同的通信网络上。另外，列车只采用一张网络看使通信网络简化，减少协议间的转换，从而提高网络通信的可靠性。 第二节 TNC及LonWorks网络2.1 TCN网络拓扑的结构2.1

26、.1 TNC概述1988年，ICE第9技术委员会TC9成立了第22工作组WG22.，其任务是制定一个开放的通信系统，从而使得各道机车车辆能够互相连挂，车上的可编程电子设备能够互换。1992年6月，TC9WG22以委员会草案的形式向各国发出列车通信网络TCN的征求意见稿。该稿分成4个部分：第一部分总体结构，第二部分实时协议，第三部分多功能车辆总线，第四部分绞线式列车总线WTB。列车通信网络寻址各铁路车辆中所有相关的拓扑结构，它包含两级：连接各车辆的列车总线和连接一节车辆内或车辆组阁设备的车辆总线。一节车辆可以有1条或几条车辆总线，也可以没有，车辆总线可以跨越几节车辆。TNC网络拓扑结构如图2.1

27、TNC网络拓扑结构图TCN（IEC61375）标准适用于开式列车的数据通信，它包括开式列车的车辆与车辆间的数据通信及开式车中一个车辆内的数据通信。应用TCN标准的列车通信总线（WTB）能实现国际交通拥的开式列车中各个车辆的协同操作。车辆内部的数据通信总线(MVB)作为TCN的推荐方案。在任何情况下，供应商应保证WTB与所建议的车辆总线兼容。开式列车由一组车辆构成的列车，其组成在正常运行中是可以改变的，如UIC范围内的过轨列车；闭式列车由一组车辆组成的列车，在正常运行中其组成不会改变，如地铁，城郊列车或高速列车组；多单元列车由几个闭式列车单元组成，在正常运行中，组成列车单元数量可以改变。列车通信

28、网络（TCN）连接铁路机车车辆上车载可编程设备，其支持如下功能：（1）牵引和机车车辆上的控制（2）远程诊断及维护（3）旅客信息机舒适性列车通信网络的基本结构是两条总线组成的三层结构，如图3.2所示。列车通信网络包含了两种总线：连接一个车辆设内备的多功能车辆总线（MVB），总线能快速响应，工作速率为1.5Mbit/s介质为双绞线或光纤；连接列车中各车辆的绞线式列车总线（WTB），总线能自己组态，工作速率为1Mbit/s，介质为双绞线屏蔽线。如图： 三层结构是列车级控制、车厢级控制、设备级控制三层。 两条总线在链路层提供了相同的两种服务：（1）过程数据：周期性的，源寻址广播数据。（2）消息数据：按

29、需传送的，目标寻址的数据报文。 在更高层，TCN实时协议提供两种与总线独立的应用服务：（1）变量群（分布式过程数据库）。（2）消息群（呼叫/应答及多播消息）。TCN分为上、下两层，上层为列车总线，即WTB（wirst train bus）绞式列车总线；下层为车辆总线，即MVB（multifunction vehicle bus）如图2.2：列车通信网络结构图2.1.2 绞线式列车总线WTB（1） WTB物理层WTB采用屏蔽双绞线，要求有较高的机械连接性能。使用该种介质可以达到1Mbit/s通信速率，长度为860m，对应22节26m长的UIC列车。可连接至少32个节点；MVB采用曼彻斯特编码，每

30、一数据位码元中间都有跳变，从高到低的跳变（负跳变）表示1，正跳变则表示0。图2.3为WTB总线拓扑图。WTB总线拓扑图（2） WTB 报文WTB规定了三种报文：（1）过程数据报文；（2）消息数据报文（3）管理数据报文。报文表问表格式如下图表2-1：WTB报文表格式2-1（3） WTB列车的初运行 绞线式列车总线通过手插式跨线电缆或自动连接器来实现车辆之间的互换。WTB使用12线UTC电缆再加上一条能以1Mbit/s传送数据的专用屏蔽线。中缆的布置采用冗余原则。装车电缆每一侧各有一根电缆。WTB无需中继器传送距离库到860米。WTB最显著的特色，是它的以连续顺序给节点自动编号和让所有的节点识别何

31、处是列车的左侧或右侧的能力。每当列车组长改变时，列车总线各节点执行初运行，初运行后所有车辆获得的结构信息包括以下几点： 1、相对于主节点，它们各自的地址、方向和位置 2、列车中其他车辆的书库量和位置。 3、其他车辆的型号和种类及支持功能。 4、各车辆的动力学性能，该信息可以帮助制动计算机列车长度和重量。为实现初运行，每个节点包含两个HDLC通道，每个通道对应一个方向。2.1.3 MVB总线MVB是将位于同一车辆，或不同车辆中的标准设备连到列车通信网络上的车辆总线，它提供了两种连接：一是可编程设备之间的互联，二是将这些设备与它们的传感器和执行机构互联。MVB能寻址至4095个设备，其中可有256

32、个是能参与消息通信的站。MVB也能用作正常运行中不分开的列车的列车总线。MVB传送三种烈性的数据：（1） 过程数据：源寻址数据的周期性广播，最快的周期为1ms。（2） 消息数据：根据需要，目标寻址的单播或广播。（3） 监视数据：传输事件分解、主设备权分解、设备状态等数据。MVB物理层MVB可采用三种不同的物理介质，它们都在相同速度下工作：（1）20m以内采用电气短距离介质（ESD），允许使用标准的RS-485收发器，每段最多可支持32个设备。（2）200m以内采用电气中距离介质(EMD），每段最多支持32个设备，采用双绞屏蔽线和变压器作电气隔离，允许使用标准的ICE1158-2变压器和收发器。

33、（3）2000m以内采用的光纤介质（OGF），采用点对点或星耦连接。MVB介质访问控制采用主从方式，由唯一的主控器以定时轮询的方式发送主控帧。总线上其它设备均为从属设备，需要根据收到的主控帧来回送从属帧。它们不能同时发送信息。MVB由专用主设备总线管理器进行管理。管理器是唯一的主设备。为增加可用性，可能有多个总线管理器，可能有多个总线管理器，它们以令牌方式传递主设备控制权。在列车运行时通信网上传送的只有过程数据和消息数据，这两种数据用周期传送和非周期传送来区分。周期性和偶发性数据通信共享同一总线。但在各设备中被分别处理。周期性和偶发性数据发送由充当主节点的一个设备控制。图2.4为MVB周期数据

34、传输。数据传输图2.2 LonWorks网络 列车通信网络也可以使用LonWorks技术,LonWorks技术是目前几种有影响的现场总线技术之一。支持双绞线、电力线、无线电、红外线和光纤等多种介质，支持总线型、环型。自由拓扑型多种拓扑，传输信号采用分曼彻斯特编码；是现有各种现场总线中唯一提供了OSI参考模型中所定义的全部7层服务的网络，它有配套的节点，路由器或网关开发，网络调试、安装设备，可以在较高层次上实施网络工程。 LonWorks是一个开放的控制网络平台技术，它的特点是具有公平性，对等性。网络中的每一个设备都可以独立接受，传送和处理网络信息。与其他设备无关传输速率78kbps。LonWo

35、rks可以有域子网和节点3层结构，每个域可以最多255个子网。每个子网可以有127个节点。表2-2为LvonWorks网络各层作用和所提供的服务LvonWorks网络各层作用和服务第三节 ARCNET网络和CAN总线2.1 ARCNET 网络概述ARCNET是一种基于令牌传递协议的现场总线，它最初是美国Datapoint公司20世纪70年代末作为办公自动化网络发展起来的，由于其具有快速性、确定性、可扩展性和支持长距离传输等特点，非常适合过程实时制，近年来被广泛应用在各种自动化领域，是一种理想的现场总线技术。下面介绍令牌环网络和令牌总线的基本知识。2.1.1 ARCNET 令牌总线 ARCNET

36、是典型的令牌总下网络，1999年成为美国国家标准ANSI/ATA-878.1。从OSI参考模型来看，ARCNET定义了ISO/OSI七层网络体系模型中的数据链路层和物理层，其开放底层接口，允许用户自动开发嵌入式设备。（1） CNET的节点及地址每个节点ARCNET物理节点包括一个数据链路层的通信控制器芯片和一个物理层的发收器芯片。每个节点有一个网络地址，令牌以递增的节点地址序号，从一个节点传递到另一个节点，形成逻辑环路。节点使用唯一的MAC地址标识自己，单个ARCNET子网最多可有255个节点，ARCNET支持点对点的定向消息和单向点对多点的广播消息。在数据令牌环机制，各节点通过传递令牌来协调

37、网络使用权。（2）ARCNET的物理层 在物理层，ARCNET支持总线型、星行以及分布式星行拓扑结构。ARCNET速率为2.5Mbit/s,传输介质有同轴电缆、双绞线、光纤，可满足绝大多数自动控制应用对速度、抗干扰性和物理介质的要求。新型的ARCNET plus速率已从原来的2.5 Mbit/s增加到100 Mbit/s（使用光纤时）。（3）CNET 工作机制ARCNET的地址由8个bit组成，其中地址0作为广播地址，因此ARCNET网络上最多可以容纳255个节点。ARCNET网络节点之间的数据传输像总线型LAN一样是广播式的，但对总线的访问决定于令牌。为说明这种网络的操作机制，假定在一条总线

38、上有4个节点，其他地址分别为1,10,25和255。在启动网络时，这4个工作站形成一个逻辑环，每个站都跟踪两个信息：（1）谁是后继者；（2）谁是前驱者。这两种信息分别由字母S（后继者）和P（先驱者）代表。一个工作站的后继者定义为逻辑环上具有较高的地址站；先驱者则定义为逻辑环上具有较低地址的站。由于ARCNET中站地址0用于广播地址，因此最小站地址为1，最大站地址为255,。在构成逻辑环时规定，工作站地址为255的后继者地址为1，站地址为1的前驱者站地址为255。（4）发送与接收在启动时，首先要构成逻辑次序，即逻辑环，每个站都不端跟踪保持其前驱工作站和后继工作站的站标识。每个工作站将其自身的后继

39、者（NID）设置为自身站地址（ID）加1，并按下述公式设置超时值。Time Out =146*（255-ID）us，具有最大地址值的工作站首先超时，开始创建ITT帧，并将该令牌帧发送给后继站。如果在74us后没有响应，最大地址值的工作站便认为具有后继NID地址的站不存在，随后便将NID值增加1，再次发送DID为新值的ITT。这种过程重复直至该最大地址值的工作站找到自己的后继站为止。被找到的后继工作站像前驱工作站一样，重复此过程。一旦形成找到所有活动工作站，正常的令牌传递操作便可开始。配置时间在2461us范围，取决于活动站的数目和工作站的地址值。为使Time Out初始值为0和将配置时间减少最

40、小，ARCNET建议讲一个工作站地址设置为255。具有ITT真的工作站在将令牌帧传递给后继站之前最多发送一帧。在数据帧被发送到终点节点之前，必须询问是否有足够的缓冲空间来接受帧。执行这种询问功能的是FBE帧。发送到FBE帧后一旦收到ACK帧，便可发送数据帧PAC。（5）令牌维护如果由于故障破坏了令牌的正确传递，网络必须进行重新配置。产生重新配置的情况下是在令牌传递上增加工作站或丢掉工作站。因此重新配置难以避免的事情。如果一个活动工作站在840ms后未接收到ITT帧，由8个传号间隔组成的重新连接时序，后跟一个空号便发送765次。重新连接时序持续2754us，以确保破坏传输中的任何令牌帧，其结果是

41、使令牌帧丢失。78us无活动后，所有工作站都会认识到，网络的重新配置正在发声。于是每一站都将其自身的后继站设置为自身地址（ID）加1，并设置超时值。以后的过程与启动时一样。在ARCNET技术中，删除一个工作站是一个较简单的过程，不需调用全部重新配置机制。如果地址为10的工作站从环上已撤离，而且只要对其前驱工作站1发来的ITT帧不响应的时间超过74us，工作站1便认为工作站10不存在。工作战1便对其NID值增加1，并将ITT发到工作站11。如果在74us后还是没有响应，则重复上述过程。下一个站地址为25，工作站1需要（25-10）*74us=1.1ms的时间，才能发现它的后继工作站为25。如果工

42、作站位10想重新进入环，它必须等待令牌的时间为840ms。如果它还未经过ITT帧被邀请发送，它必须调用全部重新配置机制。2.1.2 CAN总线（1）CAN 概述CAN ，控制器局域网，是国际上应用范围最广泛的现场总线之一。最初，是由德国Bosch公司在20世纪80年代初期，为汽车监测、控制系统而设计开发的一种串行数据通信总线。CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向过程控制、机械工业、纺织工业、农业机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器领域发展，在众多现场总线中最

43、早成为国际标准，冰雨1993年成为国际标本ISO11898和ISO11519。CAN总线分布式、实时控制的串行通信网络，即通过简单协议，实现在电磁干扰环境下远距离实时数据的可靠传输。CAN总线与一般的通信网络相比，具有以下一些特点：（1）CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。（2）CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。（3）CAN采用非破坏性总新仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输

44、数据，从而大大的节省总线冲突仲裁时间，尤其在网络负载很重的情况下也可以不会出现网络瘫痪情况。（4）CAN只需要通过报文滤波即可实现点对点，一对多及全局广播等几种传送接收数据，无需专门的“调度”。（5）CAN的直接通信距离最远可达10km；通信速率最高可达1Mbit/s。（6）CAN总线上的节点数主要取决于总线驱动能力，目前可达110个；报文标识符可达2032种，而扩展标准的报文标识几乎不受限制。（7）采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有很好的检错效果。（8）CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，使得数据的出错率基地。（9）CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆线或光纤，选择灵活。

45、（10）CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭出书功能，以使总线上的其他节点操作不受影响。2.1.3 CAN2.0总线规范 1.CAN的分层结构和通信协议（1）CAN的分层结构 为使设计透明和执行灵活，遵循ISO/OSI标准模型，CAN协议分为数据链路层和物理层，其中数据链路层又包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问子层MAC。而在CAN技术规范2.0A中，数据链路层的LLC和MAC子层的服务和功能被描述为目标层和传输层。图4.63解释了CAN的分层结构和公能。CAN技术规范2.0B定义了数据链路层中的MAC子层和LLC子层的一部分，并描述了与CAN相关的外层接口。物理层定义了信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、位编码和同步的描述，在这部分技术规范中，未定义物理层中的驱动器/接收器特性，其功能是描述由LLC子层接