地铁列车通信网络研究与实现.pdf
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1、北京交通大学硕士学位论文地铁列车通信网络研究与实现姓名:叶怀胜申请学位级别:硕士专业:安全技术及工程指导教师:谭南林20090601中文摘要目前广州地铁一号线仍采用全进口车辆,其车辆总线由西门子公司研制,已运行1 0 年之久。为了解决一号线车辆总线设备老化、备件昂贵、采购周期长等问题,同时也希望通过国产化技术改造,对原车辆总线进行必要的优化升级,本文研究并优化了广州地铁一号线车辆总线控制器。针对广州地铁一号线车辆总线的协议规范,本文以现场可编程门阵列(F P G A)为平台设计了具有自主知识产权的数据链路层和物理层软核。数据链路层软核主要由先入先出(F I F O)模块,循坏冗余码校验(C R
2、 C)模块,串并转换模块等组成。其中F I F O 模块用于解决异步时钟读写缓存问题;C R C 模块用于收发双方校验数据;串并转换模块用于实现8 路并行数据和串行数据的转换。物理层软核主要用于完成不归零码(N R Z)与曼彻斯特码之间的转换,以及从输入的曼彻斯特码中提取位同步时钟。位同步时钟不但是编解码模块的基准时钟,其二分频后也是数据链路层模块的基准时钟。本文采用了构造F P G A 片内全数字锁相环(D P L L)的方法来实现位同步时钟的提取,此方案具有抗干扰能力强,不易失锁的优点。针对这两层软核,本论文采用V e r i l o g H D L 描述,由Q u a r t u s l
3、 l 8 0 实现综合、编译以及布局布线,最后由M o d e l s i m 6 0 完成功能仿真。接着,本文在仿真分析的基础上进行了实验研究。实验结果表明:优化后的车辆总线控制器能够很好地满足广州地铁一号线车辆总线的功能要求,并缩减了原车辆总线控制器中存在的冗余部分,从而使得电路更加简洁高效,并对车辆总线的国产化有着重要的意义。关键词:车辆总线;数据链路层;物理层;曼彻斯特码;全数字锁相环分类号:T P 3 9 3 0 2I 匕立交适厶堂亟堂僮论塞垦S 至g!A B S T R A C TU pt ot h ep r e s e n t,a l lt h ev e h i c l e si
4、 nG u a n g z h o uN o 1s u b w a yl i n ea r ei m p o r t e df r o ma b r o a da n dt h ec o r r e s p o n d i n gv e h i c l eb u sw a sd e v e l o p e db yS i e m e n sC o m p a n y H o w e v e r,t h ev e h i c l eb u s h a sb e e ni no p e r a t i o nf o r10y e a r s T os o l v et h ep r o b l e
5、 m so fe q u i p m e n ta g i n g,e x p e n s i v es p a r ep a r t sa n dl o n gp r o c u r e m e n tc y c l ef o rG u a n g z h o uN o 1s u b w a yl i n e;a n dt oo p t i m i z ea n du p g r a d et h ee x i s t i n gv e h i c l eb u sb yh o m e-m a d et e c h n o l o g y,a ni m p r o v e dv e h i
6、c l eb u sc o n t r o l l e rh a sb e e nd e v e l o p e da n di m p l e m e n t e di nt h i st h e s i s A c c o r d i n gt ot h ev e h i c l eb u sp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o no fG u a n g z h o uN o 1s u b w a yl i n et h i sp a p e rh a sd e s i g n e dt h es o f t-c o r e so ft h ed
7、a t al i n kl a y e ra n dp h y s i c a ll a y e rw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sb a s e do nF P G A D a t al i n kl a y e rs o f t c o r ei sm a i n l yc o m p o s e do ft h ef i r s t i n f i r s t o u t(F I F O)m o d u l e,c y c l i c a lr e d u n d a
8、 n c yc h e c k(C R C)m o d u l ea n ds e r i a l p a r a l l e lc o n v e r t e rm o d u l e F I F Om o d u l ei su s e df o rs o l v i n gt h ei s s u eo fa s y n c h r o n o u sc l o c kr e a da n dw r i t ec a c h e;C R Cm o d u l ec h e c k o u t sb o t hd a t ao fs e n d e ra n dr e c e i v e
9、r;t h es e r i a l p a r a l l e lc o n v e r t e rm o d u l ei su s e df o rt h ed a t ac o n v e r s i o nb e t w e e nt h e8p a r a l l e ld a t aa n ds e r i a ld a t a T h es o f t-c o r eo fp h y s i c a ll a y e ri su s e df o rc o m p l e t i n gt h ec o n v e r t e ro fN R Za n dM a n c h e
10、 s t e rc o d e sa n dg e t t i n gb i ts y n c h r o n o u sc l o c kf r o mM a n c h e s t e rc o d e s B i ts y n c h r o n i z a t i o nc l o c ki sn o to n l yt h er e f e r e n c ec l o c ko fc o d e cm o d u l e,b u ta l s ot h er e f e r e n c ec l o c ko fd a t al i n kl a y e rm o d u l ea
11、 f t e rt h es e c o n ds u b-f r e q u e n c y T h i sp a p e ra d o p t st h em e t h o dt h a tc o n s t r u c t sap h a s e l o c k e dl o o pi nt h eF P G A c h i pt oa c h i e v ee x t r a c t i o no fb i ts y n c h r o n o u sc l o c k T h i sp r o g r a mh a sas t r o n ga n t i-i n t c 奠-f
12、e r e n c ea b i l i t y,a n di ti sn o te a s yt ol o s et h el o c k M e a n w h i l e,t h eS o f t-c o r e sa r ed e s c r i b e db yV e r i l o g H D La n di n t e g r a t e d,c o m p i l e d,p l a c e da n dr o u t e db yt h eQ u a r t u sI I8 0 F i n a l l ym e ya r es i m u l a t e df u n c t
13、 i o n a l l yb yM o d e l s i m6 0 F u r t h e r,t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c hh a sb e e nd o n eb a s e do nt h es i m u l a t i o na n a l y s i s T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e dv e h i c l eb u sc o n t r o l l e rC a nw o r kw e l la n ds a
14、t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fG u a n g z h o uN o 1s u b w a yl i n e M e a n w h i l e,t h er e d u n d a n c ye x i s t e di nt h ev e h i c l eb u sd e v e l o p e db yS i e m e n sC o m p a n yC a nb er e d u c e db yt h ep r o p o s e dc o n t r o l l e ri nt h i st h e s i s;t h e r
15、 e f o r e,t h ev e h i c l eb u sc i r c u i tC a nb es i m p l i f i e da n db e c o m em o r ee f f i c i e n t T h u s,t h er e s e a r c hi nt h i st h e s i sh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h eh o m e-m a d et e c h n o l o g yo fv e h i c l eb u s K E Y W O R D S:
16、V e h i c l eB u s;D a t al i n kl a y e r;P l a y s i c a lL a y e r;M a n c h e s t e rc o d e;D P L LC L A S S N O:T P 3 9 3 0 2V独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。躲r 忆:7 年6 只|
17、c B学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,提供阅览服务,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名2 寸峨生签字日期:矿7 引月珀导师签名:飞签字目期:沙7 年多月膨日,致谢本论文的工作是在我的导师谭南林教授的悉心指导下完成的,谭南林教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来谭南林老师对我的关心和指导。苏树强老师悉心指
18、导我们完成了实验室的科研工作,在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助,在此向苏树强老师表示衷心的谢意。张冬泉副教授,吴斌副教授,张乐乐副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见,在此表示衷心的感谢。在实验室工作及撰写论文期间,李国正,张勇师兄对我论文中的实验与测试研究工作给予了热情帮助,在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢我的家人,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。1 引言1 1 研究的背景和意义1 1 1 选题的背景随着经济的发展和科技水平的进步,地铁列车的控制和监视系统变得越来越复杂,同时人们对列车的可靠性、安全性和舒适性提出了更高的要求。为了适应这种需求,在车
19、辆上除了已有的牵引、制动控制、车门控制、照明控制等电子设备外,还加装了许多与安全监控、环境温度控制和故障诊断等相关的智能电子设备,而这些电子设备通常分布于各车厢内部靠近其相关的传感器和控制执行机构,因此非常有必要将这些分布于现场的自动化的智能设备用一条数字的、串行的多点通讯的数据总线连接起来,所以现场总线就与地铁列车之间的联系就变得越来越紧密起来。随着现场总线技术在列车上的应用越来越多,列车通信网络也就应运而生了【。列车通信网络技术在国外的铁道车辆、地铁和城市轻轨车上已经得到了广泛的应用,我国进口的地铁列车上也都采用了各种类型的列车通信网络。如上海地铁明珠线采用W O R L D F I P
20、总线;广州地铁2 号线采用列车通信网络(T C N);广州地铁1 号线采用一种基于高级数据链路控制(H D L C)协议的车辆总线【2】。其中广州地铁1 号线1 9 9 9 年正式投入运营,车体全部由S I M E N S 公司设计和组装。随着运营时间的增加,一方面地铁列车的通信网络需要维护,而相关元器件的生产已逐渐停止,重新设计一套通信网络造价高昂;另一方面国内希望将国外的先进列车通信网络技术消化吸收,推进列车通信网络的国产化进程。因此,本论文以“广州地铁一号线国产化改造为背景,对其车辆总线进行分析研究,设计出一套具有自主知识产权的软核,利用可编程器件实现原通信系统的硬件功能,并对原通信系统
21、做出一些优化,对冗余的部分进行剪裁,针对广州地铁一号线设计一套高效,稳定的车辆总线。1 1 2 列车通信系统的发展状况由于铁路运输在世界上不同地区和国家的发展特点和竞争程度不同,不同的国家或地区的列车通信系统采用了不同的技术开发路线和模式【3 1。欧洲的铁路运输市场竞争较为激烈,用户对机车车辆及其控制技术的要求也较高,同时由于欧盟的形成,客观上对列车及其控制系统的互通和互联提出了更高的要求。1 9 9 9 年通过的I E C 6 1 3 7 5 的T C N 列车网络国际标准就是以S i e m e n s 和A d t r a n z 等大公司的原有技术为原型经共同开发后形成的。日本的铁路运
22、输业也十分发达,但其列车控制网络技术模式不同于欧洲,而采用了一种适用主义的技术路线,列车总线采用实时的A R C N E T 令牌环型或梯型网络,而车辆总线则采用基于H D L C 的R S 4 8 5总线,同样满足了包括新干线高速列车在内的各种列车的控制需求,且具有较高的性价比。美国铁路运输业有辉煌的过去,而目前主要以重载货运为主,其列车控制网络技术以实用为原则,大量采用包括局部操作网络(L o n w o r k s),控制器局域网(C A N),无线网络等通用或在通用技术基础上的改进技术,也较好地满足了铁路运输的需要【4 j。近年来随着动车组和高速铁路的研究在我国的逐步升温,研究列车通信
23、网络的科研院所和企业也变的越来越多。一方面,铁道部开展了许多研究列车通信网络的课题,另一方面国内外许多单位也先后自发地开展了自我开发、联合开发或技术引进工作。比如上海铁道大学与株洲电力机车研究所合作开发的基于A R C N E T 的列车总线和基于H D L C 的车辆总线的列车通信网络的研究;上海铁道大学用C A N 作为连接司机台和列车控制单元的局部总线的研究;国防科技大学用C A N 作为磁悬浮列车的列车总线的研究;西南交通大学用R S 4 8 5+协议作为摆式列车倾摆控制总线的研究;北方交通大学对通信介质及其转换的研究;大同机车厂对列车通信网结构及其协议的研究和对B I T B U S
24、 的研究;株洲电力机车研究所的基于F S K 的列车通信的研究,基于R S 4 8 5+协议的局部总线的研究,基于L o n W o r k s的列车总线和局部总线的研究,C A N 总线用于列车监控装置和摆式列车局部控制总线的研究,基于M o d B u s 的I O 局部总线的研究,T C N 的研究等以及国产化的多功能车辆总线(M V B)产品与其他公司的M V B 产品的兼容性试验【5】。1 1 3 几种常见的车辆总线介绍1)多功能车辆总线M V B(M u l t i f u n c t i o nV e h i c l eB u s)M V B 采用曼彻斯特编码,所有介质都以1 5
25、 M b p s 单一速度操作。传输介质有3 种:电气短距离介质E S D(R S 4 8 5 无隔离),2 0 m 传输距离可连接3 2 个设备;电气中距离介质E M D(变压器隔离),2 0 0 m 传输距离可连接3 2 个设备;光纤介质O G F,通过星型耦合器输出,传输距离可达2 0 0 0 m。M V B 由总线管理器进行管理,管理器是唯一的总线主设备。为了增强可用性,可能有多个总线管理器,它们以令牌方式传递主设备权,在一个给定时间,仅有一个管理器在总线上担任工作。M V B2协议可根据功能分层定义,在实现基于M V B 的机车控制设备和系统时,通过采用不同的软件模块,可以实现不同类
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- 地铁 列车 通信 网络 研究 实现
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