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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
26、型的设备。M V B 可以与w T B(列车总线)一起使用，也可以在固定编组列车中单独使用。据不完全统计：A d t r a n z 在瑞典完成W T B M V B 车载网络3 0 1 套，M V B 车载网络2 6 套。A d t r a n z 其他T C N 项目完成W T B M V B 车载网络7 1 7 套，W T B 车载网络5 套，M V B 车载网络3 9 3 套。目前国际上采用T C N 标准的项目主要有：西门子的T C N 项目，如捷克的布拉格地铁，美国的S a nJ u a n，P u e r-oR i c o，德国铁路摆式动车组。A d t r a n z 的T C
27、 N 项目，如M V B：瑞士的S B B L o K 4 6 0 1 2 3，挪威的N S B I C 7 0 E M U：W T B+M V 壬：德国的L mM a n n H e i m，挪威的G a r d e m o n，瑞典的斯德哥尔摩地铁列车等。M V B 在国内已先后用于“先锋”、“澳星”、“熊猫”、“蓝箭”、“中原之星”、“中华之星”等动车组【6 1。2)控制器局域网C A N(c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k)C A N 总线由德国B O S C H 公司1 9 8 3 年推出，用于汽车内部测量与执行部件间的数据通信。标准的C
28、A N 协议仅定义了O S I 参考模型中的物理层和数据链路层。C A N 采用多主竞争式结构，其信号传输介质为双绞线、同轴电缆或光纤。采用双绞线通信时，速率最高可达1M b s 1 4 0m，直接传输距离最远可5k b s 一1 1 0k m，可挂接设备数量为1 1 0 个。C A N 的通信介质访问方式为带优先级的C S M A C A。C A N信号传输采用短帧结构，每帧的有效字节数为8 个，传输时间短，受干扰的概率低，并且错误严重的C A N 节点能自动切断该节点与总线连接，避免对总线上其它节点造成影响。C A N 总线可以非常有效的构成各种分布式实时过程测控系统，且具有很高的可靠性。
29、在德国的高速磁悬浮列车上，其连接各个磁浮控制器的车辆总线就采用了C A N 总纠。7 1。充分利用C A N 总线在数据采集方面，尤其是在数据通信的可靠性、实时性以和数据通信的灵活性方面的优势，将C A N 总线应用于设备总线是比较合适的，用来对控制设备(如车门控制器、轴温控制器、空调控制器和各类传感器)进行信息传输控制和对状态、故障进行信息采集。3)局部操作网络L o n W o r k s(1 0 c a lo p e r a t i n gn e t w o r k s)L o n W r o k s 是美国E c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出的全开放智能分布式测控网络
30、技术。L o n W r o k s 采用的L o n T a l k 协议遵循O S I 参考模型的全部7 层。L o n T a l k 协议被封装在称之为N e u r o n 神经元芯片中。支持总线型、星型和环型等多种拓扑结构，网络结构可以是主从、对等或客户服务式。传输介质可以是双绞线、同轴电缆、电力线、无线电和光纤等。采用双绞线通信时，1 3 0 米内最高通信速率为1 2 5M b s，7 0 0 米内直线传输距离可达7 8k b s，可挂接节点数为6 4 个。L o n W r o k s 具有完整的7 层协议，具备了局域网的基本功能，与异型网的兼容性比现存的任何现场总线都3好。它
31、还提供了与L A N 互连的接口，从而实现两者的有机结合。不过它属于网络型系统，不太适合于有大量数据需要采集，进行频繁处理的快速工业控制系统【8】。L o n W r o k s 在铁路工业中有着广泛的应用。在国外已应用在列车制动、门控、辅助电源控制、照明等方面，如美国新泽西轻轨“彗星”号列车、旧金山湾地铁(B A R T)制动系统监视器和自动列车控制系统、A L S T O M 公司机车牵引力系统、加拿大B o m b a r d e r 和日本川崎等公司开发的列车通信网以及D B 的照明、供暖和空调控制系统。目前国内一些铁路科研部门和高校J 下采用L o n W r o k s 技术从事列
32、车制动、机车重联和列车通信网等方面的研究开发。西南交通大学采用L o n W r o k s 网络技术，以两动一拖动车组为对象，开发研制了基于L o n W r o k s 技术的列车通信网络L o n T C N 系统，并成功地在试验车上运行。列车总线采用L o n W r o k s 的方案，首先在昆明一石林车组上进行了3 点的通信试验，现已经成功地应用于“新曙光号”2 动9拖的内燃机车组上。1 1 4 选题的意义广州地铁一号线采用基于H D L C 协议的车辆总线，该总线构成的列车通信网络具有实时性强、可靠性高等方面的特点。地铁列车现代化的发展趋势和对通信的可靠性、安全性以及实时性的要求
33、使得这种车辆总线成为众多车辆级总线中的一种比较常见的标准。它在列车通信网中起着举足轻重的作用，但目前该项技术被国外的几个公司如B o m b a r d i e r、S i e m e n s 等垄断，不利于发展国产的具有自主知识产权的列车通信网络，对地铁列车国产化的进程造成很大的阻碍。另一方面，F P G A 以其灵活的配置能力，较低的功耗以及低廉的成本，成为越来越多数字通信解决方案的硬件载体。近年来随着可编程器件性能的进一步提升，使得在F P G A 硬件平台上设计功能更加复杂，配置更加灵活的通信系统成为可能。因此本文在详细研究广州地铁一号线原车辆总线的基础上，提出以F P G A作为平台
34、，设计一套具有自主知识产权的列车通信网络控制器，与原系统相比具有以下优势：1)省去专用H D L C 控制芯片，减少板上芯片数量，节约板上空间；2)一片F P G A 可以集成多路H D L C 协议控制器，设计非常灵活；3)F P G A 作为H D L C 通信控制器，与专用芯片比，它的接口更加灵活，使用软件编程开发，便于修改、调试和测试，灵活性好；4)F I F O 存储深度可以灵活改变，满足不同系统的需求；5)具有自主知识产权，便于维护、移植，安全性好、保密性好；6)升级方便，可以根据用户需求修改程序，使其适用于不同版本的H D L C4协议；7)可以对物理层做适当优化。1 2 本论文
35、的主要内容1 2 1 课题的研究内容广州地铁一号线车辆总线由S i m c n s 公司提供，数据链路层采用的是H D L C 协议，物理层采用曼彻斯特码差分传输的方式传输数据。该列车通信网络的结构图如图1-1 所示【9 1。B 车C 车尸甲甲歼洲a。H n L CfIb u slll 智能终端If 智能终端lI 智能终端lII图1-1 列车通信网络结构图F i g 1-1S t r u c t u r a ld r a w i n go f T r a i nC o m m u n i c a t i o nN e t w o r k各智能终端的电子控制单元以继电器的形式通过串行总线将故障信
36、息传送给C F S U(中央故障存储单元)，C F S U 用环境参数或跟踪参数补充其基本信息。所有诊断和列车运行状态信息可在激活端的显示器上显示出来。对于维修工作，除了可直接利用司机台显示器外，还可通过R S 2 3 2 接口将诊断数据传输到个人计算机，个人计算机中的专家分析软件则对故障数据进行列表和计值分析。列车通信网络由如下两条总线组成：列车总线用于连接两个C F S U，实现两个单元车的通讯，数据传输率为1 2 5k b p s；车辆总线用来连接A T O(列车自动驾驶系统)、A T P(列车超速防护系统)、显示器和C F S U，数据传输率为2 5 0k b p s：串行总线连接一个
37、单元车内的C F S U 与各智能设备，数据传输率为6 2 5k b p s t 嘲。中央控制单元接收这些故障信息，利用一套独立于控制功能的诊断软件，对机车关键部件和控制系统进行故障记录并做出故障裁决。通过基于H D L C 协议的总线传送到司机室内的彩色液晶显示诊断装置。显示装置用来显示故障信息和相关的补救措施，是重要的人机对话装置，司机通过显示装置获取故障诊断系统的信息。A T P 是列车超速防护系统，它根据地面信息计算出列车运行的允许安全速5度，实现超速防护。A T O 是列车自动驾驶系统，它在A T P 正常工作的基础上，实现最优驾驶，提高舒适度，降低能耗。A T O 运行过程中需要采
38、集故障数据，所以A T O、A T P、显示单元与中央控制单元的通信问题直接关系到列车的稳定运行与否。中央控制单元与A T O、A T P、显示屏之间的数据通信遵从H D L C 协议。中央控制单元与A T O、A T P、显示屏内各有一个H D L C 模块通信板，它们组成1 主3从的结构，其中，中央控制单元是主机，A T O、A T P、显示屏为从机。它们的数据通信在物理层上采用曼切斯特编码。在数据链路层上，采用满足H D L C 帧格式的数据结构。由于使用场合的特殊性，并不要求系统具有很高的数据传输率，而更追求稳定可靠的传输质量。其通信速率定为2 5 0 K b p s 】。本课题主要围
39、绕两个主题展开，一个是利用F P G A 来开发设计基于H D L C 协议的车辆总线控制器。该控制器主要是完成数据链路层的功能，提供与物理层的接口能力，同时提供了和C P U 以及通信存储器通信的数据、地址总线和控制总线，自主完成总线通信。另一个任务是设计工作在物理层的通信控制器，实现N R Z 码到曼彻斯特码的转换以及同步位时钟的提取。本课题采用V e r i l o gH D L 开发设计这两类控制器，实现数据链路层和物理层通信的基本功能，综合实现并下载到F P G A开发板上，进行硬件测试和功能验证。1 2 2 论文的结构1)第一章对列车通信网络及几种常见的机车现场总线进行了简要的介绍
40、，提出了研究及实现列车通信网络底层协议的必要性。2)第二章介绍了原车辆总线的工作原理和协议规范，着重描述了H D L C 协议的规范。3)第三章研究了H D L C 协议的主要实现方法，详细讨论了在F P G A 片内构造基于H D L C 协议的通信控制器的实现方法，对所用到的模块及其原理都进行了描述，主要包括F I F O 模块设计、乒乓操作以及C R C 校验模块设计等。并对发送模块和接收模块的进行了仔细的研究，协调收发功能在顶层模块里的实现。4)第四章研究了通信系统的物理层控制器的设计方法，对曼彻斯特码的编码方式进行了分析。为了实现位同步，研究了用于提取位同步时钟的全数字锁相环，对其工
41、作原理做了详细的分析，并讨论了组成全数字锁相环的鉴相器、滤波器和振荡器的工作原理和实现方法。最后对解码和编码的设计方法分别做了阐述。5)第五章是对整篇论文的内容做出总结，并对后续工作进行了展望。62 原列车通信网络分析与H D L C 协议介绍2 1 研究背景及总体要求中央控制单元与A T O、A T P、显示屏进行数据通信是通过H D L C 模块通信板完成的。本章内容是以广州地铁为背景的，中央控制单元和显示屏是故障诊断系统的一部分，中央控制单元与A T O、A T P、显示屏内各有一个H D L C 模块通信板，它们组成1 主3 从的结构，其中，中央控制单元是主机，A T O、A T P、
42、显示屏为从机。它们的数据通信在物理层上采用曼切斯特编码。在数据链路层上，采用满足H D L C 帧格式的数据结构，数据传输率为2 5 0 K b p s 1 2】。2 2 通信系统组成原车辆总线控制器总体结构图如图2 1 所示，其中处理器选用A T m e g l l 2 8，它通过双口R A M 与C P U 板通信。另外串行通信控制器、C P L D 和曼切斯特编码解码器组成满足了基于H D L C 帧格式的，以曼切斯特编码形式传输的数据通信电路。为了提高可靠性，原系统采用变压器隔离，提高系统的安全性能。可编程时钟芯片为系统提供稳定的方波时钟。图2 1 原车辆总线控制器结构图F i g 2
43、-lT h eo r i g i n a ls t r u c t u r eo ft h ev e h i c l eb u sc o n t r o l l e r2 3H D L C 协议分析2 3 1 数据链路结构数据链路结构可以分为两种：点点链路和点多点链路，如图2 2 所示。图中7数据链路两端称为计算机或终端，从链路逻辑功能的角度常称为站，从网络拓扑结构的观点则称为节点【13 1。点到点电路图2-2 数据链路结构点到多点电路F i g 2-2S t r u c t u r eo fd a t al i n k在点一点链路中，发送信息和命令的站称为主站，接收信息和命令而发出确认信息或
44、响应的站称为从站，兼有主、从功能可发送命令与响应的站称为复合站。在点多点链路中，往往有一个站为控制站，主管数据链路的信息流，并处理链路上出现的不可恢复的差错情况，其余各站则为受控站。2 3 2 数据链路控制规程功能数据链路层是O S I 参考模型的第二层，它在物理层提供的通信接口与电路连接服务的基础上，将易出错的数据电路构筑成相对无差错的数据链路，以确保节点与节点之间、节点与网络之间有效、可靠地传送数据信息。为了实现这个目标，数据链路控制规程的功能应包括以下几个部分【1 4】：1)帧控制数据链路上传输的基本单位是帧。帧控制功能要求发送站把网络送来的数据信息分成若干码组，在每个码组中加入地址字段
45、、控制字段、校验字段以及帧开始和结束标志，组成帧来发送；要求接收端从收到的帧中去掉标志字段，还原成原始数据信息后送到网络层。2)帧同步在传输过程中必须实现帧同步，以保证对帧中各个字段的正确识别。3)差错控制当数据信息在物理链路中传输出现差错，数据链路控制规程要求接收端能检测出差错并予以恢复，通常采用的方法有自动请求重发A R Q 和前向纠错两种。采用A R Q 方法时，为了防止帧的重收和漏收，常对帧采用编号发送和接收。当检测出无法恢复的差错时，应通知网络层做相应处理。4)流量控制8流量控制用于克服链路的拥塞。它能对链路上信息流量进行调节，确保发送端发送的数据速率与接收端能够接收的数据速率相容。
46、常用的流量控制方法是滑动窗口控制法。5)链路管理数据链路的建立、维持和终止，控制信息的传输方向，显示站的工作状念，这些都属于链路管理的范畴。6)透明传输规程中采用的标志和一些字段必须独立于要传输的信息，这就意味着数据链路能够传输各种各样的数据信息，即传输的透明性。7)寻址在多点链路中，帧必须能到达正确的接收站。8)异常状态恢复当链路发生异常情况时，如收到含义不清的序列或超时收不到响应等，能自动重新启动，恢复到正常工作状态。2 3 3 数据链路控制规程分类为了适应数据通信的需要，I S O、I T U T 以及一些国家和大的计算机制造公司，先后制定了不同类型的数据链路控制规程。根据帧控制的格式，
47、可以分为面向字符型、面向比特型【1 5】。1)面向字符型国际标准化组织制定的I S O1 7 4 5、I B M 公司的二进制同步规程B S C 以及我国国家标准G B 3 5 4 3 8 2 属于面向字符型的规程，也称为基本型传输控制规程。在这类规程中，用字符编码集中的几个特定字符来控制链路的操作，监视链路的工作状态，例如，采用国际5 号码中的S O H、S T X 作为帧的开始，E T X、E T B 作为的结束，E N Q、E O T、A C K、N A K 等字符控制链路操作。面向字符型规程有一个很大的缺点，就是它与所用的字符集有密切的关系，使用不同字符集的两个站之间，很难使用该规程进
48、行通信。面向字符型规程主要适用于中低速异步或同步传输，很适合于通过电话网的数据通信。2)面向比特型I T U T 制定的X 2 5 建议的L A P B、I S O 制定的H D L C、美国国家标准A D C C P、I B M 公司的S D L C 等均属于面向比特型的规程。在这类规程中，采用特定的二进制序列0 1 1 1 1 1 1 0 作为帧的开始和结束，以一定的比特组合所表示的命令和响应实现链路的监控功能，命令和响应可以和信息一起传送。所以它可以实现不编码限9制的、高可靠和高效率的透明传输。面向比特型规程主要适用于中高速同步半双工和全双工数据通信，如分组交换方式中的链路层就采用这种规
49、程。随着通信的发展，它的应用日益广泛。2 3 4H D L C 基本概念H D L C 涉及三种类型的站，即主站、从站和复合站【1 6】【r 7 1。主站的主要功能是发送命令(包括数据信息)帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等。从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复等链路控制。复合站的主要功能是既能发送，又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制【l8 1。在H D L C 协议中，对主站、从站和复合站定义了三种链路结构，如图2 3 所示。主站通信节点从站通信节点命令响应-_ _。对称链路结构从站通信节点
50、主站通信节点不平衡链路从站平衡链路结构图2 3 典型的H D L C 链路结构F i g 2-3t y p i c a lH D L Cl i n ks t r u c t u r e根据通信双方的链路结构和传输响应类型，H D L C 提供了三种操作方式：正常响应方式、异步响应方式和异步平衡方式。1)正常响应方式(N R M)正常响应方式(N I 蝴)适用于不平衡链路结构，即用于点点和点多点的链路结构中，特别是点多点链路。这种方式中，由主站控制整个链路的操作，负责1 0链路的初始化、数据流控制和链路复位等。从站的功能比较简单，它只有在收到主站的明确允许后，才能发出响应。2)异步响应方式(A