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如何用DSX/DTX测试WTB及MVB列车通信线缆

时间: 2019-12-07
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1       前言

列车车辆的现代化及其对可靠性、安全性、通信实时性的要求,对下一代车辆的通信总线标准提到了更高的要求。基于分布式控制的MVB(多功能车辆总线)是TCN列车通信网络国际标准[ IEC61375-1(1999)]的推荐方案,它与WTB(绞线式列车总线)构成的列车通信总线具有实时性强、可靠性高的特点,被广泛应用于干线铁路和各种轨道交通机车车辆中。

 

在TCN中,为了实现其实时性强、可靠性高等特点,对每个组成部分的性能都要高标准、严要求。而线缆,作为整个TCN的神经脉络,起着重要作用。本文将简单介绍TCN,并对TCN中的线缆测试作一探讨,进而挖掘DTX/DSX线缆分析仪在这一行业的应用。

2       列车通信网

列车通信网(TCN,Train Communication Network)在列车控制系统中的地位相当与CAN总线在汽车电子中的地位。它是一个集列车内部测控任务和信息处理任务于一体的列车数据通讯系统。在IEC国际标准中,TCN包括两种总线类型:绞线式列车总线(WTB)和多功能车辆总线(MVB)。

 

单元(3辆车为1个单元,整个列车6辆车为一个编组)内用MVB总线连接,两个单元间用WTB总线连接;MVB总线实现车辆控制,WTB总线实现列车控制。如下图所示:

如何用DSX/DTX测试WTB及MVB列车通信线缆

2.1   MVB(多功能车辆总线)

MVB是用于在列车上设备之间传送和交换数据的标准通信介质。MVB作为快速的过程控制优化的总线,能提供最佳的响应速度,是主要用于有互操作性和互换性要求的互联设备之间的串行数据通信总线,适合用作车辆总线。附加在总线上的设备可能在功能、大小、性能上互不相同,但是它们都和MVB总线相连,通过MVB总线来交换信息,形成一个完整的通信网络。

 

MVB总线模型是在开放系统互联OSI模型的基础上进行了简化。OSI具有7层参考模型,而MVB只有其中的物理层和链路层。

 

在物理层,MVB总结的传输速率均为1.5Mbps,编码为曼彻斯特。支持三种线缆类型,分别是:ESD, EMD, OGF

1.         短距电缆,Electrical_Short_Distance (ESD)

l  最长20米

l  最多支持32个设备

l  使用RS-485收发器

2.         中距电缆,Electrical_Middle_Distance (EMD):

l  最长200米

l  最多支持32个设备

l  使用屏蔽双绞线和电流隔离变压器,IEC 1158-2标准的收发器

3.         光纤,Optical_Glass_Fibre (OGF):

l  最长2000米

l  用于点对点或星形连接

 

MVB传输三类数据:

a.       过程数据:过程变量表示列车的状态,如速度、电机电流、操作员的命令。过程变量的值叫过程数据。它们的传输时间是确定的和有界的。为保证这一延迟时间,这些数据被周期性地传送。

b.       消息数据:消息被分成小的包,这些包分别被编号并由目的站确认。消息包及与之相关的控制数据形成消息数据。消息数据以命令方式传输。功能消息被应用层所使用;服务消息用于列车通信系统自身的管理等。

c.       监视数据:是短的帧,主设备用它作同一总线内设备的状态校验、联机设备的检测、主权传输、列车初运行和其它管理功能。

 

MVB的介质访问是由总线管理器(BA)进行管理的,总线管理器BA是唯一的总线主设备,所有其它设备都是从设备。主设备按照某种预定的顺序对端口进行周期性轮询,在周期的间隔中,主设备转而处理偶发性请求。

2.2   WTB(绞线式列车总线)

WTB列车总线使用机械性能稳定的屏蔽双绞线,以便连接各车辆,形成完整的列车总线。其特点如下:

A)  传输速率为1Mbps

B) 支持32个节点

C) 最长距离860m

 

整个WTB总线,由且只能由一个主控器(Master)来控制和管理。

 

由于列车是由多个车辆组成,而且车辆的甩挂,编组的改变是时有发生的。当车辆甩挂时,要求断开或接通车辆与车辆之间的跳线(通常有两条,形成两条备份总线)。如下图所示:

如何用DSX/DTX测试WTB及MVB列车通信线缆    

冗余的WTB总线俯视图

 

当列车编组改变后,会经历一个重联的过程。在这个过程中,会产生唯一的Master,并由该Master对各个节点进行编址,管理,形成一个完整的TCN。

2.3   TCN的使用情况

国内目前使用了TCN网络的车辆有:

l  机车:DJ1“熊猫”机车,DJ2“奥星”机车,“天梭”机车,出口哈萨克斯坦的“KZ4A”机车,SS7E模块化,SS3B固定重联

l  动车组:DJJ1“蓝箭”动车组,DJJ2“中华之星”动车组。

3       TCN中的线缆测试

在了解TCN,尤其是WTB和MVB总结之后,我们可以知道TCN中可能存在如下几种线缆:

1)  RS-485线缆,屏蔽同轴缆或屏蔽双绞线

2)  光缆(目前较少使用)

 

在此,我们主要探讨一下铜缆的测试,即同轴缆和屏蔽双绞线。由于TCN本质上来说是一种总线形式的串行通信,与常见的以太网通信不完全一样,因此,对于TCN中的线缆测试来说,也不能照搬现成的测试方法。考虑到其应用的特殊性,存在以下几个方面的不同:

1)  首先,测试极限值不同,至少需要测试的参数不同;

2)  再者,线缆类型可能不同;

3)  最后,线缆使用方式不同,比如:通常只使用一两对线对。

 

下面,我们分别予以说明。

3.1   同轴缆的测试

同轴线缆的测试,相对简单。同轴线缆可能在MVB中使用,其传输速率为1.5Mbps,因此极限值可以选择10Base-2(即200米的10M同轴传输)。线缆类型设置时,要注意两个参数:阻抗及NVP值(百分比:信号传输速率/光在真空中的速率)。阻抗通常选择50欧的线缆,NVP值则根据实际情况而定。如果测试通过,而性能符合要求。

如何用DSX/DTX测试WTB及MVB列车通信线缆

图 1铜缆测试例子

3.2   屏蔽双绞线的测试

TCN中的双绞线测试相对复杂一些,但是也不难。由于应用的特殊性,在测试前,要解决的问题无非是三个方面:即测试极限值、线缆类型(主要是NVP值),插座配置(使用哪些线对)。下面以唐车的测试实践为例加以说明。

3.2.1   定制测试极限值

测试极限值(或者说标准)的选定有几方面的意义:

A)  确定最高的测试频率。一旦测试极限值确定后,需要测试的最高频率也随之确定。选择哪个标准作为定制的基准,主要看数据在线缆中的传输速率。如果传输速率在1M以内,Cat3类线就行。

B) 确定需要测试的参数及相应极限值。由于线缆测试中,有些参数是频率的复杂函数,所以仪表一般不提供参数的极限值自定义,而只能在现有某个标准的基础上,对测试参数进行适当取舍,从而定制标准。

但是要注意的是,每个标准规定要测试的参数不尽相同,所以在定制标准时,要注意选择合适的标准。举个例子,如果要测试NEXT值,而选择Cat 3 Channel作为基准标准,无论怎么定制也不能测试NEXT,因为该标准不要求测试NEXT,所以至少要选择Cat 5e的标准。

 

综合以上两方面信息,选择一个标准作为基准,在它的基础上定制自己的标准。对于MVB的屏蔽双绞线的测试来说,其测试标准定制推荐如下:

 

由于要测试NEXT值,所以至少选择Cat 5e标准,最高测试频率为100M,满足实际要求。具体测试参数选择如下:

长度:200米(最长)、接线图、IL(插入损耗)、NEXT(近端串扰),ACR-N(近端衰减串扰比)、RL(回波损耗)

 

定制过程如下图所示:

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3.2.2   定制线缆类型

线缆类型其实对测试结果没有影响,只是在测试报告中记录所测试的线缆信息。这里最重要的NVP值,如需定制线缆类型,过程如下:

首先选择线缆基准(注意要选屏蔽线缆类型),再设置NVP值(应也线缆的实际值相符,且在测试时正确设置)。如下图所示:

如何用DSX/DTX测试WTB及MVB列车通信线缆

图 2 定制线缆类型

3.2.3   定制插座配置

定制插座配置就是确定要测试哪些线对。这里要注意的是,插座配置也可能会影响到实际测试的参数。举个例子,如果只有一个线对要测试,那NEXT参数也就不测了,因为NEXT测试的是线对也线对之间的串扰,至少要两对线。

 

在实际的TCN网络中,可能的插座配置有两种:

1、使用1,2线对

2、使用1,2和4,5线对

如下图所示:

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使用1,2对线

 

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使用1,2和4,5两对对线

3.3   转接线缆

完成上述定制工作后,还有一个要注意的是:通常被测电缆是专用的数传线缆,并不是传统的双绞线,所以必须提供转接线缆,才能将被测电缆与测试仪表相连。由于实际被测电缆接口可能各不相同,所以转接线缆也不一样,这里就不作具体讨论。

3.4   测试

至此,所有的准备工作就绪,便可以对线缆进行测试了。首先通过转接线缆将仪表与被测电缆相连,再设置仪表,然后再进行测试。以双绞线测试为例,设置过程如下:

如何用DSX/DTX测试WTB及MVB列车通信线缆如何用DSX/DTX测试WTB及MVB列车通信线缆

设置极限值,线缆类型,NVP值,插座配置,HDTDX/HDTDR故障诊断,AC线序

接着就可以开始测试了。

4       应用场合

我们已经讨论了TCN中MVB和WTB中的线缆测试问题。那么哪些场合会用到这些仪表呢。大致包括如下几个方面:

1.         车辆生产厂的调试车间,如唐山机车厂,长春机车厂等;

2.         车辆生产厂的售后服务部门,如唐山机车厂计划组建这样一个部门;

3.         车辆检修,如:各铁路、地铁车辆段检修部门;

4.         研究机构,如:铁道科学院的车辆所。

5       总结

本文对TCN中使用的线缆的测试作了阐述。总之,DSX在非传统双绞线测试方面的应用,最主要有两点:

1)  定制测试极限值,线缆类型,插座配置

2)  制作合适的转接跳线

 

推而广之,其它类似的工业控制网络中,DSX同样有用武之地,其使用方式与此大致相同。



关于云乔科技

云乔科技(北京)有限公司是新成立的一家专注于网络和应用性能监测的公司,创始团队均为从事网络测试行业十余年的资深专家。公司提供完整的网络测试解决方案,包括:福禄克线缆分析仪综合布线验收解决方案万兆光纤测试仪福禄克OTDR仪表局域网验收解决方案万兆网络性能测试仪表NetAlly手持式网络仪表无线网测试仪表工业以太网故障诊断工具网络故障诊断仪表等等。


附录

l  TCN国际标准:

IEC

61375-1

11 April 2007

Electric railway equipment - Train bus - Part 1: Train communication network

铁路电气设备-列车总线-第1部分:火车通讯网络

IEC

61375-2

11 April 2007

Electric railway equipment - Train bus - Part 2: Train communication network conformance testing

铁路电气设备-列车总线-第2部分:列车通讯网络一致性测试

 

l  RS485电缆

在一般场合采用普通的双绞线就可以,在要求比较高的环境下可以采用带屏蔽层的同轴电缆。在使用RS485接口时,对于特定的传输线路,从RS485接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比,这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所影响。理论上RS485的最长传输距离能达到1200米,但在实际应用中传输的距离要比1200米短,具体能传输多远视周围环境而定。在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大,最多可以加八个中继,也就是说理论上RS485的最大传输距离可以达到9.6公理。如果真需要长距离传输,可以采用光纤为传播介质,收发两端各加一个光电转换器,多模光纤的传输距离是5~10公里,而采用单模光纤可达50公里的传播距离。

 


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