CN104579606A - 多功能车辆总线mvb网络系统冗余设计方法 - Google Patents

多功能车辆总线mvb网络系统冗余设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多功能车辆总线MVB网络系统冗余设计方法，包括MVB冗余环型网络和MVB故障检测协议FDPM。所述MVB冗余环型网络包括一个MVB主设备管理节点、从设备节点、相邻节点之间通过两根MVB总线Line_A和Line_B相连接。所述故障检测协议FDPM由MVB总线主设备管理节点和从设备节点依次通过链路串联，形成一个故障检测协议FDPM环网。本发明主要应用于基于TCN标准的MVB网络通信系统，在MVB冗余网络系统出现故障时，根据故障检测协议FDPM实时可靠地进行总线替换。具有设计可靠性高、实时性强、冗余和容错性能良好的特点，对提高MVB通信网络可靠性具有重要的意义。

Description

多功能车辆总线MVB网络系统冗余设计方法
技术领域
本发明涉及符合TCN(Train Communication Network)标准的MVB（Multifunction Vehicle Bus）网络控制系统，具体的讲，涉及一种多功能车辆总线MVB网络系统冗余设计方法；本发明对提高MVB通信网络可靠性具有重要的意义，可广泛应用于铁路机车、动车组、地铁列车及城市轨道交通车辆等实时性要求较高的工业控制领域。
背景技术
随着列车高速化、自动化的发展，越来越多的列车采用了列车通信网络TCN，列车通信网络是集现代列车控制、状态检测、故障诊断及旅客服务等信息传输为一体的高性能综合控制系统，多功能车辆总线MVB是该系统的重要组成部分；MVB总线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总线最多支持4095个设备，由一个中心总线管理器控制，简单的传感器和智能站共存在于同一条总线上。
通常MVB网络系统工作环境恶劣，如何提高网络的可靠性一直是学术界研究的热点，而采用冗余设计方法来提高MVB网络系统的可靠性是目前最常用的方法，一定程度地提高了MVB网络系统的可靠性；但现有方法都只针对物理介质层面进行冗余，且只应用于总线型网络，缺乏通用性；因此，本发明采用二模热冗余方法进行MVB网络系统环型冗余设计，并提出一种相应的MVB故障检测协议FDPM（Fault Detection Protocol for MVB），以提高MVB冗余网络系统的可靠性及通用性。 
发明内容
为了解决MVB通信网络存在的上述问题，本发明的目的是研究一种多功能车辆总线MVB网络系统冗余设计方法，可广泛应用于铁路机车、动车组、地铁列车及城市轨道交通车辆等实时性要求较高的MVB网络通信系统中，提高MVB通信网络的可靠性。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案：一种多功能车辆总线MVB网络系统冗余设计方法，包括MVB冗余环型网络和MVB故障检测协议FDPM；所述MVB冗余环型网络包括MVB总线主设备管理节点MDMN (Master Device Management Node)、从设备节点SN(Slave Node)和连接相邻节点之间的MVB总线Line_A和MVB总线Line_B，所述的 MVB总线主设备管理节点和从设备节点依次通过MVB总线Line_A和MVB总线Line_B双线冗余串联形成MVB冗余环型网络；所述FDPM为MVB冗余环型网络中的一种故障检测协议，主要对MVB冗余环型网络进行线路故障检测，其特征在于MVB总线主设备管理节点和从设备节点依次通过链路串联，形成一个MVB故障检测协议FDPM环网；在MVB冗余环型网络系统出现故障时，FDPM能实时可靠地进行总线替换。
所述MVB总线主设备管理节点和各从设备节点内部设有MVB数据收发模块及数据处理模块。
  所述冗余MVB环型网络中的各从设备节点结构相同。 
MVB冗余环型网络正常工作时，根据MVB故障检测协议FDPM进行MVB环型网络故障检测，具体的步骤是：
a.MVB总线主设备管理节点通过发送器端口周期性的向MVB环型网络发送检测帧；
b.MVB总线主设备管理节点通过接收器端口接收故障检测帧，MVB总线主设备管理节点判断是否接收到故障检测帧，并把判断数据帧发送到MVB冗余控制模块；
c.MVB冗余控制模块对数据帧进行分析处理，由于MVB总线主设备管理节点接收到故障检测帧，MVB冗余控制模块不进行MVB总线冗余替换，此时MVB冗余环型网络处于正常工作状态。
MVB总线Line_A出现故障时，故障诊断和处理方法的步骤是：
a.MVB总线主设备管理节点接收器端口无法接收到检测帧，MVB总线主设备管理节点发出故障中断数据；
b.冗余控制模块对中断数据进行处理并发出冗余替换指令；
c. MVB总线Line_A实时替换到MVB总线Line_B，恢复MVB网络故障。
与现有冗余技术相比，本发明具有以下优点：
a.本发明采用采用二模热冗余方法进行MVB网络系统环型冗余设计，并提出一种相应的MVB故障检测协议FDPM，以提高MVB冗余网络系统的可靠性及通用性，避免了现有冗余技术中只针对物理介质层面及总线型网络进行冗余的方法存在的不足，对目前轨道车辆MVB通信网络具有重要意义；
b.本发明涉及符合TCN标准的MVB网络控制系统的一种多功能车辆总线MVB网络系统冗余设计方法，应用于轨道车辆MVB网络通信系统中，解决了恶劣环境下MVB网络系统的可靠性问题，具有可靠性高、实时性强、冗余和容错性能良好的特点，在铁路机车、动车组、地铁列车及城市轨道交通车辆及相关领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的MVB冗余环型网络拓扑结构示意图。
图2为本发明的MVB故障检测协议FDPM工作流程示意图。
图3为从设备节点5和从设备节点7之间产生断点情况下的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细说明，实施例实施前提为本发明技术方案，给出了具体的操作过程和实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括MVB总线主设备管理节点1、从设备节点2、从设备节点3、从设备节点4、从设备节点5、从设备节点6、从设备节点7、从设备节点8、从设备节点9、MVB总线Line_A、MVB总线Line_B。
MVB总线主设备管理节点1和各从设备节点内部设有MVB数据收发模块及数据处理模块；MVB总线主设备管理节点1和8个从设备节点依次通过MVB总线Line_A和MVB总线Line_B双线冗余串联；MVB总线主设备管理节点1位于整个MVB环型网络的首末端，即整个MVB冗余环型网络起始于MVB总线主设备管理节点1，终止于MVB总线主设备管理节点1；MVB总线主设备管理节点1通过MVB总线Line_A和MVB总线Line_B与从设备节点2进行双线冗余连接，从设备节点2通过MVB总线Line_A和MVB总线Line_B与从设备节点3进行双线冗余连接，从设备节点3通过MVB总线Line_A和MVB总线Line_B与从设备节点4进行双线冗余连接，从设备节点4通过MVB总线Line_A和MVB总线Line_B与从设备节点5进行双线冗余连接，从设备节点5通过MVB总线Line_A和MVB总线Line_B与从设备节点6进行双线冗余连接，从设备节点6通过MVB总线Line_A和MVB总线Line_B与从设备节点7进行双线冗余连接，从设备节点7通过MVB总线Line_A和MVB总线Line_B与从设备节点8进行双线冗余连接，从设备节点8通过MVB总线Line_A和MVB总线Line_B与从设备节点9进行双线冗余连接，从设备节点9通过MVB总线Line_A和MVB总线Line_B与MVB总线主设备管理节点1进行双线冗余连接，从而形成一个MVB冗余环型网络；MVB总线主设备管理节点1可以在总线上主动发起通信的能力，又称“命令者”；各从设备节点挂接在总线上，对总线信息进行接收查询，又称“响应者”。 
如图2所示，为故障检测协议在MVB冗余环型网络下的工作原理示意图，具体工作方式如下：
MVB网络上电初始状态001，完成MVB总线主设备管理节点、各从设备节点的初始化，其中包括周期扫描表内容的设定；
MVB总线主设备管理节点工作状态002，上电初始状态完成后，进入MVB总线主设备管理节点工作状态（MVB网络状态转化006），MVB总线主设备管理节点通过发送器端口周期性向MVB网络发送故障检测帧；当MVB冗余环型网络处于正常工作状态时，MVB总线主设备管理节点通过自身接收器端口接收上一节点通过MVB总线Line_A传送的故障检测帧；当MVB冗余环型网络出现故障时，从设备节点通过自身接收器端口接收上一节点通过MVB总线Line_B传送的故障检测帧；
MVB总线Line_A传输状态003，当MVB冗余环型网络处于正常工作状态时，通过MVB总线Line_A进行数据传输；
从设备节点工作状态004，上电初始状态完成后，进入从设备节点工作状态，当MVB冗余环型网络处于正常工作状态时，从设备节点通过自身接收器端口接收上一节点经MVB总线Line_A传送的故障检测帧，并通过自身发送器端口经MVB总线Line_A将故障检测帧传送到下一节点；当MVB冗余环型网络出现故障时，从设备节点通过自身接收器端口接收上一节点经MVB总线Line_B传送的故障检测帧，并通过自身发送器端口经MVB总线Line_B将故障检测帧传送到下一节点；
MVB总线Line_B传输状态005，在MVB冗余环型网络出现故障时，通过MVB总线Line_B进行数据传输；
MVB网络状态转化007，当处于MVB总线主设备管理节点工作状态002，MVB总线主设备节点发送器端口发送故障检测帧，进入MVB总线Line_A传输状态003；
MVB网络状态转化008，当处于MVB总线Line_A传输状态003，如果MVB冗余环型网络处于正常工作状态，进入从设备节点工作状态004；
MVB网络状态转化009，当处于从设备节点工作状态004，如果MVB冗余环型网络处于正常工作状态，MVB总线Line_A传输状态，进行数据传输；
MVB网络状态转化010，当处于MVB总线Line_A传输状态003，进入MVB总线主设备管理节点001，通过接收器端口接收故障检测帧并进行处理；
MVB网络状态转化011，当处于MVB总线从设备管理节点工作状态002，如果MVB冗余环型网络处于故障状态，进入MVB总线Line_B传输状态005，进行数据传输；
MVB网络状态转化012，当处于MVB总线Line_B传输状态005，如果MVB冗余环型网络处于故障状态，进入从设备节点工作状态004；
MVB网络状态转化013，当处于从设备节点工作状态004，如果MVB冗余环型网络处于故障状态，进入MVB总线Line_B传输状态005，进行数据传输；
MVB网络状态转化014，当处于MVB总线Line_B传输状态005，如果MVB冗余环型网络处于故障状态，进入MVB总线主设备管理节点工作状态001，通过接收器端口接收故障检测帧并进行处理。
如图2所示，MVB冗余环型网络处于正常工作状态下：根据上述故障检测协议FDPM原理，MVB总线主设备管理节点1周期性的通过自身的发送器端口10向MVB总线Line_A发送检测帧，从设备节点2接收器端口12接收检测帧并通过自身的发送器端口13将检测帧转发至下一从设备节点4接收器端口14，直至转发至MVB总线主设备管理节点1接收器端口11，以检测MVB冗余环型网络状态，如果MVB总线主设备管理节点1接收器端口11接收到发送器端口10发送的检测帧，说明MVB冗余环型网络没有出现故障，处于正常工作状态下。
 如图3所示，MVB总线Line_A某处出现了线路故障的情况下（以从设备节点5和从设备节点7 之间MVB总线Line_A产生线路故障为例）：根据故障检测协议FDPM原理，由于从设备节点5和从设备节点7 之间MVB总线Line_A产生线路故障，MVB总线主设备管理节点1接收器端口10无法接收到发送器端口11发送的检测帧，冗余控制模块接收MVB总线主设备管理节点1发出总线故障中断数据进行处理分析并发出冗余替换指令，信号处理器将采用MVB总线Line_B数据进行数据的传送，实时的替换到MVB总线Line_B，恢复MVB网络故障。

Claims (7)

1.一种多功能车辆总线MVB网络系统冗余设计方法，包括MVB冗余环型网络和MVB故障检测协议FDPM；其特征在于：MVB冗余环型网络包括MVB总线主设备管理节点（1）、从设备节点（2）和连接相邻节点之间的MVB总线Line_A（3）和MVB总线Line_B（4）；所述FDPM为MVB冗余环型网络中的一种故障检测协议，主要对MVB冗余环型网路进行线路故障检测，当MVB冗余环型网络系统出现故障时，根据故障检测协议FDPM实时可靠地进行总线替换。
2.根据权利要求1所述的多功能车辆总线MVB网络系统冗余设计方法，其特征在于：所述的 MVB总线主设备管理节点（1）和从设备节点（2）依次通过MVB总线Line_A（3）和MVB总线Line_B（4）双线冗余串联形成MVB冗余环型网络，MVB总线主设备管理节点（1）位于整个MVB环型网络的首末端，即整个MVB冗余环型网络起始于MVB总线主设备管理节点（1），终止于MVB总线主设备管理节点（1）； MVB总线主设备管理节点（1）可以在总线上主动发起通信的能力，又称“命令者”；从设备节点（2）挂接在MVB总线上，对总线信息进行接收查询，又称“响应者”。
3.根据权利要求1所述的多功能车辆总线MVB网络系统冗余设计方法，其特征在于：所述的故障检测协议FDPM由MVB总线主设备管理节点（1）和从设备节点（2）依次通过链路串联，形成一个MVB故障检测协议FDPM环网，MVB总线主设备管理节点（1）根据MVB故障检测协议FDPM原理周期性的向环网发送故障检测帧，对MVB冗余环型网络进行实时故障检测。
4.根据权利要求2所述的多功能车辆总线MVB网络系统冗余设计方法，其特征在于：MVB总线主设备管理节点（1）和各从设备节点（2）内部设有MVB数据收发模块及数据处理模块。
5.根据权利要求4所述的多功能车辆总线MVB网络系统冗余设计方法，其特征在于：所述MVB冗余环型网络中的各从设备节点（2）结构相同。
6.根据权利要求3所述的多功能车辆总线MVB网络系统冗余设计方法，其特征在于：MVB冗余环型网络正常工作时，根据MVB故障检测协议FDPM进行MVB冗余环型网络故障检测，故障诊断和处理方法的步骤是：
a.MVB总线主设备管理节点（1）通过发送器端口周期性的向MVB冗余环型网络发送检测帧；
b.MVB总线主设备管理节点（1）通过接收器端口接收故障检测帧，MVB总线主设备管理节点（1）判断是否接收到故障检测帧，并把判断数据帧发送到MVB冗余控制模块；
c.MVB冗余控制模块对数据帧进行分析处理，由于MVB总线主设备管理节点（1）接收到故障检测帧，MVB冗余控制模块不进行MVB总线冗余替换，此时MVB冗余环型网络处于正常工作状态。
7.根据权利要求3所述的多功能车辆总线MVB网络系统冗余设计方法，其特征在于：MVB总线Line_A出现故障时，故障诊断和处理方法的步骤是：
a.MVB总线主设备管理节点（1）接收器端口无法接收到检测帧，MVB总线主设备管理节点（1）发出故障中断数据；
b.冗余控制模块对中断数据进行处理并发出冗余替换指令；
c. MVB总线Line_A实时替换到MVB总线Line_B，恢复MVB网络故障。
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