1

列车通信网络Train_Communication_Network， TCN

2

定义列车网络层次结构

车速测量

辅助控制

制动控制

牵引控制

车厢控制 N机车控制

列车故障诊断列车运行自动控制

供电控制

空调控制

车门控制

轴温检测

制动控制

车

厢

总

线

。。。车厢控制 1

车

厢

总 线

列 车 总 线

车 厢

总

线

3

列车网络提供的服务内容 两条总线在链路层都提供了以下相同的两种服务：

过程数据传输：轮询式的，源寻址的广播数据； 消息数据传输：按需求的，目的寻址的数据报。

在更高层，实时协议提供了两种与总线无关的应用服务：– 变量 （分布式过程数据库）；– 消息集 （呼叫 / 应答消息或多播消息）。网络管理支持配置、维护和操作。一套一致性测

试的方针使得设备能够协调工作。

4

数据分类

列车通信网络将传输两类数据：

• 短而紧迫的过程变量 (Process_Variables)

（如用于牵引控制）；

• 不太紧迫，但可能较长的消息变量（如用于诊断）。

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列车通信网络 (TCN) 的主要作用

连接车厢内的可编程设备，以便于实现：机车、车厢和列车控制；远程故障诊断和维护；旅客信息服务。

6

列车通信网络的特点

工作环境恶劣，可靠性要求高；控制操作实时性（时间确定性）要求高；列车组成的动态性；

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国际标准及我国铁路标准IEC-61375-1 TCN

（本课程主要介绍内容）；

IEEE1473 TCN/Lonworks

TB/T 3035-2002实际应用还有： FSK、

HART 、 WorldFIP 、HDLC 等

TB中华人民共和国铁道行业标准

TB/T 3035-2002

列 车 通 信 网 络Train Communication Network

2002-02-09 发布 2002-07-01 实施中华人民共和国铁道部发布

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IEEE1473 允许协议设计组合

组合 车厢总线非时间严格型

车厢总线时间严格型 列车总线

I T 型 T 型 T 型

II L 型 T 型 T 型

III L 型 L 型 T 型

IV L 型 L 型 L 型

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TB/T 3035－ 2002 允许协议设计组合

组合 车厢总线非时间严格型

车厢总线时间严格型

列车总线

I T 型 T 型 T 型

II L 型 T 型 T 型

III L 型 L 型 T 型

IV L 型 L 型 L 型

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西门子公司 TCN 之产品• Siemens AG 与德国 Adtranz 一起生产牵引电气

设备。• 西门子生产的列车通信网络设备，主要是基于其

车载微机 SIBAS/SIBAS32 系统的 WTB和MVB的网卡和输入输出接口卡。

11

杜冈公司 (duagon GmbH)产品

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优尼康公司（ UniControls ）产品

• 捷克一家从事运输及能源系统开发生产的公司。 • 在列车通信网络方面的产品有：车载微

机、 WTB 总线网关。

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TCN 的优缺点

优点：TCN 的功能齐全已经成为铁标有一定国内应用的前例

TCN 的不足：WTB 协议复杂TCN 产品市场小，价格昂贵

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特征 绞线式列车总线 WTB 多功能车厢总线 MVB

结构 结构可变，构成改变时，具有自适应性 结构及设备的地址固定不变

介质 屏蔽双绞线（ 860 米， 32 个节点，相当于 22个 UIC 车厢）

双绞线， RS-485（ 20米 32 设备）；变压器隔离屏蔽双绞线（ 200米 32 设备）；星型光纤网（ 2000 米， 2 个设备）

物理冗余 双份物理介质 双份物理介质

信号 带 16..32 位前同步码的曼彻斯特编码 带定界符的曼彻斯特编码

信号速率 1Mbit/s 1.5Mbit/s

地址空间 8 bit 地址 12 bit 地址

物理地址 点对点及广播 点对点及广播

有效的帧长度 在 4 -132 个字节之间可变 量化的： 16， 32， 64， 128 或者 256 bits

完整性 帧 FCS-16 ，帧校验以及曼彻斯特编码 IEC60870 校验序列及帧尺寸校验

介质分配 由一台主设备完成 由一台主设备完成

主设备权传送 主设备，强主设备或弱主设备 总线管理器通过令牌传送成为主设备

主设备冗余 初运行后，主设备权传递给另一节点 令牌传递自动进行主设备权转换冗余校验

链路层服务 过程数据 循环 源寻址广播数据消息数据 偶发 点对点或广播数据报监督数据 循环 / 偶发 用于总线管理的数据

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拓扑结构列车通信网络基于以下的两层结构：• 将不同车厢内的节点连接起来的列车总线；• 将同一车厢内的设备连接起来的车厢总线。

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列车总线 WTB

列车总线用于连接不同组成的列车中的各个车厢：• 列车总线支持 UIC 556 规定的列车组成，总线传输距离

可达 860米 (22 个车厢 ) 。• 列车总线至少可以容纳 32 个节点。• 分配给列车总线节点一个位置地址，可识别方向（左 / 右、前 / 后），及其它节点的位置。

• 多个车厢连挂时，列车总线自动运转（初运行）。• 列车总线可承受大约每小时一次的车厢连挂及解挂操作。• 为使总线在节点故障时仍可工作，事先把各节点编号和类

型通知给所有的应用，以便证实列车组成的完整性。• 当车厢数目改变或在总线上进行添加、移除设备时，不需

手动干预列车总线也能继续工作。• 列车总线使用专用介质。 UIC 电缆或 EP 电缆（电气制

动电缆）的要求。

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车厢总线 MVB

车厢总线用于将一个车厢内或不可分的车厢组内的设备连接起来：

• 车厢总线允许设备的安装间距在 200米以内；• 车厢总线至少支持 256 个设备；• 车厢总线在最差情况下的响应时间低于 16ms ；

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MVB物理层 MVB 提供三种不同的物理介质，它们以相同速率

运行：电短距离介质传送距离≤ 20 米，使用标准的

RS-485 收发器，每段最多支持 32 个设备。电中距离介质传送距离≤ 200 米，每段最多支持 32 个设备，屏蔽双绞线，变压器隔离；

光学玻璃纤维介质，星型连接或点到点方式下最大距离 2000 米。

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电短距离介质 ESD• 该介质使用 RS-485收发器，基于基本的差分传输。无需

在发送器和收发器之间电隔离。适用于位于密闭机箱里的底板总线之间的通信。 ESD布线拓扑如下图。

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ESD端接器接线

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ESD 连接器布置

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ESD端接器的连接器布置

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ESD 信号波形－帧开始示例

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ESD 的发送器 发送器应 ISO8482（ RS-485 ）标准，约束条件为：a ）当驱动一个并联电容为 50.0PF 的 54.0Ω负载时，信号的上升时间 (10%~90%) 应小于 0.03BT(20ns,1.5Mbit/s) 。

b ）发送器以两种有源电平提供低阻抗差动电压源：高电平，此时电压差 (Up - Un) 在以下范围内：+1.5 V < (Up - Un) < +5.0 V ，驱动 54.0 Ω阻性负载时；+1.5 V < (Up - Un) < +6.0 V ，无负载时。低电平，此时电压差 (Up - Un) 在以下范围内： -1.5 V > (Up - Un) > -5.0 V ，驱动为 54,0 Ω阻性负载时； -1.5 V >(Up - Un) >-6.0 V ，无负载时。

注：本规范比 ISO8482 更严格，在选择商用收发器时必须留心。IEC61158-2 的收发器能够满足本规范。

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ESD 的接收器接收器遵循 ISO8482(RS-485) 标准，约束条件为：a ）根据不同的线路电压， 接收器在其 RxS 输出上

产生两种不同的电平：• 当线路 朝高电平驱动，如果电压差 (Up - Un)大于

+0.200 V ，则为高电平。• 当线路 朝低电平驱动或线路 无驱动只有偏压存在

时，如果电压差 (Up - Un) 小于 -0.200V ，则为低电平。

b ）接收器至少应有 0.050V 的滞后，但不能大于0.200V 。

c ）接收器在有 RS-485规定的相对于 Bus_GND 线的共模电压存在时，应能正确工作。

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ESD 拓扑

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电中距离介质 EMD

• 在封闭的列车系统中， MVB 可以跨越几个车厢。在这种应用中可采用电中距离介质，每段最大可以达到 200 米，约 4 个车厢。用于连接不解挂的车厢组合。

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EMD 传输介质采用双绞屏蔽线，屏蔽方式如图；收发器与传输介质之间采用变压器隔离。

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收发器与传输介质的连接

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设备与 EMD 的双线连接 (冗余 )

31

EMD连接器的布置

32

EMD 帧起始示例

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光纤介质连接• 光纤介质由一对构成全双工点对点连接的光纤组

成。• 光介质被推荐用于高电磁噪音的区域，例如机车。

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拓扑结构• 电介质采用总线 拓扑结构，而光介质通常采用星

型拓扑。

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MVB 总线段连接 (混合拓扑结构 )

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总线控制器（ Bus_Controller ）

总线控制器用途：•控制总线的访问；

•通过发送器和接收器附挂到两条冗余总线；

•包含编码器 /译码器和通信存储（ Traffic_Store ）控制逻辑；

•译码到达帧并寻址通信存储。

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端口与通信存储器

通信存储器设立目的端口分为两类 逻辑端口 物理端口 通信存储器的组成通信存储器的访问者

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MVB 信号编码• MVB 速率： 1.5MB/s 。• 数据采用曼切斯特编码。• 数据位编码如图

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MVB 信号编码• 非数据符编码 NH和 NL

a ）一个“ NH” 的编码在整个位单元为 HIGH ；b ）一个“ NL” 的编码在整个位单元为 LOW 。

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MVB帧起始定界符• 帧数据以 9-bit 帧源定界符开头• 主设备帧起始符 MSD(Master Start Delimiter)• 从设备帧起始符 SSD(Slave Start Delimiter)

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MVB帧结束分界符• 当介质为 ESD 时，添加一个“ NL” 编码，并停止

发送；• 当介质为 EMD 时，在“ NL” 编码之后添加一个

“ NH” 编码，并停止发送（如下图所示）；• 当介质为光纤时，添加一个“ NL” 编码，并停止

发送。

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MVB 信号传输

以 9-bit帧 Start_Delimiter （源定界符）打头，以 8-bit Check_Sequence （校验序列）结束

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介质冗余

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光纤介质冗余

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主设备权的转移

令牌传送算法 ：

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MVB 链路层一次传输包括两种类型帧：• 主设备帧（ Master_Frame ），只由总线主设备生成；• 从设备帧（ Slave_Frame ），由从设备在响应主设备帧

时发送。• 一个主设备帧及相应从设备帧共同形成一个报文：

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报文类型

• MVB 中有16种报文，由主设备帧中的F_code区分。

F_code （功能码） 报文类型0 16 位过程数据请求帧1 32 位过程数据请求帧2 64 位过程数据请求帧3 128 位过程数据请求帧4 256 位过程数据请求帧5 (保留 )

6 (保留 )

7 (保留 )

8 主设备权传送请求帧9 总体事件请求帧10 (保留 )

11 (保留 )

12 256 位消息数据请求帧13 组事件请求帧14 单事件请求帧15 设备状态请求帧

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Process_Data （过程数据）报文

• 对 F_code＝ 0..4和 Logical_Address的Master_Frame 进行响应的 Process_Data

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MVB帧长度

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Message_Data （消息数据）报文

• Message_Data 是对包含 F_code ＝ 12 和设备地址的 Master_Frame 的响应，其长度固定为256 bits。 Message_Data包含一个供所有设备译码的 12-bit 目的地址。

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监督数据 (Supervisory_Data) 报文

• Supervisory_Data 帧 是 对 F_code ＝8 、 9 、 13 、 14 或 15 的 Master_Frame 的响应。其长度总是 16 bits 。

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MVB 介质分配（ MAC ） MVB 由单个 主 设 备 控 制 ，该设 备 是 能 发送

Master_Frames （主设备帧）的唯一设备，所有其它的设备都是从设备，他们不能自发发送。

在持续几秒钟的一轮期间，可能有几个设备——Bus_Administrators （总线管理器）——能够成为主设备，但一次只能一个成为主设备。

主设备可位于总线的任意位置。 主设备按照某种预定顺序（策略）对端口进行周期性的轮询（ Polling ）。

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MVB 介质分配 基本周期、周期相、偶发相； 过程数据、消息数据； 主设备轮询：源寻址广播；

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MVB 介质分配 过程数据：根据所传送数据的需要安排访问时间

间隔。时间间隔以基本周期为单位，按 2n 关系统一部署。

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MVB 介质分配

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HDLC 数据帧格式• 起始标志 要传输的数据块 结束标志

01111110 000101100110111 01111110 包括起始和终止标志的信息块称为 HDLC 的“数据帧”。起始和终止标志采用相同的帧间隔符“ 01111110” ，即在 HDLC 规程中，帧与帧之间用“ 01111110” 所分隔，“帧”构成了通信双方交换的最小单位。

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“0”比特插入法 为保证帧间隔符“ 01111110” 的唯一性和帧内数据的透明

性，保证 A （地址字段）、 C （控制字段）、 I （信息字段）、 FCS （帧校验序列）中不出现 01111110 的位模式， HDLC采用了‘ 0’ 位插入法。

发送端 发送“ 01111110” 后，开始数据发送，并在数据发送过

程中，检查发送的位流，一旦发现连续的 5 个‘ 1’ ，则自动在其后插 (附 )上 1 个‘ 0’ ，并继续传输后继的位流；数据发送结束后，追加帧间隔符“ 01111110” 。

接收端 识别出帧间隔符“ 01111110” 之后，启动接收过程；若

识别出连续 5 个‘ 1’和 1 个‘ 0’ ，则自动丢弃该‘ 0’ ，以恢复原来的位流；若识别出连续的 6 个‘ 1’ ，表示数据结束，该数据帧接收完成。

58

HDLC 数据传输模式1. 正常响应模式 (NRM) ：主站具有选择、轮询从站的能力，并可向从站发送命令或数据；从站只有在主站询问时才能作为响应传输数据；

2. 异步响应模式 (ARM) ：主站具有初始链路，差错校验和逻辑拆链功能；从站可以主动传输数据；

3. 异步平衡模式 (ABM) ：任一组合站（兼有主、从站功能的站）均可控制链路，主动传送数据。

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HDLC 控制字段格式

0 1 2 3 4 5 6 7

信息帧 I监控帧 S

无编号帧 U

0 Ns P/F Nr

1 0 type P/F Nr

1 1 M1 P/F M2

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HDLC 控制字段 _信息帧(I)

用于传输用户数据，其控制字段的第 0 位规定为‘ 0’ ； Ns （发送帧序号）：说明本帧对应的帧序号（采用模 8

计数），发送端可以不必等待确认，而连续地发送若干帧（不超过 8 帧），每发一帧， Ns模 8 计数一次；

P/F （查询 /终止指示符）：对于不同的传输模式，该位具有 不 同 的含义 。 当采用 ARM 和 ABM 传 输模式时， P=1 要求对方立即予以响应，并在响应中置 F=1 。无论使用何种传输模式， P/F 总是一一对应的，在接到F=1 的帧之前，不允许再发 P=1 的帧；

Nr （待收帧序号）：说明希望接收对方帧的序号（采用模 8 计数）， Nr隐含指示该序号之前的所有帧已被正确接收；

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HDLC 控制字段 _监控帧（ S ）

用 于表示接收状态 ， 其 控 制字段的第 0 、 1 位 规 定为“ 10” ；第 2 、 3 位表示了四种类型的监控帧。

Type=00, 接收准备就绪 (RR) ，发送该 RR监控帧的一方准备接收编号为 Nr 的帧；

Type=10, 未准备就绪 (RNR) ，发送该 RNR监控帧的一方说明已经收妥 Nr 以前的所有帧，但希望对方暂缓发送Nr帧；

Type=01, 拒绝接收 (REJ) ，发送该 REJ监控帧的一方说明已经收妥 Nr 以前的所有帧，但编号为 Nr 的帧有差错，希望对方重发编号为 Nr 及其以后的所有帧；

Type=11, 选择接收 (SREJ) ，该帧的含义类似 REJ监控帧，但希望对方仅仅重发第 Nr帧。

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HDLC 控制字段 _无编号帧(U)

用于命令的传输（建立 /拆除链路）等； 控制字段的第 0 、 1 位规定为“ 11” ，第 2 － 3

位（ M1 ）和第 5 － 7 位（ M2 ）表示U 帧的类型。M(M1M2)=11100(SABM) ，某一组合站置本次链路为异步平衡模式；

M(M1M2)=00010(DISC) ，主站请求释放 ( 拆除 )本次链路；

M(M1M2)=00110(UA) ， 从站对主站命令的确认，类似 BSC 中的 ACK ；

M(M1M2)=10001(CMDR) ，从站对主站命令的否认，类似 BSC 中的 NAK ；

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绞线式列车总线（Wire_Train_Bus，WTB ）

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WTB 总线拓扑

Trunk cableJumper cable

And connector Node Connectors

Trunk cable

EndNode

ExtensionCables

Terminators

EndNode

End vehicle Intermediate vehicle(s) End vehicle

图 3-6 WTB 总线拓扑

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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’ 。

66

WTB 介质附挂单元• 介质附挂单元有两个收发器 , 一个方向上一个。收发器使用变压器实现与外部导线的电隔离，并附挂到曼切斯特编码 /译码器上。

67

WTB 介质冗余

68

WTB 信号及其编码

69

WTB帧（扩展的 ISO/IEC 3309 ）

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WTB 链路层及其报文

WTB 有三种报文：1 ）过程数据报文；2 ）消息数据报文；3 ）监督数据报文；

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WTB 过程数据报文

72

WTB 消息数据报文

73

WTB监督数据报文

74

WTB 介质访问

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常规操作 WTB帧（总结）

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WTB 初运行 初运行目的：当列车的组成改变时，特别是车厢被

连挂或解挂时，主设备重新配置总线。这个过程称为初运行。

初运行动作：• 节点连接电缆节形成一个两端带端接器的单段；• 每个节点接收一个标明其位置和相对于主设备的方

向的唯一地址，并通知主设备它需要的Individual_Period （特征周期）和Node_Descriptor （节点描述符）；

• 每个节点收到一个称为构形的描述符，该描述符显示其它节点的地址，位置和描述符。

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节点地址分配1 ）主设备地址为 01 ；2 ）主设备定义方向 1 为“底部” ，方向 2 为“顶部” ；3 ）在方向 1 上从地址 63 开始降序排列从设备节点地址，该

方向最后命名节点是底部节点；4 ）在方向 2 上从地址 02 开始升序排列从设备节点地址，该

方向最后命名节点是顶部节点；5 ）主设备可以最多命名 62 个节点。

78

初运行中的 MAU单元

79

80

81

主设备冲突

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TCN 应用

83

动力集中动力集中方式的列车，可以完全按照典型的 TCN 标准结构组织通信网络。

WTB/MVB网关

IDU显示单元

CPS电源控制单元

ATP列车超防

BCU制 动 控 制单元

DSU1/2司机 控 制单元

ACU辅助变流器控制单元

DCU1/2主变流器控制单元

LCU逻辑控 制单元

CCU1/2中央控制单元

SC星形耦合器

MVB

WTB

MVB

WTB

动力集中机车网络

84

WTB/MVB网关

IDU显示单元

SUPPLY供 电 控 制单元

SLIDP防滑器

BCU制动控制单元

AXT轴 温 检 测单元

AIR空调控制单元

INV逆变器控制单元

CONTR集中控制单元

DOOR1/2门控单元

RS485

WTB

MVB

WTB

动力集中拖车网络

85

动力分散

TCU牵引控制单元

CCU中央控制单元

IDU显示单元

ACU辅助控制单元

XDU轴温车门空调单元

TCU牵引控制单元

XDU轴温车门空调单元

XDU轴温车门空调单元

BCU制动控制单元

BCU制动控制单元

ACU辅助控制单元

ACU辅助控制单元

BCU制动控制单元

ATP列车防护

VCU拖车控制单元

MCU动力车控制单元

WTB

MVBMVB MVBMVBMVB

动力分散列车网络

86

摆式列车

列车总线 网关

机车微机 控制器

电空制动 控制器

便携式 测试工具

控制处理器 倾摆指令 产生

诊断处理器

显示器

星型耦合器

总线管理器

光纤网卡 光纤网卡 光纤网卡光纤网卡

MVB近程车厢总线MVB远程车厢总线

WTB 列车总线

87

谢谢！