北方交通大学
硕士研究生学位论文
论文题目：LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组
控制系统中的应用研究
申请人 马云双
指导老师 周希德 教授
专业 电力系统及其自动化
单位 电力电气学院
2000 年 2 月
北方交通大学硕士学位论文 摘 要
摘 要
动车组在我国的迅速发展对我国当前水平较低的传统列车控制技
术提出了挑战，应用的需要使得发展我国自己的列车控制网络成为当
务之急。在列车控制网络中，列车总线、车辆总线是其中的主体部分，
通过对整列车的控制的网络化，实现动车组中分散动力的联动控制，
确保列车上各系统的工作情况尽在掌握之中，并实现了信息共享。这
是列车控制的发展趋势。本课题正是针对内燃动车组的控制系统展开
研究的。
LONWORKS 网络控制技术是近年来迅速发展起来的现场总线控
制技术，在工业、楼宇、运输、能源等自动化领域得到应用。它集计
算机、网络、控制于一体，集成了 ISO/OSI 的全部七层协议，同时具
有通信和控制功能，提供了 34 种常见的 I/O 控制对象，工作温度范围
宽（-40℃～85℃），组网灵活，开放性好；所有这些都说明它能够应用
到列车控制中。
本文提出了采用 LONWORKS 技术的列车控制网络的三个实施方
案，并针对我国目前的情况，对方案三的实现进行了详细的论述。文
中讨论了节点的组合原则，分析了网络的实时性，并重点论述了节点
设计和组网设计。同时对系统的电磁兼容性进行了分析，提出了解决
办法。
最后，论文给出了系统的试验情况，从而对前期的研究给出了有
力的验证。
关键词：LONWORKS 网络控制技术，内燃动车组控制系统，研究
I
北方交通大学硕士学位论文 摘 要
Abstract
The rapid development of the EMU and DMU has challenged the
low-leveled traditional train control technology in our country, which urges
the development of our own train control networks. The train control
network, which is mainly divided into train bus and vehicle bus, is used to
synchronize the transmission system of the motor car, to gain the control
and monitor the status of all the equipment in the train, and to share
information with one another. Actually this has become the trend of the
development of the train control. In this paper, the discussion is carried out
based on the control system of DMU.
The LONWORKS technology, one of the many fieldbus technologies
developed in recent years and available as an open standard to all
manufacturers, now has been widely used in the automatic areas ranged
from industry, building, transportation, to power system. It integrates
computer, network and control into one technology and displaces proprietary
centralized systems with open, highly distributed, interoperable systems.
Neuron chip, whose network protocol has all 7 layers of the ISO/OSI
reference model, has the abilities of both communication and application
control, and provides 34 I/O object. The technology also provides versatile
methods for building and managing the control networks.
In this paper, 3 solutions for the train control network are
demonstrated based on the LONWORKS technology. And according to the
actual situations in our country, the 3rd solution is further discussed in detail.
The main principles for the definition of the different nodes in a network
are given, and the characteristic of the real-time control is thoroughly
analyzed. Furthermore, great emphasis has been put to discuss node design
and network design. Meanwhile, this paper also analyzes the EMC of the
system, for which some methods are given.
Finally, the paper provides certain results of the static tests and the
dynamic test on-board the DMU, which in return proves the precedent
design.
Keyword: LONWORKS technology, Control system of the DMU, study
II
北方交通大学硕士学位论文 目 录
目 录
摘 要 ....................................................................................................... I
Abstract ......................................................................................................... II
目 录 .....................................................................................................III
第一章 概 论 ...........................................................................................1
1.1 列车微机控制技术的发展与现状 ................................................2
1.2 本课题的目的和内容 ....................................................................8
第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发.....................................12
2.1 概述 ..............................................................................................12
2.2 LONTALK 协议 ............................................................................13
2.3 Neuron 芯片 ..................................................................................24
2.4 Neuron C .......................................................................................29
2.5 LNS .........................................................................................32
2.6 网络管理 .......................................................................................33
第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析 ...........................................34
3.1 采用 LONWORKS 技术的可行性分析 .....................................34
3.2 系统方案 ......................................................................................35
3.3 节点设备的组合原则 ..................................................................41
3.4 数据通信 ......................................................................................42
3.5 通信实时性分析 ..........................................................................44
第四章 系统设计 .......................................................................................47
4.1 概述 ...............................................................................................47
4.2 节点设计 ......................................................................................47
4.3 组网设计 .......................................................................................57
第五章 系统的电磁兼容性 .......................................................................63
5.1 概述 ..............................................................................................63
5.2 电源和接地 ...................................................................................64
5.3 屏蔽 ...............................................................................................65
III
北方交通大学硕士学位论文 目 录
5.4 电路上的措施 ...............................................................................67
5.5 软件所采取的措施 .......................................................................68
5.6 已有可靠性措施 ..........................................................................68
5.7 电磁兼容性试验 ..........................................................................68
第六章 系统调试 .......................................................................................71
6.1 静态调试 ......................................................................................71
6.2 装车调试 ......................................................................................72
第七章 结 论 .......................................................................................73
致 谢 ............................................... Error! Bookmark not defined.75
附录 1 系统抗电磁干扰试验记录 ........ Error! Bookmark not defined.76
附录 2 型式试验报告 .......................... Error! Bookmark not defined.78
附录 3 动车控制网络系统装车运用试验评审报告Error! Bookmark not defined.83
参考文献 ................................................. Error! Bookmark not defined.93
IV
北方交通大学硕士学位论文 第一章 概论
第一章 概 论
进入九十年代以来，中国经济进入了一个新的增长周期，经济的
发展极大地促进了全国人口的流动，各种旅客尤其是中短途旅客的数
量直线上升，旅客运输成为交通行业的竞争焦点。在这一时期中，高
速公路和民航以其灵活、方便、快捷、高效等特点而迅速发展起来。
对一向以“老大哥”自居的铁路旅客运输造成了巨大的压力，甚至一
度出现负增长。在这种背景下，顺应潮流，满足市场需求成了铁路旅
客运输业急需发展的头等大事，而发展中短途城间快车无疑是一个明
智的选择。于是，动车组作为一个在国外得到广泛应用备受欢迎的产
品以其编组灵活、安全舒适、快速方便等特点而引起了国内同行的广
泛关注。成为了适应城市间中短途以及市郊客运的一种高效、节能、
污染少的最佳方式和必然趋势。
由于动车组主要针对中短途城间旅客运输，并能够根据客流量的
变化灵活编组，故动车组多采用动力分散、小编组，可多组连挂运行
的方式，与传统编组的列车有了很大的区别。这个区别的直接结果就
是控制系统的复杂化，对列车的控制系统提出了较高的要求，主要表
现在：
(1) 保证各动车的动力系统能够同步协调运行；
(2) 能够实现司机对整个车组的各部分的控制；
(3) 系统响应实时快速，满足列车控制的要求；
(4) 实现动车组各部分运行状态的实时监控；
(5) 提供简洁、明确的旅客信息；
(6) 系统应具有可扩展性，能够方便可靠的接入新增设备。
这些功能的实现使得列车控制系统变成了一个庞大而功能完备的
系统，我国目前所采用的控制系统无法满足此要求。此前我国在机车
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 1
北方交通大学硕士学位论文 第一章 概论
重联方面曾有过多方面的尝试，大多采用直接的硬连线传输，这种方
法一方面需要大量电缆，另一方面，大量的信号进行长距离的传输，
信号的衰减是一个不容忽视的问题，直接导致系统的可靠性不高。而
且由于系统资源有限，很难满足大量控制和系统扩展的要求。因而，
一段时期以来，列车控制系统成为了困扰广大机客车生产厂家的一大
难题。
随着人类社会进入信息时代，网络技术的迅猛发展发展正在改变
着人们的工作和生活。计算机网络迅速波及到社会生活的各个角落，
铁路运输业也不例外，欧美机车车辆行业的各大制造厂商纷纷发展起
来了各自的列车控制网络，并得到了广泛的应用。网络成为了列车控
制系统的一个完美的解决方案。因此，在国内还没有成熟的产品的情
况下，各厂家纷纷将目光投向了国外。但是，由于国内外技术落差的
存在，国外厂商在卖给我们列车控制系统的同时，也开出了天价，使
得控制系统成为了一个奢侈品，同时在系统的安装、调试和维护等方
面也存在各种各样的问题。因此，开发自己的列车网络控制系统迫在
眉睫。随着机车车辆技术的不断发展，列车控制逐渐多样化，发展具
有开放性、可靠性高而功能完备的列车控制系统也是国内厂商所拭目
以待的。本文将就此逐渐展开讨论。
1.1 列车微机控制技术的发展与现状
1.1.1 国外
70 年代末至 80 年代初，车载微机的雏形分别在西门子公司和 BBC
公司出现。开始仅仅用于传动装置的控制，随着控制、服务对象的增
多，人们把铁道系统依次划分为 6 个层次：公司管理、铁路运营、列
车控制、机车车辆控制、传动控制和过程驱动，于是列车通信网络在
初期的串行通信总线的基础上应运而生，并从原来不同公司的企业标
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 2
北方交通大学硕士学位论文 第一章 概论
准推向国际标准，逐步形成了列车通信与控制系统的标准化、模块化
的硬件系列和全方位的开发、调试、维护、管理软件工具。
1988 年，IEC 第 9 技术委员会 TC9 成立了第 22 工作组 WG22，其
任务是制订一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相
互联挂，车上的可编程电子设备可以互换。并于 1999 年 6 月通过了
IEC61375-1 标准作为 TCN（列车通信网）的标准。同年，IEEE 委员会
也制订出了车载通信协议标准 IEEE Std 1473-1999 标准，并将 TCN 和
LONWORKS 同时纳入其中。
在此期间发展起来的车载微机系统有西门子的 SIBAS16、SIBAS32，
Adtranz 公司的 MICAS-S、MICAS-S2、MITRAC 以及 ALSTOM 公司
的 AGATE 系统。其中 SIBAS16、SIBAS32、MICAS-S 是基于早期自
而
行定义的协议来建立列车通信网络的， MICAS-S2、MITRAC 则是基
于 TCN 标准的。 MICAS-S2 将网络分成列车总线和车厢总线，列车总
线采用 FSK（频移键控），波特率为 19.2kbps，车厢总线 MVB（多功
能车厢总线）采用 RS-485 串行通信标准，局部总线采用双绞线，远程
总线采用光缆，波特率为 1.5Mbps。MICAS-S2 的总线结构图如图 1.1
所示。MITRAC 则是在 MICAS-S2 的基础上发展起来的分布式列车控
制网络，其协议已完全符合 TCN 的标准。AGATE 则是以 WORLDFIP
总线协议为基础建
立网络的。通信波
特率为 2.5Mbps。
三者皆可根据需要
建立主从式的分级
列车网络。
另外，加拿大 图 1.1 MICAS-S2 的总线结构
的 BOMBARDIER
公司和日本的川崎公司则基于 LONWORKS 网络技术在纽约地铁上建
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 3
北方交通大学硕士学位论文 第一章 概论
立了列车网络。关于 LONWORKS 技术将在后续章节中介绍。
1.1.2 国内
微机控制技术在我国机车车辆行业的运用已经有了十多年的时
间，在这期间，主要经过了三个阶段：第一阶段是功能控制阶段，即
微机控制系统主要完成单一的有限的功能。第二阶段是系统化阶段，
即微机控制系统的开发是基于系统的综合考虑的结果。第三阶段是网
络化阶段，将计算机网络的概念引入列车控制系统，在列车上建立分
布式的列车控制网络。这三个阶段会因制造厂家的不同而在时间上产
生重叠，但就技术发展的本身而言，则是非常明确的。
在第一阶段中，内燃机车和电力机车均有不同的发展。内燃机车
主要立足于自行开发，不同的生产厂家发展出了不同的控制系统，分
别应用在 DF4、DF5、DF7 等机车上。这些系统大多主要完成机车的恒
功率控制功能，采用单片机实现，在设计功能上有较强的针对性，由
于受到单片机运行速度、扩展能力以及开发方面的限制，已经难以实
现大量功能的扩展；电力机车则立足于引进消化吸收和自主开发相结
合的原则，对引进的 8K 机车的控制技术进行消化吸收，开发出应用在
SS5、SS6、SS3B、SS4 改进型、SS6B、SS7 等不同车型的电力机车电
子控制装置，其主要电路是通过模拟、数字电路实现控制的数学运算
和逻辑运算的，只有部分电路如功率因数补偿、空电联合制动控制电
路采用单板机技术。
在第二阶段中，内燃机车以 DF6、DF8B、DF11、NJ1 为代表，DF6
机车的控制系统为美国 GE 公司开发研制的，系统以 80186 芯片为控制
器，采用 FE 总线，能够完成恒功率控制、大量数据采集、故障诊断、
系统管理等功能，能够完成较大的任务量，同时系统提供了 RS-232 串
行接口，便于系统的局部扩展。而装于 DF8B、DF11、NJ1 等机车的微
机系统则是株洲所和大连所在 DF6 机车的微机系统的基础上消化吸收
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 4
北方交通大学硕士学位论文 第一章 概论
的。并为系统增加了人机界面，使之成为一个完整的系统。电力机车
则是基于对当时 ABB 公司的 MICAS-S 的消化吸收，并根据我国电力
机车的实际情况予以装车的，系统分为人机界面级、机车控制级、和
变流器控制级。系统能够完成机车控制的大部分任务，相对于机车控
制而言是比较完善的解决方案，这在 SS4 0038 电力机车上得到了体现。
再进一步，随着动车组在我国的出现和发展，也出现了基于上述系统
的控制系统，由于动车组固定编组、双方向驾驶的特点，要求位于动
车组两端的控制系统共享信息，实现对远端动车的控制，于是便出现
了基于上述系统的点对点通信的控制系统，例如，戚墅堰机车厂的 2
动 9 拖内燃动车组的控制系统，是在 DF11 机车的控制系统的基础上增
加了 LONWORKS 网卡实现通信，昆明－石林动车组采用 RS-485 实现
显示器的互连，南昌动车组采用 RS-485 通信等。这些系统实质上是上
述系统功能的扩展，还不具备真正意义上的网络的概念，因此只能归
于此阶段中。
第三阶段是真正实现列车控制网络化的阶段，在目前我国生产的
动车组中，已有采用，只是所用系统多是直接从国外引进的。如株洲
电力机车厂生产的出口伊朗的 TM1 电动车组，采用了 MICAS-S2 系统，
列车总线采用 FSK，车辆总线采用 MVB。在 DDJ1 一动六拖电动车组
中也采用了 MICAS-S2。在除此之外的其它国产动车组中，控制系统均
处于第二阶段。因此，开发出适合我国国情的列车控制网络系统是当
务之急，也有着广阔的发展空间。目前，列车网络控制系统正处于百
花齐放阶段，已进行和正在进行的研制项目包括 ARCNET 列车总线、
HDLC 车辆总线、CAN 总线和 FSK 总线。这项技术在国外已经非常成
熟，并形成了相应的标准，因而，我们应期待着在百花齐放之后迎来
的一个采百家之长、符合国际标准、适合我国国情的开放的列车控制
网络系统。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 5
北方交通大学硕士学位论文 第一章 概论
1.1.3 现场总线技术
现场总线是 20 世纪 80 年代中期在国际上发展起来的，被誉为自
动化领域计算机局域网，现场总线控制系统既是一个开放的通信系统，
又是一个全分布控制系统，它适应了工业控制系统向分散化、网络化、
职能化发展的方向。新型的现场总线控制系统突破了 DCS 系统中通信
由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解
决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂
商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，
实现综合自动化的各种功能。
现场总线的这些特点与列车控制网络的要求有相似之处，而现场
总线用作列车控制也有先例，下面就介绍几种适于列车控制的现场总
线。
（1）CAN
CAN（Controller Area Net，控制局域网络）是主要用于各种过程
监测及控制的一种网络。最早由德国 BOSCH 公司推出，用于汽车内部
测量与执行部件之间的数据通信。其技术规范现已被 ISO 国际标准组
织制订为国际标准，由于得到了 Motorola，Intel，Philip，Siemens，NEC
等公司的支持而被广泛应用在分散控制领域。其模型结构只有三层，
即 OSI 的物理层、数据链路层和应用层。通信介质采用双绞线，通信
速率可达 1Mbps/40m，直接通信距离可达 10km/5kbps。可挂接设备数
多达 110 个。CAN 支持对等式结构，网络上的节点可设置优先级，以
满足不同的实时要求。采用非破坏性总线仲裁技术。可以点对点、点
对多点以及广播式发送及接收数据。CAN 采用短帧结构，每一帧的有
效字节数为 8 个。CAN 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线
的功能，切断它与总线的联系，避免影响总线上其它节点的操作。在
Siemens 公司的 SIBAS32 中曾在制动控制部分的总线中采用 CAN 总线。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 6
北方交通大学硕士学位论文 第一章 概论
我国也有过这方面的研究和应用。
（2）PROFIBUS
过程现场总线 PROFIBUS（Process Field Bus）是德国标准，由
PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP 共同形成其系列，
其中 PA（Process Automatiof1）用于过程自动化，通过总线供电，提供
本 质 安 全 型 ， 可 用 于 危 险 防 爆 区 域 。 FMS （ Fieldbus Message
Specification）用于一般自动化。DP 用于加工自动化，适用于分散的外
围设备。PROFIBUS 采用了 OSI 模型的物理层、数据链路层，FMS 还
采用了应用层。传输速率 9.6kbps～12Mbps，最大传输距离为 12Mbps
时为 100m，1.5Mbps 时为 400m。可用中继器延长至 10km。传输介质
可为双绞线、光纤。最多可挂 127 个站点。
（3）FF
现场总线基金会（FF）是国际公认的唯一不附属于任何企业的公
正的非商业化的国际标准化组织。其体系结构采用了物理层、数据链
路层、应用层、用户层。采用令牌总线工作方式，传输介质支持双绞
线、光纤和无线介质。传输信号采用曼彻斯特编码。
（4）LONWORKS
LONWORKS 控制网络是当前较为流行的现场总线之一，它是由美
国 Echelon 公司推出并与 Motorola、Toshiba 公司共同倡导，于 1992 年
正式公布而形成的。其网络芯片 Neuron 芯片集成了 ISO/OSI 的全部七
层协议，同时具有通信和控制功能，提供了 34 种常见的 I/O 控制对象，
；
工作温度范围宽（-40℃～85℃）
LONWORKS 控制网络的信号传输介质可为双绞线、电力线、无线、
红外线、光缆，支持总线型、环型、自由拓扑型等网络拓扑形式，网
络收发器有直接驱动、EIA-485 型、变压器耦合接口三种形式，满足了
不同要求同时传输信号采用差分曼彻斯特编码，使网络具有很强的抗
干扰能力。在采用双绞线、波特率为 78bps 的通信网时的直接通信距离
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 7
北方交通大学硕士学位论文 第一章 概论
可达到 2700m，加上其功能强大的硬件支持使得很容易在一定的空间
范围内构成功能繁多的系统；
LONWORKS 控制网络的介质存取控制（MAC）采用了可预测 P
坚持 CSMA（Predictive P-Persistent CSMA），使得在网络超载时仍保持
很高的吞吐量；
网络结构既可采用主从式和对等式。具有配套的节点、路由器、
网关等设备的开发、调试和安装设备，集成化的开发环境使得系统的
开发调试简单易行，可实现网络的离线、在线设计、在线调试或通过
IP 网的远程调试。
LONWORKS 控制网络的网络通信采用了面向对象的设计方法，应
用编程时不用花时间考虑通信部分的繁琐编程；而且它具有集成化的
开发环境，易于开发、安装和调试；
开放式的系统设计易于实现网络的扩展和升级；
LONWORKS 控制技术已经在纽约地铁、新泽西轻轨的列车控制以
及 AAR(Association of American Railroads)货物列车电空制动控制中得
到应用；并作为列车通信网络标准被纳入了 IEEE-1473-L。
1.2 本课题的目的和内容
1.2.1 课题来源
四方机车车辆厂目前研制生产的内燃动车组以动力传动的型式分
为液力传动和交直流电传动两种，交流传动的动车组也正在研制之中。
编组形式则根据用户需要而各有不同，典型的有两动四拖（M+4T+M）
液力传动内燃动车组、一动五拖（M+4T+Tc）直流传动内燃动车组。
本课题目前主要针对液力传动内燃动车组的控制系统，因此，这里重
点介绍两动四拖（M+4T+M）液力传动内燃动车组。整列动车组采用
两动四拖固定编组方式，动车组前后两节为完全相同的动车，主传动
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 8
北方交通大学硕士学位论文 第一章 概论
采用液力传动方式，中间为四节拖车。全列采用微机电气重联控制和
操纵。在每个动车的司机室均能够进行两个动车的协调控制。车头呈
流线型。车体为低度鼓形断面，车门为弧形电控风动塞拉门，集中供
电，全列空调。两节动车各有一半为客室。其辅助发电室装有柴油发
电机组，向列车空调机组、电暖器、电茶炉、灯具等供电。
整个动车组装了两套控制系统：分别为动车控制系统和拖车监控
系统。两套系统完全独立运行，分别由不同的生产厂家提供。
动车控制系统是从日本新泻引进的，该系统采用单片机控制。系统
结构示意图如图 1.2 所示。在两个动车内分别安装一台微机控制装置
(CCS，Computer Controlled System)，实现动车运行以及辅助系统运行
控制。两台装置之间通过 RS-485 通信，进行数据交换，两个 CCS 之间
采用主从式方式，在 CCS 初运行时由司机选定动车的主控端，CCS 根
据司机的指令确定主机，主机确定后，从控端的输入操作信号自动无
效，主机通过 RS-485 通信实现对从控车的控制。这套系统配置简单、
运行可靠，这在动车组的实际运行中也得到了验证。
1 2 3 4 5 6
M T T T T M
操作 指令 操作 指令
检测 信号 CCS CCS 检测 信号
输出 信号 RS-485 输出 信号
图 1.2 动车控制系统结构示意图
拖车监控系统主要用于拖车的供电系统、门、灯、空调等的监控
以及信息显示屏的管理功能。分两级监控，即列车级和车厢级。包括 6
个现场监控单元，每节车厢为一个现场监控单元，配备现场控制站，
即 IPC。列车级采用 CAN 总线，车厢级采用 RS-485 总线，由 IPC 来
管理两条总线。IPC 分别插有 CAN 总线网卡和 RS-485 接口卡。车厢
内部则由 PLC 实现控制。系统如图 1.3 所示。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 9
北方交通大学硕士学位论文 第一章 概论
键盘 鼠标 显示器
车厢控制系统A
电源
硬盘 模块
CPU板
软驱
IPC
ISA总线
CAN接口板 RS485通信卡 DI/DO AI
自动门控制器(2套)
门控 门控制
车厢总线RS-485 PLC 器2
制器1
空调 轴温报警 辅发控制
控制器 系统 系统
列车总线CAN
(a) 单个车厢控制系统的原理框图
系统A 系统B 系统B 系统B 系统B 系统A
(b) 列车总线的结构图
注：图中系统A与系统B的区别是：系统B没有辅发控制系统
图 1.3 拖车控制系统原理框图
1.2.2 存在的问题
动车控制系统：
(1) 在功能上具有较强的针对性，系统的功能可扩展性较差；
(2) 系统的串行总线仅完成了物理层的互连，数据链路层则采用了
的非标准的通信协议，只宜用于建立在拓扑结构较简单的系
统，若要进行网络扩展，则需要做大量的工作；
(3) 所用技术偏落后，直接国产化的意义不大；
(4) 系统为在国外直接订购的产品，配件供应也存在问题。
拖车控制系统：
(1) 采用多台 IPC 实现简单的功能，在资源利用上不够经济；
(2) 总线结构相对凌乱，系统是依据 IPC 现有的资源，在系统内设
置了多条总线，在拓扑结构上不尽合理。
(3) 实际应用中的可靠性不高，因而其部分功能在现场并未使用。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 10
北方交通大学硕士学位论文 第一章 概论
另外，动车控制系统和拖车监控系统为两套完全独立的系统，不
能实现信息共享，使得部分设备重复设置，是一种资源的浪费。
1.2.3 目的和内容
综上所述，目前所用的系统对于将要大批量生产的动车组来说无
疑只是权宜之计，需要开发出一套功能性、系统性、开放性均较强、
易于扩展，且适用性广的控制系统，以满足技术发展、设备更新、以
及动车组不同车型的需要。本课题将以此为立足点，讨论针对液力传
动内燃动车组开发出的一套动车组控制系统。
采用 LONWORKS 网络控制技术实现列车控制在国外已有成功的
范例，国内也有了初步的尝试。本论文试图以此技术为基础，讨论实
现列车控制系统全套解决方案的可行性，并对目前已完成的工作从不
同的角度展开论述。作为一个新系统的研究和开发，它所需解决的问
题相当多，从硬件角度讲，包括用于系统的各类节点的开发设计，电
源系统、安装结构的设计；从软件角度来讲，则包括节点软件的开发，
组网设计，HMI 开发等一系列的问题。因而就系统开发而言这是一个
多学科、综合性较强、较为复杂的课题。该课题是我厂与北京华高公
司联合完成的。在论文期间，作为厂方的项目参加人员，我主要完成
了以下工作：
(1) 与工厂相关技术人员共同提出系统的技术要求；
(2) 系统的对计算机网络技术、LONWORKS 控制网络技术进行了
学习和研究；
(2) 初步分析了 LONWORKS 技术实现内燃动车组控制系统的可
行性，提出了系统的组建原则，软、硬件的设计原则；
(3) 进行了系统中部分节点的硬件电路和软件的设计和调试；
(4) 参加了系统的地面静态试验和装车试验；
(5) 对 LONWORKS 节点的可靠性作了必要的分析。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 11
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
2.1 概述
LONWORKS 网络控制技术在控制系统中引入了网络的概念，在该
技术的基础上，可以方便的实现分布式的网络控制系统。并使得系统
更高效、更灵活、更易于维护和扩展。具体有以下特点：
（1）开放性和互操作性：网络协议是开放的，而且对任何用户都
是对等的。其协议已被一些国际标准组织确认为一些标准，如 EIA 709
和 IEEE1473。网络协议完整到任何制造商的产品都可以实现互操作。
该技术提供的 MIP（微处理器接口程序）软件允许开发各种低成本网
关，方便了不同系统的互联。也使得系统具有高的可靠性。
（2）通信介质：可采用包括双绞线、电力线、无线、红外线、光
缆等在内的多种介质进行通信，并且多种介质可以在同一网络中混合
使用。这一特性使得不同工业现场的不同设备实现互联。增强了网络
的兼容性。
（3）网络结构：能够使用所有现有的网络结构，如主从式、对等
式以及客户/服务式(Client/Server)。
（4）网络拓扑：可以自由组合，支持总线型、环型、自由拓扑型
等网络拓扑形式。尤其是自由拓扑形式使得网络构建更为方便灵活。
（5）分布式处理：网络上的每个设备都不依赖于其它设备独立地
接收、发送和处理网络信息。这意味着 LONWORKS 控制网络上的每
个设备都可以进行决策和信息处理，而不依赖于计算机、PLC 或其它
形式的中央处理器。消除中央处理器意味着减少 LONWORKS 控制网
络的总成本。由于个别设备的故障并不会影响网络中其它部分的工作，
也使得 LONWORKS 控制网络更加可靠，但如果是 PLC 或中央处理器
出现故障就造成控制网络的其它部分不能正常工作。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 12
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
除上述特点外，LONWORKS 控制网络在功能上就具备了网络的基
本功能，它本身就是一个局域网，和 LAN 具有很好的互补性，又可方
便的实现互联，易于实现更加强大的功能。LONWORKS 以其独特的技
术优势，将计算机技术、网络技术和控制技术融为一体，实现了测控
和组网的统一，而其在此基础上开发出的 LONWORKS/IP 功能将进一
步使得 LONWORKS 网络与以太网更为方便的互联。
LNS(LONWORKS Network Services)是用于 LONWORKS 技术开
发和应用的功能强大的网络操作系统。与网络构成 Client/Server 结构，
采用面向对象的方法管理网络设备。为网络管理和 HMI 建立提供了有
效的手段。
LONMARK 互操作协会是由 Echelon 和一些致力于建立互操作产
品的 LONWORKS 用户在 1994 年建立的。互操作性是指来自同一个或
不同制造商的多个设备能够集成在一个控制网络内，而不需要进行任
何用户节点或网络工具的开发。LONMARK 协会致力于制定互操作标
准、对产品是否符合标准进行认证、以及提高互操作系统的性能。
下面将分别展开叙述其各相关技术和功能。
2.2 LONTALK 协议
2.2.1 概述
LONWORKS 技术所使用的通信协议称为 LonTalk 协议。LonTalk
协议遵循由国际标准化组织（ISO）定义的开放系统互连（OSI）模型。
它提供了 OSI 参考模型所定义的全部七层服务，支持灵活寻址。表 2.1
给出了对应七层 OSI 参考模型的 LonTalk 协议为每层提供的服务。
表 2.1 LonTalk 协议层
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 13
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
OSI 层 目的 提供的服务
7 应用层 应用兼容 LONMARK 对象，配置特性标准网络变量类型，
性 文件传输
6 表示层 数据翻译 网络变量，应用消息，外来帧传输，网络接口
5 会话层 远程操作 请求/响应，鉴别，网络服务
4 传输层 端端的可 应答消息，非应答消息，双重检查，通用排序
靠传输
3 网络层 传输分组 点对点寻址，多点之间广播式寻址，路由消息
2 链 LLC 子层 帧结构 帧结构，数据解码，CRC 错误检查
路层 MAC 子层 介质访问 P-坚持 CSMA，冲突避免，优先级，冲突检测
1 物理层 物理连接 介质，电气接口
2.1.2 物理信道
LonTalk 协议支持以不同通信介质分段的网络，它支持的介质包括
双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤。每个 LONWORKS
节点都需要物理地连接到信道（Channel）上，信道是数据包的物理传
输介质；LONWORKS 网络由一个或多个信道组成。
不同信道通过路由器相互连接，路由器是连接两个信道，并控制
两个信道之间数据包传送的器件，路由器有四种不同的安装算法：配
置路由器（Configured Router）、自学习路由器（Learning Router）、网
桥（Bridge）和重复器（Repeater）。可以任选一种算法来安装路由器。
由网桥或重复器连接的信道的集合称为段（Segment）。节点可以
看见相同段上的其它节点发送的包。而智能路由器（配置路由器和自
学习路由器）则根据设置决定是否将数据包继续向前传送。故可用来
分离段中的网络交通，从而增加整个相同的容量和可靠性。
2.1.3 LonTalk 协议的网络地址结构
LonTalk 地址唯一地确定了 LonTalk 数据包的源节点和目的节点
（可以是一个或几个节点），路由器也使用这些地址来选择如何在两个
信道之间传送数据包。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 14
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
网络地址可以有三层结构：域（Domain）、子网（Subnet）和节点
（Node）。
第一层结构是域。域的结
构可以保证在不同的域中通信
是彼此独立的。例如，不同的
应用的节点共存在同一个通信
介质中，如，不同域的区分可
以保证它们的应用完全独立，
彼此不会受到干扰。Neuron 芯
片可以配置为属于一个域或同
时属于两个域。同时作为两个 图 2.1 分层编址示意图
域的成员的一个节点可以用作两个域之间的网关（Gateway）。域 ID 可
配置为 0、1、3 或 6 个字节。使用较短的域 ID 可以减少数据包的开销，
这可由系统安装者根据实际需要来决定。
第二层结构是子网。每一个域最多有 255 个子网。一个子网是一
个域内节点的逻辑集合。一个子网最多可以包括 127 个节点。一个子
网可以是一个或多个通道的逻辑分组，有一种子网层的智能路由器产
品可以实现子网间的数据交换。在一个子网内的所有节点必须位于相
同的段上。子网不能跨越智能路由器。若将一个节点同时配置为属于
两个域，则它必须同时属于每个域上的一个子网。
除了下列情况外，可将一个域中的所有节点都配置在一个子网内：
1. 节点位于由智能路由器分割的不同段内。
2. 网络的节点数目＞127。这时若将所有节点配置为属于同一个子
网就超过了一个子网的最大容量，此时可在一个段上配置多个子网以
以增加段的容量。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 15
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
图 2.2 单一信道多个子网 图 2.3 同一区段上的多个子网
图 2.4 子网不能跨越智能路由器 图 2.5 分属于两个域的节点子网归属
图 2.6 一个域中的所有节点归属一个子网 图 2.7 组编址示意图
第三层结构是节点。子网内每一个节点被赋予一个在该子网内唯
一的节点号。该节点号为 7 位，因此，一个域内最多有 255×127=32385
个节点。
节点也可以被分组（group），一个分组在一个域中跨越几个子网，
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 16
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
或几个信道。在一个域中最多有 256 个分组，每一个分组对于需要应
答服务最多有 64 个节点，而无应答服务的节点个数不限，一个节点可
以分属 15 个分组去接受数据。分组结构可以使一个报文同时为多个节
点接收。
另外，每一个 Neuron 芯片有一个独一无二的 48 位 ID 地址，这个
ID 地址是在 Neuron 芯片出厂时由厂方规定的。一般只在网络安装和配
置时使用，可作为产品的序列号。图 2.8 为报文地址结构。
2.2.4 通信服务
2.2.4.1 消息服务类型
网络通过的通信服务要使网络同时实现高的有效性、快的响应时
间、好的安全性以及高的可靠性是不可能的，实际网络提供的通信服
务只能是在这几个方面折衷的结果。LonTalk 协议提供了 4 种基本类型
的报文服务：确认（Acknowledged）、请求/响应（Request/Response）、
非确认重复（Unacknowledged Repeated）以及非确认（Unacknowledged）。
使用确认服务是最可靠的，但是对于较大的组来说，却比非确认或非
确认重复服务需要使用更大的网络带宽。具有优先级的数据包将能够
Ver PDU ADDrFmt Length ADDress Domain
8 1 8 8
0 源子网 1 源节点 目标子网
1 源子网 1 源节点 目标组 1 8
2a 源子网 1 源节点 目标子网 1 目标节点 8 8
2b 源子网 1 源节点 目标子网 1 目标节点 组 组员 48
3 源子网 1 源节点 目标子网 Neuron ID
图 2.8 报文地址结构
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 17
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
保证这些数据包被及时的传送，但是却损害了其它较大的传送。对一
个对象增加证实（Authenticated）服务虽然增加了安全性，但完成一个
证实却比完成一个非证实事务所需的数据包数多了两倍。
请求/响应是最可靠的服务，即一个报文被发送给一个或一组节点，
并等待来自每个接收节点的响应。输入报文由接收端的应用在响应生
成之前处理。与确认服务一样，发送时间、重发次数和接收时间是可
选项。响应中可以包括数据，从而使服务适用于远程调用或 Client/Server
方式。
确认是与请求/响应相等价的服务，即一个报文被发送给一个或一
组节点，发送者将等待来自每个接收者的确认。若没有接收到来自所
有目标的确认，并且发送者的时间已超出，发送者则重新发送。发送
时间、重发次数和接收时间是可选项。确认由网络 CPU 来生成而与应
用 CPU 无关。其 ID 号用于跟踪报文和确认，从而使应用不再接收重
复的报文。
非确认重复的可靠性较前两者要低。非确认重复服务即是报文被
多次发送给一个或多个节点，同时不企望得到响应。该服务一般用于
向一大组节点广播，若在确认或请求/响应方式下，由所有响应产生的
交通量可能将使网络过载。
可靠性最低的是非确认服务。它是指一个报文被发送给一个或一
组节点且只被发送一次，同时不期望得到响应。该服务一般用于要求
有最好的性能，网络带宽受限制，同时网络对报文的丢失不敏感的情
况。
2.2.4.2 冲突
LonTalk 协议使用其独有的冲突避免算法，该算法具有在过载的情
况下信道仍然能负载接近最大能力的通过量，而不是由于过多的冲突
而使通过量降低。当使用支持硬件冲突检测的通信介质（如双绞线）
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 18
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
时，只要收发器检测到冲突的发生，LonTalk 协议可以有选择地取消数
据包的传输。它允许降低立刻重新发送被冲突破坏的包。若没有冲突
检测，假定使用的服务为确认或请求/响应服务，节点将不得不等待到
重试时间结束，才能知道节点没有接收到目的节点的确认，这时，节
点才重发该数据包。对于非确认服务，未检测到的冲突意味着包没有
被接收到并且不作任何重试。
2.2.4.3 优先级
LonTalk 协议通过提供优先服务机制以改善对重要消息包的响应
时间。协议允许用户在信道上分配优先级时隙（Priority time Slots），它
专门用于具有优先级的节点。信道上的每个优先级时隙对每个消息的
发出额外附加有一定的时间（最小为 2 比特时间），从而换取一定的带
宽供信道上实现无竞争的优先访问。附加的时间值大小与比特速率、
振荡器的精度以及收发器的需求有关。例如：信道上所有节点使用
TP/XF-1250 双绞线收发器（速率为 1.25Mbps），振荡器的频率精度≤
0.2%，每个优先级时隙宽为 30 比特时间。由于不存在竞争，配置优先
级的节点相对于无优先级的节点的响应时间要好得多。优先级与冲突
检测的结合将获得更优的响应时间。为每个节点分配优先级时隙的网
络管理工具可以保证节点在信道上被赋予一个特定的优先级时隙。节
点只能在分配给它的优先级时隙发送它的所有赋予优先级的消息包。
就实质而言，优先级的使用极大的降低了网络冲突的概率。优先级时
隙的数目（M）可以是 0～127，具体是多少取决于信道类型以及信道
优先级时隙的配置数量。较小的优先级数代表较高的优先级。若某个
节点被赋予的优先级时隙是“0”，该节点将无优先级时隙供发送消息。
优先级时隙 1 预留给网络管理器，即其在网络上的优先级最高。
当节点内生成一个优先级包后，在挂起的所有的无优先级输出包
被传输之前，该优先级包将在优先级队列被传送出节点。同样，当一
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 19
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
个优先级包到达路由器时，它加入到路由器队列的前面（但在所有已
排队的优先级包后），若已配置了路由器的优先级时隙，则它使用路由
器的优先级时隙向前传送。
2.2.4.4 证实
LonTalk 协议支持消息的
需要证实的消息发出
证实服务。它允许消息的接收
发送随机口令
者确定发送者是否有权发送该
消息。其目的通常是为了防止 两个节点都使用它们的证实密钥和初始
节 报文对口令进行转换，发送转换结果 节
时
点 点
侵权访问节点及其应用程序。 间
A B
节点B将它的转换结果与节点A接收到的
网络管理事务也可选择使用证 值进行比较，若匹配，该报文被接收。
ACK（转换匹配）
实。要使用证实功能可在节点
安装时将长为 48 比特的证实
密钥分配给节点，当一个证实 图 2.9 消息证实流程图
的消息发出后，整个过程的流
程图如图 2.9 所示。
2.2.5 LonTalk MAC 子层
LonTalk 协议的 MAC 子层是 OSI 参考模型链路层的一部分。其所
采用的算法是属于 CSMA（载波监听多路访问）家族的。CSMA 算法
要求网络上的每一个节点在传送报文之前,必须先侦听信道,确认信道
是空闲的。然而，一旦检测到信道的空闲状态，CSMA 家族的每种算
法的行为是不同的，按占用信道的方式，分以下三种：
（1）非坚持 CSMA：一旦侦听到信道空闲，立即发送；一旦发现
信道忙，不再坚持侦听，延时一段时间后再侦听。缺点是不能将信道
刚一变成空闲的时刻找出。
（2）l 一坚持 CSMA：侦听到信道闲，立即发送；侦听到信道忙，
继续侦听，直至出现信道空闲。缺点是，若有两个或更多的节点同时
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 20
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
在侦听信道，则发送的帧相互冲突，反而不利于吞吐量的提高。
（3）P 一坚持 CSMA：当侦听到信道闲时，就以概率 P 发送数据，
而以概率（1-P）延迟一段时间（端到端的传播时延），重新侦听信道。
缺点是，即使有几个节点要发送数据，因为 P 值小于 1，信道仍然有可
能处于空闲状态。
但由于现有的 MAC 算法，如 IEEE802.2,802.3,802.4 和 802.5 不能
满足 LonTalk 使用多种通信介质、在交通繁重情况下维持性能、支持大
型网络的需要。因此，Echelon 公司的 LonTalk 协议采用了可预测 P-坚
持 CSMA（Predictive P-Persitent CSMA）算法。
可预测 P—坚持 CSMA 通过对网络负载的预测，实现了对 P 值的动
态调整。当网络空闲或轻载时，所有节点被随机分布在最小 16 个不同
延时的随机时隙（见图 2.10）上发送消息，这样，在空闲或轻载的网
络中，访问的平均延时为 8 个时隙，等同于 P=0.0625（1/16）的 P—坚
持 CSMA。当预测到网络负载要增加时，增加随机时隙的数目，将节
点随机地分配在数目增多了的某个随机时隙上。 时隙数 P＝l/R，R 增
加，P 值降低，因此可预测 P—坚持 CSMA 在保留 P—坚持 CSMA 优
点的前提下，通过对网络负的事先预测，在网络轻载时，给网上节点
同步头 数据和校验比特 结束位 休闲期 1 ... M 1 2 ... R
发送包 优先时隙 随机时隙
图 2.10.数据包发送时间
说明:协议为提高对重要数据包的响应时间可以提供优先机制,在信道上
分配优先时隙(图中的虚线框)。
分配数目较少的随机时隙，使节点对介质访问的时延最小；网络重载
时，通过给网上节点分配数目较多的随机时隙，从而使节点同时发送
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 21
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
数据带来的冲突最少，避免了重载下系统处于不稳定状态，保证信道
仍能以最大的吞吐量工作，不会因过多的冲突而造成阻塞。
由以上可见，由于随机时隙数目的动态调整，实现了概率 P 值的
动态调整。具体实现如下：
（1）P 值的动态调整取决于随机时隙的动态调整。
当网络预测到负载增加时，节点将分布在更多的时隙上发送数据，
增加的时隙的数量由参数 n 决定，参数 n 被称作对信道上积压工作的
估计，既网络负载，它代表了下一次循环将要发送数据包的节点数，
取值范围是 1～63，所以随机时隙的数目 16*n,最小 16，最大 1008。
（2）随机时隙的动态调整依赖于节点对网络负载的预测能力。
网上每个节点在启动发送数据之前，先预测 n 的值，调整随机时
隙数，然后在某一随机分配的时隙以概率 1/（n *l6）发送消息包。
节点是这样实现对 n 预测的：要发送数据包的节点在它发送的数
据包中，包含了要肯定应答接收该消息的节点数目，即发送消息包将
产生的应答数信息，所有收到该消息包的节点的 n 值通过加上该应答
数获得新的 n 值，从而使随机时隙的数目得以更新，若该节点有数据
要发送，它将以新的概率值 P 在随机分配的时隙上发送，每个节点在
数据包发送结束时，其 n 值自动减 1。可见，要实现预测，消息服务的
类型必须选择应答服务。由于数据包采用典型的应答服务类型，50%或
更高的负载可以预测。由此实现了每一个节点在任何时候都能动态地
预测有多少节点要发送消息包，并且预测 n 值的能力比较高。预测的
精度越高，则重载时网络的冲突概率会越小，系统能够保证正常工作，
轻载时介质访问时延也会越小。所以，可预测 P—坚持 CSMA 协议能
够满足特定环境下的要求。
当然，可预测 P—坚持 CSMA 并不能避免冲突的出现，而冲突的
存在必然影响到响应时间。因此在对响应时间要求较高的应用中，可
采用优先级和冲突检测（CD）加以弥补。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 22
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
2.2.6 链路层
LonTalk 协议的链路层提供在子网内，链路层数据帧的帧顺序的无
响应传输。它提供错误检测的能力，但不提供错误恢复能力，当一帧
数据 CRC 校验错时，该帧被丢掉。
在直接互连模式下物理层和链路层接口的编码方案是曼彻斯特编
码，在专用模式下根据不同的电气接口采用不同的编码方案。CRC 校
验 码 加 在 网 络 层 协 议 数 据 单 元 的 最 后 ， CRC 采 用 的 多 项 式 是
X16+X12+X5+1（标准 CCITT CRC-16 编码）。
2.2.7 网络层
在网络层，LonTalk 协议提供给用户一个简单的通信接口，定义了
如何接收、发送、响应等，在网络管理上有网络地址分配、出错处理、
网络认证、流量控制，路由器的机制也是在这一层实现的。
对于网络层协议数据单元地址格式，根据网络地址分为五种，图
“0”意味着节点不
2.8 为五种地址格式。在每一种地址格式源子网上，
知道其子网号。
2.2.8 传输层和会话层
LonTalk 协议的核心部分是传输层和会话层。一个传输控制子层管
理着报文执行的顺序、报文的二次检测。传输层是无连接的，它提供
一对一节点、一对多节点的可靠传输。信息证实（Authentication）也是
在这一层实现的。
会话层主要提供了请求/响应的机制，它通过节点的连接，来进行
远程数据服务（Remote servers），因此使用该机制可以遥控实现远端节
点的过程建立。LonTalk 协议的网络功能虽然是在应用层来完成的，但
实际上也是由提供会话层的请求/响应机制来完成的。
2.2.9 表示层和应用层
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 23
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
表示层和应用层提供五类服务。
网络变量的服务。当定义为输出的网络变量改变时，能自动地将
网络变量的值变成应用层协议数据单元下传并发送，使所有把变量定
义为输入的节点收到该网络变量的改变值。当收到信息时，能根据上
传的应用层协议数据单元判断是否是网络变量，以及是哪一个网络变
量并激活相应的处理进程。
显示报文服务。将报文的目的地址、报文服务方式、数据长度和
数据组织成应用层数据单元下传发送，将发送结果上传并激活相应的
发送结果处理进程。当收到信息时，能根据上传应用层协议数据单元
判断是否显示报文，并能够根据报文代码激活相应的处理进程。
网络管理的服务。见 2.10 的讨论。
网络跟踪的服务。这些信息被网络管理初始化，测试网络上所有
的操作，记录错误信息和错误点。见 2.10 的讨论。
，
外 来 帧 传 输 的 服 务 。 该 服 务 主 要 针 对 网 关 （ Gateway ） 将
LONWORKS 总线外其它的网络信息转换为符合 LonTalk 协议的报文传
输，或反之。
2.2.10 网络管理和网络诊断
LonTalk 协议的网络管理和网络诊断提供了四类服务。
地址分配：分配所有节点的地址单元，包括域号、子网号、节点
号以及所属的组名和组员号，Neuron ID 是不能分配的。
节点查询：查询节点的工作状态以及一些网络的通信的错误统计，
包括通信 CRC 检验错、通信超时等。
节点测试：发送一些测试命令来对节点进行测试。
设置配置路由器的配置表。
2.3 Neuron 芯片
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 24
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
2.3. 1 概述
LONWORKS 技术的核心是 Neuron 芯片或称为神经元芯片。它主
要包括 3150 和 3120 两大系列，其中 3120 系列芯片中包括 E2PROM、
RAM、ROM，而 3150 系列芯片中则无内部 ROM，但拥有访问外部存
储器的接口。Neuron 芯片内部固化了完整的 LonTalk 通信协议，确保
节点间的可靠通信和互操作。
Neuron 芯片在大多数 LON 节点中是一个独立的处理器。若需要使
节点具备更强的信号处理能力或 I/O 通道，可采用其它处理器来处理并
由 Neuron 芯片交换数据，此时 Neuron 芯片只完成通信功能。
Neuron 芯片内部结构如图 2.11 所示。
图 2.11 Neuron 芯片内部结构
Neuron 芯片的主要性能特点如下：
·高度集成，所需外部器件较少。
·三个 8 位的 CPU，输入时钟可选择范围：625kHz~10MHz。
·片上的存储器：
1kB 静态 RAM (3120,3120E1);
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 25
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
2kB 静态 RAM (3150,3120E2);
512B E2PROM (3120, 3150);
1kB E2PROM (3120E1);
2kB E2PROM (3120E2);
10kBROM (3120, 3120E13120E2)。
·11 条可编程 I/O 引脚（有 34 种可选择的工作方式）：
IO0~IO7 有可编程上拉电阻；
IO0~IO3 具有高电流吸收能力。
·两个 16 位的定时器/计数器。
·15 个软定时器。
·休眠工作方式：这种工作方式能在维持操作的情况下降低电流
损耗。
·网络通信端口：5 个管脚提供三种方式：单端方式、差分方式和
专用方式。
·固件包括：
LonTalk 协议；
I/O 驱动器程序；
事件驱动多任务调度程序。
·服务引脚：用于远程识别和诊断。
·48 位的内部 Neuron ID：用于唯一识别的 Neuron 芯片。
·内置低压保护以加强对片内 E²PROM 的保护。
2.3.2 芯片的 CPU 结构
Neuron 芯片内部有三个 CPU：MAC CPU、网络 CPU 和应用 CPU。
如图 2.12 所示。CPU-1 是 MAC CPU，完成介质访问控制（Media access
control），处理 LonTalk 协议的第 1 和第 2 层，包括驱动通信子系统硬
件和执行算法。CPU -1 和 CPU-2 用共享存储区中的网络缓存进行通信，
正确的对网上报文进行编解码。CPU-2 是网络 CPU，它实现 LonTalk
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 26
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协议的第 3 到第 6 层，处理网络变量、寻址、事务处理、权限证实、
背景诊断、软件计时器、网络管理和路由等。同时，它还控制网络通
信端口，物理地发送和接收数据包。该处理器用共享存储区中的网络
缓存区与 CPU-1 通信，用应用缓存区与 CPU-3 通信。CPU-3 是应用
CPU，它完成用户的编程，其中包括用户程序对操作系统的服务调用。
图 2.12 Neuron 芯片的 CPU 结构
2.3.3 应用 I/O 对象
Neuron 芯片通过 11 个 I/O 口（IO0~IO10）与外部设备相连，称为
应用 I/O。应用 I/O 可配置选择使用 34 种不同的 I/O 对象，从而借助于
最小的外接电路实现灵活的输入输出功能，这些 I/O 对象包括：
·直接 I/O 对象：
比特 I/O 对象、字节 I/O 对象、电平检测输入对象、半字节 I/O 输
入对象。
·并行双向 I/O 对象：
并行 I/O 对象、多总线 I/O 对象等。
·串行 I/O 对象：
移位 I/O 对象、I²C I/O 对象、磁卡输入对象、磁迹输入对象、半
双工异步串行 I/O 对象、Wiegand 输入对象、全双工同步串行 I/O 对象。
·定时器/计数器输入对象：
双斜率输入对象、边沿记录输入对象、红外输入对象、On-Time
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 27
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输入对象、周期输入对象、脉冲计数输入对象、正交输入对象、总数
输入对象。
·定时器/计数器输出对象：
分频输出对象、频率输出对象、单步输出对象、脉冲计数输出对
象、脉宽输出对象、可控硅输出对象等。
本课题将涉及到的部分 I/O 对象将在后文做具体说明。
2.3.4 服务引脚（Service Pin）
Service Pin 是 Neuron 芯片中的一个非常重要的管脚，在节点的配
置、安装和维护时均需使用。该管脚既能输入也能输出。输出时它通
过一个低电平来点亮外部的 LED，LED 的不同点亮方式代表了不同
Neuron 芯片不同的工作状态。输入时，一个逻辑低电平使 Neuron 芯片
传送一个包括该节点 48bit 的 Neuron ID 的网络管理信息。
2.3.5 通信端口
Neuron 芯片通信端口为 5 个管脚，为适合不同的通信介质可将 5
个管脚配置为 3 种不同的接口模式：单端（ Single-ended ）、差分
（Differential）和专用模式（Special Purpose Mode）。对应于双绞线介
质则采用差分模式，编码采用差分曼彻斯特编码，其信号格式如图 2.13
所示。
图 2.13 差分模式的编码格式
Neuron 芯片可支持多种通信介质。如双绞线、无线、红外、光纤、
同轴电缆等。所支持的网络拓扑也各有不同。如图 2.14 所示。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 28
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（a） 单端接器总线拓扑 （b） 双端接器总线拓扑
（c）星型拓扑 （d）环型拓扑 （e）混合拓扑
为端接器
图 2.14 网络拓扑类型
在各种通信介质中，双绞线以其高的性能价格比而应用最为普遍。
Echelon 公司提供的 FTT-10A 双绞线变压器耦合收发器支持总线型和自
由拓扑型拓扑。其抗干扰能力强，可承受持续时间为 60s 的 1000Vrms
电压，采用总线拓扑的网络最长可达 2000m，采用自由拓扑的网络最
长可达 500m，满足一般的工业应用，而且组网灵活。
2.4 Neuron C
Neuron C 是以 ANSI C 为基础，专门为 Neuron 芯片设计的编程语
言。其中加入了通信、事件调度、分布数据对象和 I/O 功能，是编写
Neuron 芯片应用程序的最为重要的工具。
Neuron C 以 ANSI C 为基础，但在数据类型上和 ANSI C 仍有一定
的差别。Neuron C 支持的数据类型为：
char 8bits signed or unsigned
short 8bits signed or unsigned
int 8bits signed or unsigned
long 16bits signed or unsigned
boolean 8bits
同时，Neuron C 支持 ANSI C 的定义类型（typedefs）、枚举类型
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 29
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
、
（enums） 数组类型 、
（arrays） 指针类型 、
（pointers） 结构类型（structs）
和联合类型（unions）。但 Neuron C 不支持 ANSI C 的标准运行库的一
些功能，如浮点运算、文件 I/O 等，但它也有自己扩展的运行库和语法。
这些扩展功能包括：定时器、网络变量、显式报文、多任务调度、
EEPROM 变量和其它多种功能。
2.4.1 网络变量
应用程序可以定义一个特殊的静态对象类——网络变量，它可以
是整型、字符型或结构等类型。一个网络变量 NV(Network Variable)是
节点的一个对象，用于实现网络上节点之间的互连。它可被定义为输
入也可被定义为输出网络变量每个节点最多可以定义 62 个（Neuron 节
点）到 4096 个（主机节点）网络变量。网络变量所产生报文的发送和
接收不需要应用程序的干预，故又称为隐式报文（Implicit Message）。
同时，LONMARK 组织还定义了标准网络变量类型（SNVT），它
支持的标准网络变量有 255 种，采用 SNVT 的节点之间具有天然的互
操作性。而且，用户也可按照标准格式定义自己的标准网络变量。
节点之间的网络变量的连接关系是在组网时通过网络开发工具绑
定（Binding）的。
2.4.2 显式报文（Explicit Message）
由于网络变量的长度最多为 31 个字节，使得其应用受到限制，故
此，Neuron C 中又提供了显式报文这一数据类型。显式报文最长为 228
个字节。提供有请求/响应机制。某个节点发出请求消息能调动另一个
节点做出相应的响应。从而实现远程过程调用。显式报文是实现节点
之间交换信息的更为复杂的方法，编程人员必须在应用程序中生成、
发送和接收显式报文。
节点使用报文标签（Message Tags）发送和接收报文。每个节点有
一个默认的输入报文标签，同网络变量一样，必须在网络安装时建立
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 30
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
输入和输出报文标签之间的绑定。
2.4.3 定时器
在一个应用程序最多可定义 15 个软件定时器对象，在这些定时器
中可以分为两类：毫秒定时器和秒定时器。毫秒定时器提供一个计数
范围为 1～64,000ms 的定时器，秒定时器则提供一个计数范围为 1～
65535s 的定时器。这些软件定时器在网络 CPU 上运行，和 Neuron 芯
片的硬件定时器是分离的。
2.4.4 调度程序
Neuron 芯片的任务调度是由事件驱动的：当一个给定的条件判断为
“TRUE”时，与该条件有关的代码体（任务）即执行。调度程序允许
编程人员定义任
务用以作为某类
事件发生的结果，
如输入管脚状态
的改变、网络变量
的更新、定时器的
溢出等。这些事件
可以定义优先级，
以使一些重要事
件能够优先得到
响应。调度程序采
用循环方式调度，
如图 2.15 所示。 图 2.15 调度环
事件是通过
When 语句来定义的，一个 when 语句包含一个表达式，当表达式为
“TRUE”时，则表达式后面的任务被执行。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 31
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
在 Neuron C 中定义了五类事件：系统级事件、输入输出事件、定
时器事件、网络变量和显式报文事件、用户自定义事件。
2.4.5 附加功能
附加能够主要包括：输入输出、调度系统复位、旁路模式、睡眠
模式、补充的预定义事件语句错误处理等这些功能大部分以函数和事
件的形式提供。
2.5 LNS
LNS(LONWORKS Network Service)是 Echelon 公司开发出来的
LON 网络操作系统。它提供了一个强大的 Client/Server（客户/服务器）
网络框架。使用 LNS 所提供的服务，可以保证从不同网络服务器上提
供的网络管理工具可以一起执行网络安装、网络维护、网络监测；而
众多的客户则可以同时申请这些服务器所提供的网络功能。
LNS 包括三类设备：路由器设备（包括重复器、网桥、路由器和网
关）；应用节点；系统级设备（网络管理工具、系统分析、SCADA 站
和人机界面）。
AL （ ）
C程 本
用
应序 地 LCA应用程序（远程）
LNS 提供压缩的、面
向对象的编程模式，它将
AL 控
C服 件
象
对务 LCA对象服务控件
网络变成一个层次化的对
对象服
象，通过对象的 务和NSS 数据服务 数据服务
属性、事件和方法对
网络进行访问。 NSI NSI
LNS 构架主要包括四
个主要的组件：网络服务 图 2.16 LNS 组件构架
服 务 器 （ NSS, Network
Services Server），网络服务器接口（NSI, Network Services Interface），
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 32
北方交通大学硕士学位论文 第二章 LONWORKS 网络控制技术的原理与应用开发
LCA 对象服务器（LCA Object Server）和 LCA 数据服务器（LCA Data
Server）。如图 2.16 所示。
2.6 网络管理
在 LONWORKS 网络中，需要一个网络管理工具，以用于网络的
安装、维护和监控。Echelon 公司提供了 LonMaker for Windows 软件用
于实现这些功能。其他公司也类似产品来实现这些功能。LonMaker for
Windows 是基于 Visio 开发的，网络配置图是以 Visio 图的形式画出，
各种对象都作了相应的定义。网络变量的连接关系表现为连线。
在节点建成以后，需经过分配逻辑地址、配置节点的属性、进行
网络变量和显式报文的绑定后，网络方可运行；网络安装可通过 Service
Pin 按钮或手动输入 Neuron 芯片的物理 ID 来为节点注册，LonMaker
会为每一个节点分配一个逻辑地址，并配置相应属性以及网络变量和
显式报文的绑定信息。节点的安装可在在线或离线的情况下进行。在
线的情况下，节点配置信息即时的通过网络写入节点；离线的情况下，
节点配置信息只写入数据库，网络配置图的每次更新只更新数据库，
而在网络在线后一次写入节点。
网络运行后，还需要进行维护。维护包括：系统正常运行情况下
的增加删除设备以及改变网络变量的连接关系、故障状态下对错误设
备的检测和替换的过程。
网络监控用于监控网络上节点的网络变量和显式报文的变化。
LonMaker 可以实现网络的监控功能。另外，Echelon 公司还通过了 LNS
DDE 以及 LNS 开发工具软件包用于开发用户专用的人机界面。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 33
北方交通大学硕士学位论文 第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析
第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析
3.1 采用 LONWORKS 技术的可行性分析
3.1.1 动车组控制的特点
动车组控制是一个门类繁杂的控制技术，从其范畴上来讲，包括
牵引系统控制、制动控制系统、包括列车信号在内的列车运行控制、
列车供电系统的控制、列车暖通控制、自动门控制、旅客信息系统的
管理、车内电气设备的控制、系统故障诊断等，是一个典型的分布式
控制系统，主要有以下特点：
(1) 设备多，分布广。与列车运行有关的设备主要集中的动车上，
而制动系统设备、供电系统、自动门、暖通设备、信息显示设备等则
遍布整个车组。而且还会有新增设备。
(2) 控制复杂，系统对实时性要求强。与列车运行有关的控制需要
进行实时运算和实时控制，要求控制系统具有好的实时响应能力。
(3) 系统中各子系统之间的关联较弱，便于实现模块化。正是因为
这个特点，使得整个控制系统可根据需要以及实现的具体条件而设计
得可大可小。但要求系统具有好的开放性，易于实现系统扩展。
3.1.2 采用 LONWORKS 技术的可行性
根据第二章的介绍，可以从以下几个方面分析其可行性：
首先，LONWORKS 网络采用了 ISO/OSI 参考模型的七层协议，使
得系统具有很好的开放性，通过路由器和网关，可以建立巨大的网络，
便于实现可扩展的系统。而且，Echelon 公司正在努力实现将其数据包
打入 IP 数据包中，以实现 LONWORKS 网络与 Internet 的无缝连接。
该技术是一个不断升级的具有发展性的技术。而 LONMARK 组织所定
义的标准网络变量标准使得不同厂商的设备具有好的互操作性。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 34
北方交通大学硕士学位论文 第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析
其次，它支持多种通信介质，保证了系统适用于车上不同的应用。
若采用双绞线，通信速率为 78kbps 时，其总线型拓扑具有 2.7km 的传
输距离，双绞线的自由拓扑则具有 500m 的传输距离。足以满足列车的
应用。其变压器耦合型自由拓扑双绞线收发器能够耐受 1000Vrms 的共
模电压，其芯片的温度参数是基于军品级的，具有强的可靠性。
再次，Neuron 芯片集通信和控制于一体，便于实现直接接入网络
的控制系统。同时，Echelon 公司提供的 MIP（Microprocessor Interface
Program）用于将 Neuron 芯片转换为一个具有五层协议通信处理器与其
它 CPU 接口，使得其它的 CPU 能够透明的接入网络，为开发基于其它
CPU 的更大的、实时性更强的应用提供了广阔的空间。
另外，LONWORKS 支持垂询、更新自动发送、定时发送等多种网
络数据的访问方式，并有非确认、非确认重复、确认和请求/响应等服
务方式，可设定优先级发送，因而可根据需要定做实现最佳的系统响
应。
综上所述，采用 LONWORKS 技术实现动车组的控制是可行的。
3.2 系统方案
3.2.1 列车控制网络的基本结构
列车通信网络把安装在列车上各动力车和车厢内的各种可编程设
备互连在一起，它由连接一个车厢内各种设备的车辆总线和连接整列
动力车 拖车 拖车 拖车
列车总线
R R R R
车辆总线
D
图 3.1 列车控制网络的基本结构
车内各个车辆总线的列车总线组成。其基本结构如图 3.1 所示。
列车总线由各个车厢内固定安装的电缆通过车厢之间的互连而构
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 35
北方交通大学硕士学位论文 第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析
成，以连接不同车厢内安装的控制设备。列车总线与车辆总线之间通过
路由器或车厢主控节点来实现通信，其中路由器（R）实现车厢内控制
节点接入列车总线的路由，用于隔离网络交通，为网络中不同节点的
网络报文进行路径选择，无控制功能，因而此时需要专门的管理器来
管理网络；而车厢主控节点则实现对车厢内设备的直接管理和控制，
管理车辆总线，它可能直接参与系统的控制。设备节点（D）则是处于
车辆总线上的用于实现模块化功能的节点设备。在列车总线上设有主
控节点，用于实现列车网络的监控、管理、维护，实现重大事务的调
度，每个列车网络内只能设一个列车主控节点，但出于冗余方面的考
虑，可设多个，但一个时刻只能有一个主控节点实施主控，主控节点
和冗余节点之间通过一些冗余算法实现故障时的切换。
3.2.2 动车组控制的功能要求
根据控制的需要，在整个动车组上建立列车控制网络，对动车组
实现分布式的实时控制，实现动力车的控制和拖车设备的控制，进行
数据的采集和监控。系统具有开放性，能够方便的实现系统的扩展。
出于开发可靠运行的系统方面的考虑，系统的开发可采用分阶段按步
骤实施的方案来实现。具体要求如下：
（1）动车控制
包括主柴油机、牵引系统、辅助系统的控制，以实现与动车组运
行有关的操作控制及状态显示于故障报警。
其中主柴油机的控制主要包括柴油机的起动、调速、运行、停机
的逻辑控制和故障保护及报警。牵引运行控制包括对液力变扭器的换
向控制、自动、手动换档控制，防滑/防空转控制以及相应的故障保护
及报警。辅助系统的控制包括辅助发电机、空压机、冷却风扇的控制，
及相应报警和保护。
（2）拖车控制
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 36
北方交通大学硕士学位论文 第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析
拖车控制主要用于实现拖车设备的网络集成，实现统一的控制和
管理，拖车设备包括拖车供电系统、空调系统（包括制冷、加热及通
风）、轴温检测及报警系统、塞拉门系统、应急电源系统、照明系统、
信息显示系统等设备。
其中拖车供电系统的控制包括交流发电机组的起动、停机控制，
运行状态的监控和报警保护，两套供电系统的故障切换等功能；空调
系统的控制则包括拖车空调系统的集中和分机工作控制。
由于根据需要在拖车上会有不同的新增设备，故要求系统能够实
现新增设备的方便接入。
3.2.3 系统方案及分析
依据图 3.1 的结构原理，可以设计出系统的实施方案，大致有三种
方案，其结构框图如图 3.2、图 3.3、图 3.4 所示。
3.2.3.1 方案一
方案一是比较完善的实施方案，该方案采用分级总线的结构，总
线分为列车总线和车辆总线。在该方案中，以每个车厢为单位建立一个
子网，通过路由器实现子网与主干网络的隔离，在每个子网中设有模
块化的设备管理器（DM, Device Manager），管理车厢子网的设备。网
络中设两个显示器（即监控计算机），分别位于动车组的两端司机室，
实现网络信息的监控。可通过便携式计算机实现整个网络的安装、维
护。两条总线的通信介质均采用双绞线，收发器变压器耦合型自由拓
扑式 78kbps 网络收发器。其中各设备具体如下：
显示器——提供友好的人机接口界面，用于列车运行信息和故障
信息的显示，以及重要参数的修改，并进行重要数据的记录。也可根
据需要将其配置为网络管理器，实现网络的安装、管理、维护和故障
诊断。监控计算机采用基于 LNS 的 Client/Server 结构，可采用 LNS DDE
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 37
北方交通大学硕士学位论文 第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析
或 LNS 开发软件包开发实现。在监控计算机上设有网络数据库，并由
Server 实现各类数据服务。网络运行时，两台监控计算机中只能有一台
作为主机运行。通过钥匙开关选择实现。一台被选为主机后，另一台
自动作为从机运行。监控计算机对网络上数据的访问可采用周期性垂
询和主机网络变量的形式。
图 3.2 系统方案一
图 3.3 系统方案二
图 3.4 系统方案三
路由器——为网络数据的传输提供路由，隔离网络交通，从而减
轻网络负载，提高网络利用率。路由器不做任何与控制有关的操作。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 38
北方交通大学硕士学位论文 第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析
设备管理器（DM）——是用于实现节点设备管理功能的基于
Neuron 芯片的网络节点。它与 LONWORKS 网络管理器的不同之处在
于该管理器不进行网络管理决策。该管理器可自动实现节点的配置、
删除、替换以及节点事件的记录。它在被配置完成、接入网络后，能
够在网络起动时自动寻找网络上未配置的节点，并识别出它是否属于
该子网。设备管理器中存有网络中被管理设备的列表（Managed device
，
list） 是在网络设计时通过 LonMaker for Windows 生成并压缩到设备管
理器中的。设备管理器可用来管理具有单个信道或两个信道的网络，
它通过路由器来识别不同的信道。在本应用中， 用于管理单个信道，
DM
当它发现路由器不存在时，不会配置网络。
控制节点——是用于实现动车组各种控制功能的模块化功能单
元，分为基于 Neuron 芯片的节点（Neuron Chip Hosted Node）和基于
其它 CPU 的节点 。
（Host Based Node）根据功能的不同实现不同的控制。
在基于其它 CPU 的节点中，Neuron 芯片只实现网络通信功能，它用作
提高 OSI 的 1 到 5 层协议，其它 CPU 实现第 6、7 层的协议，Echelon
公司提供的 MIP 固件便是用来支持 Neuron 芯片的这种应用开发的。
便携式计算机——配有 LONWORKS 网络管理工具，主要用于实
现网络的安装、调试、以及网络出现较大变化时的网络维护。
该方案的优点是：
（1）结构简单、明晰，模块化的结构易于实现较大的功能完备的
控制网络。
（2）路由器和设备管理器的采用使得简化了网络管理，易于实现
节点的安装和更换，同时也减少了列车重新编组时的工作量。
缺点是：每节车厢一个子网的配置在拖车网络设备较少时增加了
工程造价，也使得网络过于繁杂。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 39
北方交通大学硕士学位论文 第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析
3.2.3.2 方案二
方案二的结构框图如图 3.3 所示。其结构与方案一相似，也采用
了分级总线结构，分为列车总线和车辆总线。不同之处在于，它采用
了一条独立的车辆总线，所有的拖车节点设备均挂在这条总线上，由
一个设备管理器来管理。车辆总线通过一个路由器与列车总线相连。
动车部分则与方案一相同。该方案所选用的通信介质和收发器与方案
一相同。
方案二适用于拖车设备较少的情况，由于拖车设备所要求的实时
性不强，故对网络延时的要求较低，在这种情况下，独立的车辆总线
便能够满足性能要求，使得网络与方案一相比具有较低的造价。
3.2.3.3 方案三
方案三的结构框图如图 3.4 所示。方案三与方案一、方案二均有较
大差异。采用了最简单的一种网络拓扑。注意到在该方案中未将拖车
部分接入，只是实现了动车部分的控制。其实这是针对目前我国动车
组应用现状的一个方案。在该方案中未采用路由器和设备管理器，各
控制节点直接挂在列车总线上。因而无车辆总线。显示器实现系统信
息的显示，也可用作网络管理器进行网络的安装、调试和维护。也可
通过便携式计算机实现网络的管理，网络配置完成后即可将计算机脱
离网络。
网络为全分布对等式（Peer to Peer）的结构。在网络中无主控节点，
各节点按照自己的应用程序运行，通过网络变量或显式报文的绑定
(binding)关系实现数据的交换。通过司机的钥匙开关实现动车组主控制
端的选择，在主控制端确定后，非控制端的操作自动无效。
与前两者相比，方案三是一个简便易行的方案。由于没有拖车部
分，拓扑结构又相对简单，因而系统的开发工作量相对较小，易于实
现。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 40
北方交通大学硕士学位论文 第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析
3.2.3.4 实施方案
通过以上分析，并根据目前的实际情况，拟采用分步实现完善的
列车通信网络的方案，即：第一步采用方案三，使系统在功能和外部
接口上与现有的动车控制系统的一致，实现对现有控制系统的替换，
然后装车对系统进行运行考核；拖车控制仍由现有的拖车控制系统来
完成；第二步采用方案二，接入部分拖车设备，进行运行考核，由于
LONWORKS 技术本身所具有的易于开发的优势，实现第一步到第二步
转换的工作量不是很大；第三步，在系统考核后，能够可靠运行的情
况下，按照方案一开发完善的动车组控制网络。使之成为一个功能完
备、性能可靠、易于接入的开放性网络。通信介质采用双绞线，收发
器变压器耦合型自由拓扑式 78kbps 网络收发器。采用介质冗余方式。
3.3 节点设备的组合原则
对于实现整个动车组控制的系统来说，系统需要完成各种各样的
功能，在一个节点完成所有功能是不可能的，但是，受到系统资源、
网络带宽和可靠性方面的限制，节点不宜太多，因此应遵循一定的原
则来设计节点，达到系统最优。
3.3.1 节点标准化原则
根据 Neuron 芯片的处理能力和系统控制的需要，将节点按硬件接
口的不同类型（DI、DO、AI、AO、FI、PWM 等）进行搭配，组合出
适应性广，易于标准化的节点。使之适合于不同的应用。
3.3.2 功能模块化原则
将系统按功能划分，尽量将同一个功能或相近的功能放在一个或
几个节点内完成，并采用尽量少的节点，这样可以减少节点之间的数
据传递，节省网络带宽。同时这也使得一些具有通用性的功能模块可
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 41
北方交通大学硕士学位论文 第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析
以迅速的移植到其它系统中。
3.3.3 网上数据量最少原则
尽量将具有数据关系的应用功能放在一个节点中，按照该原则实
现则可以将网络上的通信量降到最少，这样可降低通信冲突的概率，
提高通信效率和通信可靠性。
3.3.4 分布式安装原则
为发挥网络的优势，可以将节点安装在与检测和控制点较近的地
方，这样可减少信号的长线传输，提高系统可靠性。设计出来的系统
是采用全分布的安装方式，因而称之为分布式安装原则。
3.3.5 选用原则时的权衡
以上四个原则是节点设计时要遵循的，但是对于不同的应用会有
不同的侧重。对于动车组应用来说，为保证控制系统能够方便的在不
同车型上移植使用，节点标准化原则和功能模块化原则都是要遵循的，
而为保证通信响应的实时性，减轻网络负载，则要遵循网上数据最少
原则。而分布式安装原则的采用则要在能够很好的解决系统的电磁兼
容性和安装方式后方可采用。因为系统在集中安装时更容易解决系统
的电磁兼容性问题。
3.4 数据通信
动车组控制系统中需要在网络上传播的数据可分为两类：一类是
过程变量，一类是消息数据。这些数据根据需要以网络变量或显式报
文的方式传送。
3.4.1 过程变量
过程变量反映列车的状态，如速度、司机指令、控制状态等。它
门的数据长度较短，一般开关量用一位或两位二进制变量表示，模拟
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 42
北方交通大学硕士学位论文 第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析
量用八位或十六位变量表示。过程变量的传送时间必须短而确定。根
据 LONWORKS 所提供的数据访问方式，过程变量可采用更新发送、
周期性垂询的方式，对于关键数据可采用优先级发送。为保证数据传
输的确定性，可采用确认服务方式。
过程变量的传送包括车辆总线上的传送和列车总线上的传送。对
于只有一条总线的网络则只有列车总线上的传送一种情况。在车辆总
线上传送的重要的过程变量，从一个应用到另一个应用的确定性传送
的传送时间必须保证在 20～40ms 以内。对于通过列车总线传送的重要
过程变量，从一个应用到另一个应用的确定性传送的传送时间必须保
证在 100ms 以内。
3.4.2 消息数据
消息数据为不频繁传送、但可能是冗长的信息，例如发往显示器
的信息、诊断或旅客信息等。这些信息多采用显式报文方式打成数据
包发送，对实时性要求不强，故可采用非优先级发送，服务方式采用
非确认方式。在 LONWORKS 网络中显式报文的数据包最长为 229 个
字节。
3.4.3 通信方式的选择
LonTalk 协议为网络变量和显式报文的传送提供了多种方式。对于
网络变量来说有：更新发送、垂询、显式传播。
网络变量的更新发送方式是指当网络变量的值更新后，即触发网
络变量的发送，此时，网络变量的发送和接收均是由 Neuron 芯片的网
络 CPU 来完成的，应用 CPU 不参与任何操作。但是，网络变量的修改
并不是马上进行的，它通常发生在应用程序的临界区（Critical Section）
的边界处。临界区是指网络变量修改还未传播期间的一组应用程序语
句，例如：一个任务。也可以通过 Neuron C 提供的 post_events()函数
定义一个临界区的边界。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 43
北方交通大学硕士学位论文 第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析
网络变量的垂询方式是指由读节点发出请求，要求写节点将某个
网络变量最新的值发送过来，从而触发网络变量的修改。节点的应用
程序可以在任意时间垂询其任意的输入网络变量。网络变量的周期性
垂询便是通过这种方式。
Neuron C 还提供了 propagate()函数来触发网络变量的显式传播。
节点的应用程序可以在任意时间传播其任意的输出网络变量。网络变
量的周期性发送可以通过这种方式进行。对于模拟量检测的网络变量
来说，也可以通过周期性更新的方式触发其传播。
显式报文的传送完全由节点应用程序来完成。可以在需要的时候
显式的触发发送。
需要强调的是，在实时性允许的情况下，使用更新发送将能够更
加有效的利用网络带宽。从另一方面讲，也有利于网络实时性的改善。
3.5 通信实时性分析
对于网络通信来说，系统的实时性主要表现在所发送的数据在可
确定的时延内送达，LonTalk 协议所采用的 MAC 子层协议是可预测 P
坚持 CSMA，这种协议在发送数据时采用先侦听信道是否空闲，若空
闲则以概率 p 发送，否则以概率（1-p）延时一段时间（端到端的传播
时延），重新侦听信道，因而，要提高网络实时性需要解决的问题就是
要（1）减少线路等待时延； （3）冲突发生时的快速恢
（2）避免冲突；
复。可预测 P 坚持 CSMA 协议在一定程度上解决了上述问题，另外，
LonTalk 协议提供的四种服务方式以及优先访问方式为优化系统性能
提供了方便。下面详细的分析其实时性。
3.5.1 对 MAC 子层的分析
网络上的节点要发送报文时，需要等待介质空闲，因而这就存在
一个从节点将一个数据包排队准备发送到该数据包实际发送到网络上
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 44
北方交通大学硕士学位论文 第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析
的时延，称为介质存取时延。它很大程度上影响报文的响应时间。随
着一个给定的信道上预约交通量（Offered Traffic，每秒内信道上所有
节点准备发送数据包的总个数）的增加，介质存取时延也相应增加。
而当网络负载接近饱和，而又有很多节点准备发送数据包时，介质存
取时延变得更加重要。因而在网络设计时，必须考虑最坏的情况。
下面考虑一个最典型的情况：假设信道物理介质为双绞线，通信
波特率为 78kbps，数据包的平均长度为 16 字节（128 位），两个包之间
的平均时间间隔是 48 个比特时间，故数据包周期为 176 个比特时间。
由此可算出：
该信道的吞吐量：78000/176＝443 packet/s
每包周期：1000/443＝2.25ms
根据上述数据可以分析：若一个节点要求最大响应时间为 50ms，
则必须设定预约交通量的最大值以获得较小的介质存取时延。由此推
算，网络在 50ms 内可发送约 23 个数据包。因此，若进一步假设：在
满足网络 50ms 的最大响应时间的情况下，需要在该信道上以任何时间
（包括所有同时）发送数据包，并且这些数据包无任何优先级，则此
时网络的最大预约交通量不能超过 23 个数据包。由此可见，在设计网
络时，为保证获得较小的介质存取时延，最大预约交通量的限制是必
须保证的。
3.5.2 采用不同服务方式的影响
采用不同的服务方式，会产生不同的网络响应特性。根据第二章
2.2.5 节的介绍，可预测 P 坚持 CSMA 协议对网络负载的预测是通过数
据访问的应答服务方式（确认或请求/响应）实现的，也就是说，对于
非应答方式的服务（非确认、非确认重复），MAC 子层是不能产生预
测的。
对于应答服务方式，概率 P 随网络负载动态的变化。若设 R 为随
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 45
北方交通大学硕士学位论文 第三章 内燃动车组控制系统的方案与分析
机时隙数，R16，即网络的最小随机时隙数为 16，D 为网络上将发送
的数据包的数目，即预约交通量，D〔1，63〕，则 P 表现为：
1 ＝ 1 1 1
P= ＝ ～
R 16*D 1008 16
由此可见，随着 D 的增大，随机时隙数增加，P 减小。由于每个
节点在一个时刻只能发送一个数据包，通常，D信道上节点的数目。
当考虑极端情况时，一个时刻所有的节点同时请求发送，则 D 即为信
道上节点的数目。此时，由于 LonTalk 协议已经分配了足够的随机时隙，
网络的数据传输基本不会发生冲突，网络以接近最大的吞吐量工作。
只是数据的发送产生了一定的时延。
对于非应答服务方式，随机时隙 R 固定为 16，故此时网络协议就
是 P 值为 0.0625 的 P 坚持 CSMA。此时，只有在网络同时要求发送数
据包的数量小于等于 16 的情况下，可以避免冲突，否则冲突难以避免。
因此，在网络设计时，需充分估计网络上潜在的同时最大发送请
求数，若可能超过 16 时，应采取措施，视各变量对实时性响应的要求
情况，采用应答服务和非应答服务相结合的服务方式。同时也可看出，
当一个信道上直接挂的节点少于 16 个时，即使采用非应答服务，通信
也是非常可靠的。当一个系统中的节点数超过 16 时，若通过路由器进
行隔离，则采用非应答服务也是非常可靠的。值得注意的是，相比较
而言，应答服务比非应答服务多消耗了网络带宽。
3.5.3 优先级方式
当某些变量对实时性要求非常强时，优先级方式是非常好的选择。
其工作原理在 2.2.4 节中已详细描述。但在分配优先级时应当注意，1)
网络上只能为有限个节点分配优先级，2) 在为节点分配优先级时隙的
同时也预占了网络带宽。对于 78kbps 的双绞线收发器来说，一个优先
级时隙的宽度为 8 个比特时间，也就是说，数据包变长了。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 46
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
第四章 系统设计
4.1 概述
网络的设计过程包括网络规
其它
开始 HMI工具 和组件
划、节点开发、安装物理网络、 网络 管理工具
设备
选择组件和网络策略 创建网络组件
网络编程、起动节点、网络优化、
网络维护、编制网络文档等几个 安装节点和组件 配置节点
图
过程。 4.1 给出了网络设计的流 启动节点
程图。总结起来就是网络规划、 网络测试
节点设计、组网设计、网络维护 网络优化 网络维护
四个部分。网络规划在第三章中 编制网络文档
已经论述，本章重点介绍节点的 结束
硬件设计、节点软件设计以及系 图 4.1 网络设计流程图
统的组网设计。
4.2 节点设计
在 LONWORKS 网络设计中，硬件设计、软件设计和网络设计是
三个完全独立的过程，也就是说，节点功能的设计和编程可以不是具
体针对某一个特定的网络，可以用于所有需要具有与它功能相同的节
点的网络。这是 LONWORKS 技术的一个突出特点。这些特点便有利
于节点设计的标准化和模块化，使得节点的设计具有广泛的适应性。
4.2.1 节点划分
若按方案三来设计，则动车组控制系统须完成以下项目：
主柴油机的起动、停机、调速逻辑及故障报警；
变扭器的控制逻辑及故障报警；
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 47
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
防滑、防空转控制；
辅助系统逻辑控制及报警；
仪表驱动；
与两动车的同步（将本车的控制指令同时发到它车，实现两车的
同步控制）；
要完成上述功能需要的输入量和输出量包括：
开关量输入(DI)：
司机指令输入：20 路；动车本车状态输入：24 路；
模拟量输入(AI)：柴油机水温，柴油机机油压力共 2 路；
频率量输入(FI)：
柴油机转速，动车动轮速度，动车从动轮速度 共 3 路;
开关量输出(DO)：共 40 路；
模拟量输出(AO)：共 3 路；
根据以上功能描述和 I/O 数量，并按照 3.3 节所讲的节点组合原则，
将单个动力车的系统分由 7 个节点来完成。各节点按功能组合，各有
不同的侧重点，分别为柴油机控制 1、柴油机控制 2、变扭器控制 1、
变扭器控制 2、辅助控制、报警与保护、仪表驱动。不同的检测量则由
基本完成相关功能的节点来检测。两个动车采用了完全相同的划分方
法。
4.2.2 节点硬件设计
4.2.2.1 节点基本原理
节点硬件设计包括 Neuron 芯片的系统扩展和以及 I/O 接口的设计。
其中系统扩展包括存储器扩展、复位电路、网络通信电路、时钟电路、
Service Pin 电路等的设计。关于 Neuron 芯片已经在 2.3 节中详细介绍，
这里不在赘述。节点的原理框图如图 4.2 所示。Neuron 3120 芯片具有
内部存储器，Neuron 3150 则没有，因此必须扩展。Neuron 芯片的地址
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 48
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
总线与数据总线是分离的，因而，不存在总线复用的问题，在扩展的
方法方面则与单片机相同，不再赘述。
Neuron 芯片的复位电路采用了低电压复位逻辑，当电源电压低于
4.65V 时，低电压检测电路输出一个足够长的复位脉冲，将 Neuron 芯
片复位。如图中所示。
服务管脚电路具有双向功能，既用于在节点安装时节点向网络管
理器上传节点的 Neuron ID，也可驱动 LED 指示 Neuron 芯片的工作状
态。在 Neuron 芯片的技术手册中给出了 LED 的不同闪亮的具体含义。
收发器采用 FTT-10A 变压器耦合型自由拓扑双绞线收发器。其通
信速率为 78kbps，支持无极性自由拓扑结构，对星型、总线型和环型
均支持。
Neuron 芯片提供了 11 个 I/O 口用于用户进行外围扩展，并在其固
件中定义了 34 种不同的工作方式供编程选择，下面就本课题中用到的
几种 I/O 接口方式结合应用作逐一介绍。
接网 络 2 5
双绞 线 CP0～CP4 数据总线
收发器 D0～D7
地址总线 32k
11 A0～A15
I/O扩展 电路
Vcc
IO0～IO10 Flash
SERVICE 存储器
Vcc 复位电路
Vcc Neuron 芯片
低电压
RESET
检测 读写
逻辑
32k
时 SRAM
CLK1
钟
CLK2
电
路
图 4.2 节点原理框图
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 49
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
4.2.2.2 模拟量 I/O 设计
由于只有 11 个 I/O 接口，Neuron 芯片又不提倡占用存储空间的方
式进行 I/O 扩展设计，因此传统的并行 I/O 接口芯片较难用于 Neuron
芯片的接口，而在 34 种工作方式中，Neuronwire 方式较适合模拟量 I/O
扩展。Neuronwire 对象即同步串行对象，它在协议上等同于 Motorola
公司的 SPI 接口约定，且有较多的采用 SPI 的 A/D D/A 接口芯片。符
合系统的要求。
Neuronwire 对象可实现与具有 SPI 接口约定的器件、设备之间的同
步全双工串行通信。其引脚配置图如图 4.3 所示。它可以作为主控收发
器（驱动同步时钟输出）或被控收发器（接受同步时钟输入）。对于主
控方式，IO8 引脚作为输出同步时钟，IO9 作为串行数据输出，IO10
作为串行数据输入。IO0～IO7 可用作片选信号；在被控方式下，IO8
引脚作为输入同步时钟，IO9 作为串行数据输出，IO10 作为串行数据
输入，IO0～IO7 用作时间溢出信号的输入。在两种情况下，一次传输
的数据最多都为 255 位。Neuronwire 对象将挂起应用处理直至操作完
成。对于时钟采用 10MHz 的 Neuron 芯片来说，Neuronwire 的同步时
钟速率可设为 1、10、20kbps。
片选
. 信号 . 多路 时钟
AO . 转换 . D/A
串出
串入
. 电路 .
Neuron
芯片
时钟
. 信号 . 多路 串出
AI . 调理 . A/D 串入
片选
. 电路 .
图 4.3 Neuronwire 方式引脚配置 图 4.4 模拟量 I/O 节点原理框图
采用 Neuronwire 方式实现模拟量 I/O 的节点原理框图如图 4.4 所
示，为简化框图，在此后的原理框图中，Neuron 芯片的其它外围扩展
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 50
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
图不再画出。在本应用中，SPI 作为局部串行总线，将 A/D 转换芯片和
D/A 转换芯片挂在上面。采用 Neuronwire 主控方式，同步时钟速率设
为 20kbps，应用程序定时轮询两个芯片。
在众多的 A/D 转换芯片中，有不
少支持串行 SPI 方式的高速采样芯
片。其中美国 Maxim 公司生产的
MAX186/MAX188 芯片便是一种。
MAX186/MAX188 是 12 位数据
采集芯片。它集成了 8 通道多路开关、
图 4.5 A/D 转换电路
大带宽跟踪/保持电路和 SPI 串行接
口，具有转换速率高，功耗极低的特
点。此器件可使用单一+5V 电源或
±5V 电源进行工作，其模拟输入可
由软件设置为单极性/双极性和单端/
差分工作方式。具体方案如图 4.5。
与 A/D 转换类似，D/A 转换芯片
中 支 持 SPI 的 也 不 为 少 数 ， 例 如 图 4.6 4～20mA 电流输出电路
Maxim 公 司 的 MAX525 芯 片 。
MAX525 芯片将 4 路低能耗电压输出，12 位的数模转换和四个高精度
输出扩大器集成在一个 20 引脚的芯片里。在这四路电压输出之外，每
个放大器的阴极输入使得使用者能够对输出信号进行灵活的配置。如
图 4.6 所示。图中将 MAX525 配置为电流输出。
4.2.2.3 开关量 I/O 设计
开关量 I/O 采用了 Neuron 固件的字节 I/O 对象。
Neuron 芯片的 IO0~IO7 可配置成字节输入或输出端口。输入信号
电平是 TLL 电平，比特输入可从外接的逻辑电路读取与 TTL 电平兼容
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 51
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
的逻辑信号。比特输出是 CMOS 电平。字节 I/O 对象可用来连接每次
需要输出或需要接收 8 比特数据的设备。IO0 是入出数据的最低位
（LSB）。输入或输出的数据范围是 0～255。如图 4.7 所示。
开关量 I/O 设计采用了对 IO0～IO7 复用的方式，通过 IO8～IO10
产生控制逻辑，实现两者的切换。其原理框图如图 4.8 所示。为实现节
点与外部电路不共地，在节点内采用了光电隔离电路。
. 光电 .
DI . .
. 隔离 .
缓冲
保持 Neuron
. 光电 .
DO .
隔离
. 芯片
. .
控制
逻辑
图 4.7 字节 I/O 方式示意图 图 4.8 开关量 I/O 原理框图
4.2.2.4 频 率 量 输 入
（FI）设计
Neuron 芯片提供了两
种测频率的输入对象。周
期输入对象和脉冲输入对
象。
对于采用周期输入对
象，是将 Neuron 的定时器
/ 计数器配置用于测量输
入信号上升沿（下降沿）
至下一个上升沿（下降沿）
图 4.9 周期与脉冲计数输入示意图
之间的时间间隔，即测量
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 52
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
周期。测量的周期与计数寄存器中存放的值和采样周期的关系可表示
为：
测量的周期值(ns)＝计数寄存器中存放的值×采样周期(ns)
式中： 采样周期(ns)＝2000×2^(clock)/CLK1(MHz)
clock 为分频系数。
对于脉冲输入对象，则是用一个定时器/计数器实现在固定的时间
内（0.8 388 608 s），对输入的边沿数计数。计数边沿可以是上升沿也可
以是下降沿，取决于 I/O 定义中的相关选项。输入有效边沿每出现一次，
内部计数器增加一。每隔 0.839s，计数器的内容被保存，然后计数器清
零。其主要应用场合是测量平均频率，如图 4.9。
在本系统中，采用了周期输入对象，将信号调理后输入到 Neuron
芯片的输入管脚。通过测周期换算到频率。
4.2.3 节点软件设计
4.2.3.1 关于节点应用程序
节点的应用程序是基于 Neuron C 语言编写的，在论文 2.4 节中已
经介绍。它在结构上比较简单，与普通单片机的运行机制不同，Neuron
芯片的应用程序采用了事件驱动的方式运行。按照图 2.15 的调度环运
行。一个具体的功能模块要通过一个或若干个任务来完成。任务的触
发是由一系列的条件来决定的，这些条件就是事件（event）。当一个给
定的条件判断为“TRUE”时，与该条件有关的任务（表现为程序代码）
即执行。被用来作判断的条件可以是一般的逻辑变量，可以是网络变
量，也可以是逻辑表达式。
Neuron C 语言通过 when 子句来定义事件。其句法如下：
[priority] [preempt_safe] when（event）
｛
Task
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 53
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
｝
其中 priority 即优先级，可选择使用，如使用该选项，调度程序每
次运行都必须对有此选项的 when 子句进行判断。preempt_safe 是占先
（Preemption）方式的选项，可选择使用，如选用，即便应用处于占先
方式，调度程序仍然执行相关的任务。Neuron 芯片的调度程序在没有
空闲的应用缓冲器用来发送消息时，会进入占先方式，系统会让相应
的应用程序等待并仅处理完成事件、响应以及输入网络变量及消息，
帮助空出应用缓冲器。Event 即事件，圆括号内的事件可以是预定的事
件，也可以是有效的 Neuron C 表达式（其中可包含预定时间）。同一个
任务可以与多个 when 子句关联。Task 即任务，实际是 Neuron C 语言
应用程序。它由一系列 Neuron C 说明及语句组成，用花括号括上。可
以说，任务等同于无返回值的函数体，使用 return 语句可以中断任务的
执行。
when 子句的事件有两种类型：预定事件及用户定义事件。预定事
件包括输入引脚状态变化、网络变量修改、定时器溢出及消息接收等，
Neuron 固件定义了一些预定事件关键字，包括：io_update_occurs、
io_changes、io_in_ready、io_out_ready、timer_expires、nv_update_occurs、
nv_update_completes、nv_update_fails、reset 等，在当事件发生时，相
应关键字被置位；用户定义事件可以是任意有效的 Neuron C 表达式。
关于变量的定义，I/O 口的定义等可参考 Neuron C 编程手册。
4.2.3.2 节点软件
网络变量的采用，使得网络通信就像通常应用程序调用其中的一
个普通变量一样，极大地方便了节点编程。除了在网络规划时确定的
对实时性要求较强的数据外，均可采用网络变量的隐式修改，对于有
特殊要求的网络变量，在应用程序中可由单独的任务来处理，例如网
络变量的定时发送，便可以由软件定时器定时来触发该任务的执行。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 54
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
因此，在节点编程时只需考虑如何通过
初始化任 务
一个或几个任务来完成一个特定的功
开始
能。下面对几个主要的功能模块的软件
变 量 初始 化
作一下介绍。
模拟量 I/O 功能模块主要完成柴油 设 定 100ms软 件 定时 器
机冷却水温、机油压力两路模拟量的检 结束
测、柴油机调速输出和六个模拟仪表的
模拟量I/O任务
驱动。六个模拟仪表分别为本车的柴油
开始
机转速表、机油压力表、冷却水温表；
它车的柴油机转速表、机油压力表、冷 100ms定 时 N
到？
却水温表。其中两路输入信号经过信号
Y
调理后转变为电压信号，七路模拟量输 模 拟 量A/D检 测
出中，柴油机调速输出为 4～20mA 信 司 控器 档 位
4～ 20mA驱 动 电流 换 算
号，六个模拟仪表的驱动输出为 0～
20mA 信号。模块中要用到的数据包括 两车的
冷 却 水温
0～ 20mA
柴 油 机转 速
司控器档位、本车柴油机转速、它车柴 滑 油 压力
油机转速、它车机油压力、它车冷却水
D/A转 换
温等模拟表信号等均通过网络变量获
得。在本模块中，A/D 和 D/A 转换每
结束
100ms 刷新一次，网络变量采用更新修
改方式。其流程图如图 4.10 所示。 图 4.10 模拟量 I/O 流程图
柴油机的起动与停机控制：由于动
车组采用了动力分散的方式，共有两个动车，因而柴油机的起动与停
机控制需要分本车与它车两种情况来讨论。
对于本车柴油机的起动，若本车已被置为主控，当司机发出了本
车柴油机起动指令时，此时若收到柴油机起动完毕信号，表示柴油机
已经起动，该任务即结束，若未收到柴油机起动完毕信号，设置柴油
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 55
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
本车柴 油机起动任务 它车柴 油机起动任务
开始 开始
(主控OR单
N 非主控&它车柴 N
机)&本 车柴
油机起 动指令
油机起 动指令
Y Y
本车柴油机 Y 它车柴油机 Y
起动完毕？ 起动完毕？
N N
设置柴油机 置本车柴油机 设置柴油机 置它车柴油机
起动输出 起动完毕标志 起动输出 起动完毕标志
结束 结束
本车柴 油机停机任务 它车柴 油机停机任务
开始 开始
(主控OR 非主控 &它车
单机)&本车柴油机 N 柴油机 起动完毕& N
起动完 毕&(停机指 (停机指 令OR
令OR故障停 机) 故障停 机)
Y Y
设置柴油机停机标志 设置柴油机停机标志
设置柴油机停机输出 设置柴油机停机输出
结束 结束
图 4.11 柴油机的起动与停机控制流程图
机起动输出位，通过开关量输出电路输出给柴油机控制器，控制柴油
机起动，当收到柴油机起动完毕信号时，柴油机起动过程即完成。若
本车已被置为非主控，则对本车控制信号不响应，只对它车控制信号
产生响应。此时若未收到柴油机起动完毕信号，且收到司机发出的它
车柴油机起动指令时，即设置柴油机起动输出位，通过开关量输出电
路输出给柴油机控制器，控制柴油机起动，当收到柴油机起动完毕信
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 56
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
号时，柴油机起动过程即完成。
对于本车柴油机的停机，若本车已被置为主控，当司机发出了本
车柴油机停机指令、或者出现故障停机时，此时若本车柴油机起动完
毕标志已置位，表示柴油机已经起动，该节点就输出停机信号，控制
柴油机停机，若柴油机起动完毕未置位，表示柴油机未起动，则节点
不做任何操作。若本车已被置为非主控，此时若它车柴油机起动完毕
标志已置位，表示柴油机已经起动，该节点就输出它车停机信号，控
制柴油机停机，若它车柴油机起动完毕未置位，表示柴油机未起动，
则节点不做任何操作。柴油机的起动与停机控制的流程图如图 4.11 所
示。
对于其它方面的控制，本文不再详述。
4.3 组网设计
组网设计实际就是物理网络的安装设计和网络配置图设计。物理
网络的安装设计包括拓扑结构选择、线缆的选择、线缆终结方式和屏
蔽电缆的接地方式的设计等。而网络的安装、调试、维护均根据网络
配置图来完成，在网络配置图中主要完成设置节点的配置属性、网络
变量的绑定两个方面的内容。
4.3.1 物理网络的安装设计
网络的拓扑结构在网络规划时已经确定，采用自由拓扑形式。考
虑到列车上可能存在的干扰，线缆采用屏蔽双绞线，为防止出现车厢
之间出现线缆的接触不良或断开，进行了双线冗余，两条线在端部连
接起来，形成环网，这样即使某一部分断开也不会影响网络的正常运
行。由于采用 FTT-10A 收发器自由拓扑结构的最大传输距离为 500m，
满足系统的运行要求。
对于采用 FTT-10A 收发器的网络，只需要单个终结器(Terminator)，
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 57
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
为保证网络的可靠性，屏蔽线
双绞线
也需要特殊的连接方法，其连 终结电路 Ra
Ca Cb
接 方 式 和 参 数 如 图 4.12 所
屏蔽双绞线(STP)
示。
图中
屏蔽线
Ra=52.3,1/8W,1% Rb Cc 接地
Rb=470k,1/4W,5%
Ca=Cb=100F,50V
图 4.12 网络线缆的终结方式和接地方式
Cc=0.1F,50V
对于每个网段，屏蔽线缆至少接地一次，最好是每个节点都接地。
图中接法可抑制 50/60Hz 标准波。
4.3.2 网络配置图设计
网络配置图的设计是基于网络开发工具进行的，在本论文中以
LonMaker for Windows 来说明其设计过程。
LonMaker 为每一个网络配置图生成一个 LNS 数据库，网络配置图
上的任何修改都会更新到 LNS 数据库中。LonMaker 提供了两种网络配
置图的设计模式，即在线组网设计和离线组网设计，在在线组网设计
时，开发工具通过接口网卡与网络连在一起，LNS 数据库与网络节点
信息始终保持一致，也就是说，在网络配置图中的任何更新都会立即
下载到网络的对应节点。而离线组网设计则是，在网络配置图中的任
何更新只会影响到 LNS 数据库，即使开发工具通过接口网卡已经物理
地连接在网络上，也不会产生对物理网络的任何修改，只有在启动节
点时才将配置图中各节点的信息下载到对应的节点。这实际是提供了
一种在工作室设计、在现场安装的模式。而在线组网设计则为在现场
进行简单网络的设计安装或进行节点的调试和更换提供了方便。两者
的区别是，在设计时，离线组网设计不需要提供节点的 Neuron ID，而
在线组网设计则需要。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 58
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
网络配置图设计包括节点设备的模板设置、功能模块的配置、网
络变量的绑定三个方面的内容。
节点设备的模板设置是指为要设计的网络中的每一个节点在网络
配置图中生成一个节点设备模板，在这个过程中，为节点选择外部接
口文件(.XIF 文件)和应用程序文件(.APB 文件)，选择信道，设置定位符
和点名的时间间隔。若为在线方式，则还包括节点 Neuron ID 的输入。
节点的外部接口文件提供了关于节点属性和特性的完整描述，其中包
括了节点的硬件配置信息(Neuron 芯片类型、收发器参数、缓冲区配置、
地址表槽与节点的外部接口有关的信息)和软件配置信息(程序 ID、网
络变量的数目、节点自文档等)。
功能模块的配置则包括为其选择对应的节点模板以及在功能模块
图素中生成网络变量的对应接口，以便于网络变量的连接。
在上面两项完成之后，便可以进行网络变量的绑定。在此过程中
主要包括为网络中各节点的对应网络变量建立连接关系并为每一个连
接选定报文服务的方式。网络变量的绑定有几个不同的算法，即单点
发送连接(unicast)、多点发送连接(multicast)以及扇入/扇出(fan in/fan out)
连接。其中扇入连接是指多个输出网络变量对单个输入网络变量的连
接，扇出连接是指单个输出网络变量对多个输入网络变量的连接。
另外，在 LonTalk 协议中提供的网络连接资源有组和选择器。
组(group)是用于多点发送的连接。在每个域中最多和设 256 个组。
选择器用于将一个网络变量和所有它所参与的连接联系起来。如
果这个网络变量不是某个连接的一部分，选择器会置为一个值来表示
此为一个未绑定的网络变量。一个网络可以使用多达 12288 个选择器
的值。无关的连接通常需要唯一的选择器的值。交叉连接会自动使用
同一个选择器号。在运用选择器的值时有一些限制：
在一个连接中的网络变量必须分享一个并只有一个网络变量选
择器号。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 59
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
在一个节点上的多个输入网络变量不能分享一个网络变量的选
择器号。
每一个网络变量有一个且只有一个网络变量选择器号。
网络变量的别名会自动使用以防止选择器号在一个节点上发生
冲突，尽管每个别名需要占用一个选择器号。
在 LonTalk 协议中提供的节点连接资源有：地址表入口和网络变量
别名。
Neuron 芯片地址表储存了寻址信息以便 Neuron 芯片知道数据发送
的去向，节点上的每个被绑定的输出网络变量和垂询网络变量均需要
一个地址表入口。节点所属的组也需要消耗一个地址表入口。地址表
被限制为不超过 15 个入口。当地址表空间缺乏时，就不能建立连接，
这将导致效率较低的解决方案。
网络变量别名是一个网络变量的拷贝，它对用户来说透明的。别
名和主网络变量有相同的值但有不同的选择器号，允许建立以前不可
能建立的连接。每个基于 Neuron 芯片的节点最多有 62 个网络变量别
名。
图 4.13 给出了系统的网络配置图。在图中可直接看到网络变量的
连接关系，而关于节点的配置信息以及网络变量的绑定信息均存在
LNS 网络数据库中。并在启动节点时下载到相应的节点中去。
图中下方为网络中节点的连接图，它们共同连接在 78kbps 的双绞
线物理信道上，图中的每个方框对应一个节点，最左边的方框代表 LNS
接口网卡。上方的园角方框是对应于物理节点设备的功能模块图，每
个节点有一个对应的功能模块图，每个功能模块图的左边指向内的箭
头标出了节点的输入网络变量，右边指向外的箭头标出了节点的输出
网络变量。例如：图中左边用（//）标出的连线表示了从功能模块 fd1@1
的输出网络变量 nv_fault_out_d1 到功能模块 fd1@2 的输入网络变量
nv_fault_in_d1 的网络连接关系，也就是说，当 nv_fault_out_d1 发生变
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 60
北方交通大学硕士学位论文 第四章 系统设计
化时，它会由 fd1@2 所对应的节点自动发送到 fd1@1 所对应的节点，
相应的输入网络变量 nv_fault_in_d1 便被赋值，网络上的一次发送便完
成了。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 61
62
第四章 系统设计
nv_cmd_in_d1 nv_cmd_out_d1 nv_check_in_d6 nv_cmd_out_d6
nv_ctrl_in_d1 nv_fault_out_d1 nv_check_in_d2 nv_cmd_out_d2 nv_cmd_in_d3 nv_fault_out_d3 nv_cmd_in_d4 nv_cmd_out_d4 nv_check_in_d5 nv_cmd_out_d5 nv_ctrl_in_d6 nv_post1_out_d6
nv_post_in_x1 nv_check_out_x1
nv_dir_in_d1 nv_gear_out_d1 nv_cmd_in_d2 nv_dir_out_d2 nv_ctrl_in_d3 nv_ctest_in_d4 nv_ctest_out_d4 nv_cmd_in_d5 nv_stu_out_d5 nv_gear_in_d6 nv_post2_out_d6
nv_fd1_in_d4 nv_ctrl_out_d4 nv_stu_in_x1 nv_gear_out_x1
nv_fault_in_d1 nv_stu_out_d1 nv_ctrl_in_d2 nv_stu_out_d2 nv_fault_in_d3 nv_ctrl_in_d5 nv_mdir_in_d6
nv_unload_in_x1 nv_lock_out_x1
nv_gear_in_d1 nv_post_in_d2 nv_lock_in_d3 nv_fd2_in_d4 nv_fault_out_d4 nv_post_in_d6
nv_stu_out_x1
nv_fd3_in_d4 nv_tc_in_d6
nv_fd4_in_d4 fd5@2 nv_wdir_in_d6
fd1@2 fd2@2 fd3@2 fa1@2
fd4@2 fd6@2
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究
nv_cmd_in_d4 nv_cmd_out_d4 nv_check_in_d6 nv_cmd_out_d6
nv_ctest_in_d4 nv_ctest_out_d4 nv_ctrl_in_d6 nv_post1_out_d6 nv_post_in_x1 nv_check_out_x1
nv_cmd_in_d1 nv_cmd_out_d1 nv_cmd_in_d3 nv_fault_out_d3
nv_check_in_d2 nv_cmd_out_d2 nv_fd1_in_d4 nv_ctrl_out_d4 nv_check_in_d5 nv_cmd_out_d5 nv_gear_in_d6 nv_post2_out_d6 nv_stu_in_x1 nv_gear_out_x1
nv_ctrl_in_d1 nv_fault_out_d1 nv_cmd_in_d2 nv_dir_out_d2 nv_ctrl_in_d3
nv_fd2_in_d4 nv_fault_out_d4 nv_cmd_in_d5 nv_stu_out_d5 nv_mdir_in_d6 nv_unload_in_x1 nv_lock_out_x1
nv_dir_in_d1 nv_gear_out_d1 nv_ctrl_in_d2 nv_stu_out_d2 nv_fault_in_d3
nv_fd3_in_d4 nv_ctrl_in_d5 nv_post_in_d6 nv_stu_out_x1
nv_lock_in_d3
nv_fault_in_d1 nv_stu_out_d1 nv_post_in_d2 nv_fd4_in_d4 nv_tc_in_d6
nv_gear_in_d1 nv_wdir_in_d6
fd3@1 fd5@1 fa1@1
fd2@1 fd4@1
fd1@1 fd6@1
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trainbus
tctd0808d1@1 tctd0808d2@1 tctd0808d3@1 tctd0808d4@1 tctd0808d5@1 tctd0808d6@1 tcta4830x1@1 tctd0808d1@2 tctd0808d2@2 tctd0808d3@2 tctd0808d4@2 tctd0808d5@2 tctd0808d6@2 tcta4830x1@2
LNS Network Interface
图4.13 网络 配置图
北方交通大学硕士学位论文 第五章 系统的电磁兼容性
第五章 系统的电磁兼容性
5.1 概述
电磁兼容作为一门综合性学科是在 60 年代开始发展的，随着电子
技术及相关技术的发展，逐步得到世界各相关行业的重视。近年来，
随着我国经济的发展和工业化水平的提高，电子设备的电磁兼容性逐
渐得到了广泛的关注，国家有关部门正在研究制定一些标准，以提高
电子设备的应用水平。所谓电磁兼容性是指设备（分系统、系统）在
共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由
于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的
降级；它也不会使同一电磁环境中其他设备（分系统、系统）因受其
电磁发射而导致或遭受不允许的降级。
众所周知，电磁兼容包括三要素，即干扰源、传播途径和敏感设
备。在本系统中，由于在内燃动车组上装用，系统暴露在整个动车组
的电磁环境下，故干扰源主要包括 110V 控制电源中因接触器和直流电
机断开时所产生的反电势、接触器和直流电机断开所产生的电磁辐射，
直流电机的高频噪声、雷电、大功率开关设备回馈到 110V 的干扰以及
它们所产生的辐射；拖车供电系统的 380V/50Hz 的三相交流电所产生
的交变磁场；动车组运行在电气化线路上时来自 25kV 电力线的交变磁
场；电力机车因过道叉等原因导致脱网再接时产生的宽频干扰，等等。
其中来自 110V 控制电源中的干扰会通过控制系统的电源系统以及开关
量 I/O 接口电路进入；各种电磁辐射会通过线路耦合(包括电源线、地
线、信号线、通信线)进入系统；而交变磁场则会干扰通信的正常进行。
由此可见，提高系统的电磁兼容性是系统正常运行的保证。通常用来
提高电子设备电磁兼容性的措施多为滤波、屏蔽、接地等。本系统也
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北方交通大学硕士学位论文 第五章 系统的电磁兼容性
不例外。具体将在下文中作详细论述。
5.2 电源和接地
由 5.1 的描述可知，直接的线路干扰多来自 110V 控制电源，以往
的实践也表明，存在于 110V 控制电源上的干扰是影响系统运行的主要
原因，往往导致系统运行不稳定或导致信号检测或驱动信号的错误，
因而解决好电源问题是系统能够正常工作的关键一环。
在本系统中采用了分级电源的方法。即在电气系统中设置了 110V
到 24V 的直流开关电源，只将 110V 电源用作功率设备(各辅助电机、
接触器、继电器等)的电源，而将 24V 电源用作电子设备的电源，司机
指令以及各控制状态量采用 24V 电平，系统开关量输出也是采用 24V
电平等级，然后通过固态继电器、24V 继电器或驱动电路进行电平转
换后去驱动各对应的接触器和功率设备。这样就在 24V 电源回路中形
成了一个相对干净的电环境。在控制系统内部，再通过开关电源将 24V
变换为 15V 和 5V 供系统使用，这样，从动车的 110V 控制电源到系统
的内部工作电源，经过了两级隔离，形成了三个电压等级，保证了对
来自电源回路干扰的隔离。
尽管采用了电源分级，若接地处理不好，造成各电压等级电源之
间的共地，则会将前面的一切努力化为乌有，必须保证各电源地线的
良好隔离。这主要表现在，在 110V 到 24V 电源回路之间，用于系统控
制状态输入的电路以及用于驱动的电平转换电路需要解决好隔离问
题；在 24V 到系统内部电路之间，开关量 I/O 电路的 24V 电平电路与
系统内部的 5V 电平电路需做好隔离。所采取的主要措施是，对于前者，
由于采用了继电器或固态继电器，很容易地实现了隔离；对于后者，
则采用了光电隔离，其位于装置内部的 24V 回路采用单独的地线与外
部相连，该地线不能和 15V、5V 回路地线相连。系统的地线和各级电
源的地线不能接装置的机壳。
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北方交通大学硕士学位论文 第五章 系统的电磁兼容性
对于上述措施所不能隔离的干扰信号，在线路上通过滤波电路滤
除。系统在进入装置的 24V 电源上
L1
加设了电源滤波器。如图 5.1 所示。 * L3
C2
C1
该滤波器对抑制线路上的串模干扰 * L4
C3
L2
和共模干扰均有较好的效果。图中
L1、L2 约为几百 mH
图 5.1 电源滤波器原理图
L3、L4 约为 10 匝左右的线圈
C1 取 0.047～0.22F
C2、C3 取0.01F
另外在内部 15V 和 5V 电源的输入端还采用了瞬变抑制二极管吸收
线路上的瞬变电压，并通过共模电感和不同等级的电容滤除线路中的
高频噪声。
5.3 屏蔽
屏蔽技术用来抑制电磁噪声沿着空间的传播，切断辐射电磁噪声
的传输途径。通常用金属材料或磁性材料把所需屏蔽的区域包围起来，
使屏蔽体内外的场相互隔离。当噪声源是高电压、小电流时其辐射场
主要表现为电场，当噪声源是低电压、大电流时其辐射场主要表现为
磁场。结合 5.1 中的介绍可知，在动车组的环境中两种场均存在。需要
分别采取措施。
若噪声波长和两者距离满足条件
r>/2……………………………………………(5-1)
则噪声源的辐射场为远场。无论是电场还是磁场，其远场波阻抗
均为 377，在近场时，电场表现为高阻抗，磁场表现为低阻抗。当波
阻抗与载体的阻抗相匹配时，则表现为较好的传播效果，因而在讨论
屏蔽时需要讨论阻抗匹配的问题。
通常，波传播到不同阻抗的板时会产生反射、透射（折射）、多次
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 65
北方交通大学硕士学位论文 第五章 系统的电磁兼容性
反射。一个屏蔽系统的效果可由下式表示
S=R+A+B…………………………………………(5-2)
式中
R—反射衰减，A—吸收衰减，B—多次衰减
反射衰减 R 是由屏蔽体表面处阻抗不连续性引起的。也就是说与
入射波波阻抗和屏蔽体特性阻抗的差异程度有关。因而屏蔽体的反射
衰减不仅与材料自身的特性（电导率、磁导率）有关，而且与屏蔽体
所处的位置（即近场、远场）有关。因此需要对干扰场与系统的相对
关系进行分析，根据不同的情况增加屏蔽体表面处阻抗的不连续性，
来提高反射衰减的效果。
以
吸收衰减 A 是电磁波通过屏蔽体所产生的热损耗引起的。 dB 为
单位的 A 的表达式为
A=1.31d√frr ………………………………………(5-3)
式中 d—屏蔽体的厚度
f—干扰场的频率
r—相对磁导率
r—相对电导率
由上式可看出，A 与干扰场的频率以及材料自身的特性（电导率、
磁导率）有关、与导体的厚度成正比。表(5-1)给出了频率为 150kHz 时
几种材料的特性参数。
表(5-1) (f=150kHz)
材料 参数 相对电导率r 相对磁导率r 吸收衰减(dB/mm)
铜 1 1 51
铝 0.61 1 40
镀锌铁板 0.15 1000 650
坡莫合金 0.03～0.04 8000～12000 2500(未饱和)
7 －7
（其中铜的电导率0＝5.82×10 /·m，磁导率0＝4×10 H/m）
多次反射衰减 B 是电磁波在屏蔽体内反复碰到壁面所产生的衰减。
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当屏蔽体较厚或频率较高时，导体的吸收衰减较大，相应的多次反射
衰减就少，当屏蔽体较薄或频率较低时，吸收衰减较少，则要采取多
次反射衰减来消耗电磁波的能量。
在本系统中，既存在近场干扰，也存在远场干扰，因而在机箱设
计和线路屏蔽设计需同时考虑以上因素。对于近场的电场干扰，由于
其波阻抗较高，可采用阻抗较低的金属板如铜、铝来加强对该干扰的
反射，主要通过反射衰减来消除该干扰，由于对屏蔽体的厚度没有要
求，故可采用较薄的金属板或电镀层来实现；对于近场的磁场干扰，
因其波阻抗较低，可采用表面阻抗与其空间波阻抗相接近的材料如铁、
铁磁材料、镀锌铁板等作为屏蔽体，通过增加其厚度来增加它在屏蔽
体内的损耗，以吸收衰减为主。对于远场干扰，上述措施均有不同程
度的效果，另外，选择r/r 较小的金属材料有利于提高屏蔽体对远场干
扰的反射衰减。按照以上分析，在机箱设计时采用了镀锌铁板结构和
铝结构相结合的结构形式，形成对电场、磁场、电磁场均有较好屏蔽
效果的屏蔽体。同时，增大印制板上的地线面积也有利于提高干扰的
多次反射衰减。试验表明，该机箱的屏蔽效果非常理想。
对于信号电缆，则按信号的不同频段作不同的接地处理，由于本
系统中多为中低频信号，故屏蔽线采用了在机箱处一点接地的办法，
并且信号地线与机箱不能相连。通信电缆的接地在 4.3.1 节中已经介绍，
在此不再重复。
5.4 电路上的措施
除了上述措施以外，在电路设计时还采取了以下措施：
(1) 在各集成逻辑芯片的电源和地线间加吸收电容；
(2) 将电路按模拟电路和数字电路、高频电路和低频电路划分模
块，尽量减少各模块电路中器件的交叉放置；
(3) 在电路设计时分数字地和模拟地，各电路的地线在一点汇总后
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北方交通大学硕士学位论文 第五章 系统的电磁兼容性
接入总地线；
(4) 尽量减少电路中的回路面积，以减少耦合的可能性。
等等。
5.5 软件所采取的措施
(1) 对所采集的模拟信号进行数字滤波，剔除干扰信号；
(2) 减少循环等待指令的应用，避免系统进入死循环；
(3) 对软件进行规范的模块化设计，尽量减少各模块的入口和出
口，消除程序“跑飞”的隐患；
(4) LONWORKS 控制网络提供了对节点的周期性轮询功能，可由显
示器按照在网络生成时设置轮询的时间间隔对各节点轮询，
对若被轮询节点在规定时间内未做出反应，即给出报警。
5.6 已有可靠性措施
此外由于 LONWORKS 技术是用来组成控制网络使用的，这项技
术本身就具有一定的抗干扰措施：
(1) 变压器耦合型双绞线收发器能够耐受 1000Vrms 的共模电压并
起到了隔离作用，同时降低了网络对阻抗匹配的要求；
(2) 差分曼彻斯特编码的采用提高了编码本身的抗干扰能力，减少
了误码率；
(3) LonTalk 协议的采用保证了报文的透明传输，提高了通信的可
靠性。
(4) 事件驱动和循环调度的程序运行方式减少了程序死锁或“跑
飞”的可能性，提高了软件可靠性。
5.7 电磁兼容性试验
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 68
北方交通大学硕士学位论文 第五章 系统的电磁兼容性
在系统整机生产完成后共进行了两次电磁兼容性试验。
第一次是 2000 年 1 月在北方交大抗电磁干扰研究中心进行的。这
次试验主要测试系统对电磁干扰的抵抗能力，故并未进行所有项目的
试验，试验项目为：电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、工频磁场抗扰度
试验。
电快速瞬变脉冲群抗扰度试验是用来评估受试设备对来自操作瞬
态过程（如开断感性负荷、继电器接点弹跳等）中的各种类型瞬态骚
扰的抗扰度。方法是使用电快速瞬变脉冲群发生器产生每批 15ms、间
隔 300ms、脉冲群的重复频率为 2.5kHz/5kHz 的脉冲群，以500V 和
1000V 的电压幅值通过耦合设备分别耦合到通信线、电源正线、电源
负线以及同时对两根线耦合，观察设备的工作情况。试验表明，对通
信线试验时，系统在此干扰下仍正常工作；在对电源线试验时，500V
试验系统工作正常，而1000V 试验时系统出现明显异常。
工频磁场抗扰度试验是用来评估家用、商业和工业用电工、电子
设备在工频（50Hz）磁场作用下的抗扰度。工频磁场由导体中的工频
电流所产生；少数情况由邻近的其他装置（如变压器的漏磁通）所产
生，对于邻近导体的情况可分为以下两种情况：第一，处于正常工作
条件下的电流产生的稳定磁场，具有较小的幅值；第二，故障条件下
的电流，产生相对高的幅值，其持续时间短，当保护装置断开电路后
不复存在。通常情况下，不考虑谐波产生的磁场。试验方法是由试验
电流发生器向感应线圈提供工频电流，在感应线圈内形成较均匀的磁
场，该磁场加于受试设备上。对本系统进行了稳定磁场试验的等级 3、
4 的试验，试验场强分别为 10A/m、30A/m。在试验条件下，系统工作
完全正常。
上述两试验的试验记录见附录 1。
试验完成以后，根据试验的情况对系统进行了整改，并进行了装
车试验的准备工作。在装车试验之前，于 2000 年 5 月在北京机械工业
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 69
北方交通大学硕士学位论文 第五章 系统的电磁兼容性
自动化研究所电磁兼容试验室对改进后的系统进行了全面的试验。这
次试验的内容包括：绝缘强度试验、高温运行试验、低温运行试验、
抗快速瞬变脉冲群试验、抗静电放电试验、电浪涌干扰试验以及振动
试验。各项试验指标基本遵照 TB/T 1394-93《铁道机车动车电子装置》
关于电子装置型式试验的标准。经过试验，各项指标均满足要求。测
试要求及测试结果见附录 2《型式试验报告》。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 70
北方交通大学硕士学位论文 第六章 系统调试
第六章 系统调试
系统调试包括静态调试和装车调试。静态调试用来对生产完成的
系统进行功能性的调试，保证系统的硬件的各部分电路能够正常工作，
软件的各功能模块能够正常运行，保证系统实现基本功能要求，并能
够稳定的工作。装车调试用于对完成静态调试后的系统进行动态运行
考核，此时应保证在该系统的控制下动车组能够正常运行，对与实际
运行参数和逻辑不符的地方进行调试和修改。下面作详细介绍。
6.1 静态调试
静态调试包括硬件调试、软件调试以及系统静态联合调试三部分。
硬件调试是指对系统硬件的各部分电路进行功能性的调试，以确
定各部分电路工作正常。针对各节点电路设计出节点测试软件，通过
它测试各节点的输入输出是否正常。
软件调试完成对节点软件的功能性调试，确保各功能模块运行正
常。预先设定需要的条件，测试软件逻辑及运算的正确性。
系统静态联调是指将系统中各节点连成系统，并连接试验模拟设
备，通过试验模拟设备模拟动车组的运行操作，看系统各部分是否能
够协调正确的运行。为便于调试，为系统专门制作了调试试验箱，试
验箱的配置如下：
输出：
开关量信号：50 路开关；
模拟量信号：0～20mA 信号 1 路，温度信号 1 路，共 2 路；
频率量信号：0～5kHz 信号 3 路，分别模拟柴油机转速，动车动
轮速度，动车从动轮速度信号;
输入：
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 71
北方交通大学硕士学位论文 第六章 系统调试
指示灯：共 50 路；
仪表指示：共 6 路；
将试验箱与系统各接口对应连接。系统上电后按照动车组的操作
顺序操作调试试验箱，直到各部分功能符合要求为止。
6.2 装车调试
在完成另外系统静态调试和电磁兼容性试验后，于 2000 年 7 月在
厂内即将出厂的内燃液力动车组上进行了装车调试。试验内容如下：
单机试验的各项控制性能；
联机试验的各项控制性能；
动车组控制网络系统的运行可靠性。
在调试过程中曾出现动车速度检测不正常的问题，经查为速度传
感器的输出信号的低电平有时超过了 1V，而系统检测电路的检测点设
在 0.7V，导致多数脉冲检测不到。通过电阻偏置将检测点电位提高后，
即能正常检测，此后系统运行正常。经过试验，系统的各项性能均满
足技术规范的要求，系统运行状况良好。
详细内容见附录 3《动车控制网络系统装车运用试验评审报告》。
经过上述试验以后，已经确定系统在基本性能上满足了控制要求，
但是在长期运行可靠性方面有待进一步考核。在此背景下，经多方协
商，又于 2000 年 12 月 22 日在呼和浩特铁路局集通铁路公司购买的内
燃液力动车组上进行装车试验。由于其接口与现车控制系统完全相同，
故装车顺利进行。经过初期的装车和近 30000 公里的运行，系统在硬
件和软件方面未出现任何问题，目前，系统正在运行考核中。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 72
北方交通大学硕士学位论文 第七章 结 论
第七章 结 论
随着我国动车组的发展，列车控制网络的发展也进入了一个全新
的阶段，本课题就是在这个背景下进行的。本课题立足于在开放的技
术的基础上开发全新的适于我国现状的动车组控制系统，在网络的概
念下，进行了动车组网络控制的初步尝试。具体来讲，在以下几个方
面有突出特点：
(1) 脱离了原有传统的机车控制技术，完全采用 LONWORKS 技术
实现内燃动车组的控制，这在我国机车车辆行业内尚属首次。
这个系统的研制成功，为基于通用的、开放的技术建立我国自
己的列车控制系统奠定了基础。
(2) 系统基于网络的概念，以较简单的网络形式，采用模块化的设
计，实现了内燃动车组中两个动车的控制，经目前的装车试验
证明，系统的设计是合理的、可靠的，这一阶段性成果为下一
步将拖车控制纳入系统以建立较为完备的动车组控制系统打
下了良好的基础。
(3) 在对采用 LONWORKS 技术的可行性进行充分分析的基础上，
进行了系统硬件和软件的设计，并一步进行了系统的电磁兼容
性设计，并进行了充分的电磁兼容性试验和地面静态试验，这
为系统的最后稳定运行提供了保证。
(4) 系统采用了模块化设计，印制板尺寸按欧标设计，结构设计灵
活，既有利于嵌入其它的控制系统，也便于将系统进一步扩展
或升级为更为复杂的、开放的网络，实现列车控制的完全网络
化。
LONWORKS 技术作为一个开放的、网络化的并随着国际 IT 技术
不断发展的技术，在铁路运输控制方面具有广阔的发展前景。方案三
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 73
北方交通大学硕士学位论文 第七章 结 论
的成功实现，为在各方面条件成熟时进行方案二和方案一的实施提供
了有力的技术支持。该技术的成功应用，必将推动我国机车车辆控制
技术的发展。
建立列车控制网络是一个复杂的、门类较广的系统工程，由于受
到时间和本人学识水平的限制，在论文中难免存在一些不妥之处，敬
请各位老师、专家批评指正。
LONWORKS 网络控制技术在内燃动车组控制系统中的应用研究 74