一種MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)模型設(shè)計(jì)方法與流程

本發(fā)明涉及一種MVB(Multifunction Vehicle Bus，MVB)總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)模型設(shè)計(jì)方法，特別是一種MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸屏蔽雙絞線模型的設(shè)計(jì)方法，可用于解決多功能車輛總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于屏蔽雙絞線串?dāng)_、衰減、插入損耗等特性而引起的MVB網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性及實(shí)時(shí)性下降的問(wèn)題，為多功能車輛總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用及其理論研究提供基礎(chǔ)平臺(tái)。

背景技術(shù)：

多功能車輛總線MVB作為列車通信網(wǎng)絡(luò)(Train Communication Network，TCN)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線，傳輸速率為1.5M bit/s，其具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高和容錯(cuò)性良好等特點(diǎn)，在動(dòng)車組、地鐵列車及城軌車輛等實(shí)時(shí)性要求較高的工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用。

隨著高速列車的迅速發(fā)展，列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)量需求不斷增加，因此，為不斷提高數(shù)據(jù)信息能夠在高速列車通信網(wǎng)絡(luò)中高速、完整、實(shí)時(shí)、可靠的傳輸成為高速列車網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)研究的關(guān)鍵問(wèn)題。造成MVB網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)實(shí)時(shí)性、可靠性等較低的原因主要有：1)所建立的模型較為簡(jiǎn)化；2)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的衰減特性；3)串?dāng)_特性對(duì)傳輸數(shù)據(jù)誤碼率的影響；4)阻抗不匹配引起的回波損耗；5)端到端傳輸?shù)臅r(shí)間損耗等情況。

為了提高M(jìn)VB網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的可靠性，保證其實(shí)時(shí)性，進(jìn)而達(dá)到提高M(jìn)VB網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性，需要對(duì)傳輸介質(zhì)分布參數(shù)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)傳輸介質(zhì)的影響因素進(jìn)行分析。

MVB總線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)如網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)性能、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度等的研究都離不開模型的建立，MVB網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的建立是研究MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸特性的基礎(chǔ)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化及系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有十分重要影響。目前對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)的模型建立都是針對(duì)數(shù)值理論的分析，如通過(guò)建立RLCG數(shù)值模型，對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)總線參數(shù)電容、電感等進(jìn)行計(jì)算分析，以及通過(guò)解析方法對(duì)整數(shù)階和分?jǐn)?shù)階傳輸線進(jìn)行了分析研究，提出了傳輸線瞬態(tài)分析的方法。現(xiàn)有的方法局限于數(shù)值理論分析，對(duì)于高頻下傳輸線的結(jié)構(gòu)變化對(duì)二次參數(shù)的影響考慮比較少，以至于特征阻抗、衰減系數(shù)和回波損耗等參數(shù)指標(biāo)增大，降低了傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性等特點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有局限于數(shù)值理論分析的MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)建模方法存在的問(wèn)題，提供一種MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)模型的設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明以MVB(AWG20)型號(hào)的屏蔽雙絞線為研究對(duì)象，通過(guò)建立屏蔽雙絞線分布參量、結(jié)構(gòu)及串?dāng)_模型對(duì)MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)進(jìn)行傳輸特性分析，并對(duì)MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)進(jìn)行布局優(yōu)化；相對(duì)于單一的傳輸介質(zhì)模型，所建立模型更加實(shí)時(shí)可靠。同時(shí)所建立的模型不僅降低了屏蔽雙絞線的串?dāng)_、傳輸衰減等因素，提高了MVB總線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)環(huán)境的噪聲及擾動(dòng)等外界環(huán)境因素有較好的抑制作用。

本發(fā)明為解決上述問(wèn)題采用以下技術(shù)方案:一種MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)模型的設(shè)計(jì)方法包括MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型、MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)串?dāng)_模型及MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)電路分布參量模型的建立。

所述MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型通過(guò)一次參數(shù)（電纜尺寸、介質(zhì)參數(shù)、線徑和工作頻率等）對(duì)二次參數(shù)（衰減常數(shù)、特性阻抗、回波損耗等）進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立，并設(shè)計(jì)二次參數(shù)方程進(jìn)行傳輸介質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的表述，屏蔽雙絞線為星型四線扭絞結(jié)構(gòu)，其中兩對(duì)雙絞線可分別看作一條傳輸電纜；假設(shè)內(nèi)外屏蔽層為圓柱狀一致的，為屏蔽內(nèi)經(jīng)，為導(dǎo)體半徑，為雙線中心距，為導(dǎo)體電阻率，為屏蔽層電阻率，其中；

傳輸線傳播常數(shù)的定義為：

由于MVB總線信號(hào)傳輸頻率很高，滿足，，可得：

則衰減常數(shù)為：

式中，分別為介質(zhì)損耗及導(dǎo)體損耗所導(dǎo)致的衰減常數(shù)部分，可以得出二次參數(shù)由一次參數(shù)決定；

可知由介質(zhì)損耗所引起的介質(zhì)損耗為：

根據(jù)MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型可知一次參數(shù)微小段電阻值為：

其中導(dǎo)體的表面電阻率為：，屏蔽層電阻率為：，為介質(zhì)厚度，為頻率；

波阻特性值為：

將，，代入上式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

可得介質(zhì)損耗所引起的介質(zhì)損耗為：

由導(dǎo)體損耗所導(dǎo)致的衰減部分為：

則得到MVB總線網(wǎng)絡(luò)屏蔽雙絞傳輸線總衰減為：

總衰減可表示為：

由MVB總線電纜的衰減常數(shù)，可以得出MVB雙絞傳輸線的衰減特性取決于屏蔽雙絞線的長(zhǎng)度、線徑、電阻率、頻率等參數(shù)。

所述MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)串?dāng)_模型為了解決屏蔽雙絞線的非均勻性及微分方程求解難的問(wèn)題，通過(guò)采用雙端口ABCD網(wǎng)絡(luò)模型，建立電壓及電流參數(shù)分布方程為：

通過(guò)屏蔽雙絞線的電壓及電流參數(shù)分布確立其分布方程為：

式中為ABCD參數(shù)矩陣，為置換矩陣，參數(shù)矩陣為：

式中為傳輸線的特性阻抗，為傳輸線傳播常數(shù)，置換矩陣為：

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，MVB電纜每米的絞數(shù)不應(yīng)小于12；則取每米絞數(shù)為12，并假設(shè)MVB傳輸電纜為m，則共有個(gè)絞環(huán)，通過(guò)引入置換矩陣可得長(zhǎng)度為m雙絞線的ABCD參數(shù)矩陣為：

因此，MVB總線電纜的電壓及電流參數(shù)分布方程為：

可得串?dāng)_電壓為：

上式中為負(fù)載阻抗，通過(guò)串?dāng)_電壓與電源電壓的比值對(duì)屏蔽雙絞線的抗干擾能力進(jìn)行分析。

所述MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)電路參量模型為了計(jì)算方便將由兩根線纜絞合而成的非均勻雙絞線看作均勻的傳輸線進(jìn)行等效處理，即將雙絞線分割成許多微元段，每個(gè)微元段可看作集中參數(shù)電路，用一個(gè)型網(wǎng)絡(luò)來(lái)等效，則整個(gè)雙絞線電纜可等效成按特定方式將多個(gè)型網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)，根據(jù)電路定理得出微元段上的電壓電流關(guān)系：

為了具有更為普遍的意義，設(shè)信源角頻率為，線上電壓及電流皆為正弦時(shí)變規(guī)律，則

對(duì)兩端的求導(dǎo)帶入上式并令可得微分方程組為：

其中為單位長(zhǎng)度線纜的阻抗，為單位長(zhǎng)度線纜的導(dǎo)納，對(duì)上式兩端對(duì)進(jìn)行求導(dǎo)，得到：

可求得上式通解為

如果已知信源電壓及電流分別為時(shí)，可得：，，將和的值帶入通解，則可求出雙絞線處電壓值為：，電流值為：；

同理，已知負(fù)載端電壓及電流為，時(shí)，設(shè)傳輸線長(zhǎng)度為，可求得雙絞線線上任意位置的電壓值為：，電流值為：；

通過(guò)以上對(duì)屏蔽雙絞線等效電路的分析，可通過(guò)信源或者負(fù)載電壓電流進(jìn)行雙絞線上任意處電壓及電流的確定，然后通過(guò)串?dāng)_模型對(duì)傳輸雙絞線串?dāng)_分析。

與現(xiàn)有構(gòu)建MVB網(wǎng)絡(luò)總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)建模的設(shè)計(jì)方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明涉及符合TCN標(biāo)準(zhǔn)的MVB網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的本發(fā)明涉及一種MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)模型設(shè)計(jì)方法，特別是一種MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸屏蔽雙絞線模型的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)所建立模型對(duì)MVB總線網(wǎng)絡(luò)處于高頻下傳輸線的結(jié)構(gòu)變化所引起的二次參數(shù)變化進(jìn)行分析，保持特征阻抗、衰減系數(shù)和回波損耗等參數(shù)指標(biāo)的浮動(dòng)變化，降低了屏蔽雙絞線的串?dāng)_、傳輸衰減等，從而保證傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性等。為MVB總線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及其理論研究提供基礎(chǔ)平臺(tái)，縮短研發(fā)周期。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的MVB傳輸介質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)串?dāng)_模型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)電路參量模型結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，如圖1所示，一種MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，其為星型四線扭絞結(jié)構(gòu)，包括傳輸線1、傳輸線2、傳輸線3、傳輸線4，傳輸線1、2、3、4外部結(jié)構(gòu)為屏蔽層6，傳輸線1、2通過(guò)扭絞可看作一條傳輸線7，傳輸線3、4通過(guò)扭絞可看作一條傳輸線8，外部由屏蔽層5構(gòu)成；假設(shè)內(nèi)外屏蔽層5、6為圓柱狀一致的，為屏蔽內(nèi)徑，為導(dǎo)體半徑，為雙線中心距，為導(dǎo)體電阻率， 為屏蔽層電阻率，其中；傳輸線傳播常數(shù)的定義為：

由于MVB總線信號(hào)傳輸頻率很高，滿足，可得：

則衰減常數(shù)為：

式中，分別為介質(zhì)損耗及導(dǎo)體損耗所導(dǎo)致的衰減常數(shù)部分，可以得出二次參數(shù)由一次參數(shù)決定；

可知由介質(zhì)損耗所引起的介質(zhì)損耗為：

根據(jù)MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型可知一次參數(shù)微小段電阻值為：

其中導(dǎo)體的表面電阻率為：，屏蔽層電阻率為：，為介質(zhì)厚度，為頻率；

波阻特性值為：

將，，代入上式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

可得介質(zhì)損耗所引起的介質(zhì)損耗為：

由導(dǎo)體損耗所導(dǎo)致的衰減部分為：

則得到MVB總線網(wǎng)絡(luò)屏蔽雙絞傳輸線總衰減為：

總衰減可表示為：

由MVB總線電纜的衰減常數(shù)，可以得出MVB雙絞傳輸線的衰減特性取決于屏蔽雙絞線的長(zhǎng)度、線徑、電阻率、頻率等參數(shù)。

如圖2所示，一種MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)串?dāng)_模型結(jié)構(gòu)示意圖，將屏蔽雙絞線看作一對(duì)長(zhǎng)度為的均勻的線對(duì)，其中代表絞線對(duì)上的位置，對(duì)應(yīng)位置處的電壓及電流，對(duì)間的串?dāng)_電壓進(jìn)行分析，其中傳輸線11與傳輸線10扭絞如圖2所示，外部為屏蔽層9；為了解決屏蔽雙絞線的非均勻性及微分方程求解難的問(wèn)題，通過(guò)采用雙端口ABCD網(wǎng)絡(luò)模型，建立電壓及電流參數(shù)分布方程為：

通過(guò)屏蔽雙絞線的電壓及電流參數(shù)分布確立其分布方程為：

式中為ABCD參數(shù)矩陣，為置換矩陣，參數(shù)矩陣為：

式中為傳輸線的特性阻抗，為傳輸線傳播常數(shù)，置換矩陣為：

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，MVB電纜每米的絞數(shù)不應(yīng)小于12；則取每米絞數(shù)為12，并假設(shè)MVB傳輸電纜為m，則共有個(gè)絞環(huán)，通過(guò)引入置換矩陣可得長(zhǎng)度為m雙絞線的ABCD參數(shù)矩陣為：

因此，MVB總線電纜的電壓及電流參數(shù)分布方程為：

可得串?dāng)_電壓為：

上式中為負(fù)載阻抗，通過(guò)串?dāng)_電壓與電源電壓的比值對(duì)屏蔽雙絞線的抗干擾能力進(jìn)行析。

如圖3所示，一種MVB總線網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)電路參量結(jié)構(gòu)示意圖，為了計(jì)算方便將由兩根線纜絞合而成的非均勻雙絞線12、13看作均勻的傳輸線進(jìn)行等效處理，即將雙絞線分割成許多微元段，每個(gè)微元段可看作集中參數(shù)電路，用一個(gè)型網(wǎng)絡(luò)14、15來(lái)等效，則整個(gè)雙絞線電纜可等效成按特定方式將多個(gè)型網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)，根據(jù)電路定理得出微元段上的電壓電流關(guān)系：

為了具有更為普遍的意義，設(shè)信源角頻率為，線上電壓及電流皆為正弦時(shí)變規(guī)律，則

對(duì)兩端的求導(dǎo)帶入上式并令，可得微分方程組為：

其中為單位長(zhǎng)度線纜的阻抗，為單位長(zhǎng)度線纜的導(dǎo)納，對(duì)上式兩端對(duì)進(jìn)行求導(dǎo)，得到：

可求得上式通解為

;

如果已知信源電壓及電流分別為時(shí)，可得：，，將和的值帶入通解，則可求出雙絞線處電壓值為：，電流值為：；

同理，已知負(fù)載端電壓及電流為，時(shí)，設(shè)傳輸線長(zhǎng)度為，可求得雙絞線線上任意位置的電壓值為： ，電流值為：；

通過(guò)以上對(duì)屏蔽雙絞線等效電路的分析，可通過(guò)信源或者負(fù)載電壓電流進(jìn)行雙絞線上任意處電壓及電流的確定，然后通過(guò)串?dāng)_模型對(duì)傳輸雙絞線串?dāng)_分析。

本發(fā)明通過(guò)對(duì)MVB屏蔽雙絞線電纜結(jié)構(gòu)及其等效電路的研究，建立了屏蔽雙絞線的結(jié)構(gòu)模型、串?dāng)_模型及數(shù)值參量模型，基于模型對(duì)傳輸線的衰減特性、線對(duì)間的串?dāng)_等特性進(jìn)行了分析；本發(fā)明利用所構(gòu)建的仿真模型可以比較準(zhǔn)確的對(duì)衰減、串?dāng)_進(jìn)行仿真、分析及對(duì)比，研究分析長(zhǎng)度、線徑等一次參數(shù)的變化對(duì)MVB總線網(wǎng)絡(luò)衰減、串?dāng)_等特性參數(shù)影響，使得特性指標(biāo)的裕量值增加。