ECN網(wǎng)關(guān)設(shè)計

杜振環(huán)+石小磊+周達

摘要：描本文述了一種通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方法，用于實現(xiàn)CAN總線設(shè)備與車輛以太網(wǎng)ECN設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。介紹了網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)和設(shè)計方法，對網(wǎng)關(guān)的測試驗證進行了描述，表明了網(wǎng)關(guān)的可用性。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；CAN；網(wǎng)關(guān)；列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP393.07 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0190-01

IEC定義le 列車骨干以太網(wǎng)ETB和車輛以太網(wǎng)ECN作為新一代列車網(wǎng)絡(luò)通信標準。CAN總線（Controller Area Network）以其低成本、高可靠性特點，仍被廣泛用于列車控制器。CAN總線和ECN網(wǎng)絡(luò)采用不同的通信標準，要實現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)傳輸，需要總線轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)。本文描述了ECN網(wǎng)關(guān)設(shè)備的設(shè)計和驗證方法。

1 ECN網(wǎng)關(guān)設(shè)計

1.1 硬件架構(gòu)

ECN網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計選用Cortex-M3系列微處理器，配置雙路冗余以太網(wǎng)接口和CAN通信接口；處理器內(nèi)部集成了CAN協(xié)議控制器和以太網(wǎng)協(xié)議控制器，通過以太網(wǎng)物理層收發(fā)器和CAN收發(fā)器連接到現(xiàn)場總線。為了增強ECN可靠性，采用可編程器件FPGA實現(xiàn)以太網(wǎng)物理層冗余。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 軟件架構(gòu)

ECN網(wǎng)關(guān)軟件采用分層設(shè)計，自下而上主要由設(shè)備驅(qū)動、操作系統(tǒng)級中斷服務(wù)、應(yīng)用層軟件組成，其中應(yīng)用層軟件由CAN總線通信軟件、ECN通信軟件和CAN-ECN協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件組成。以太網(wǎng)控驅(qū)動負責以太網(wǎng)控制器底層初始化、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送及接收。以太網(wǎng)采用開源lwIP實現(xiàn)了精簡TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)了包含IP、TCP、UDP、ARP等協(xié)議功能，本網(wǎng)關(guān)采用UDP協(xié)議。CAN-ECN協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)實現(xiàn)ECN以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與CAN總線數(shù)據(jù)的透明傳輸。

1.3 ECN冗余控制器設(shè)計

FPGA實現(xiàn)ECN網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)監(jiān)視功能和通信鏈路冗余控制功能。以太網(wǎng)鏈路狀態(tài)監(jiān)視完成兩路PHY芯片的以鏈路連接狀態(tài)通信監(jiān)視。通信鏈路選擇模塊采用了目前列車應(yīng)用管飯的多功能車輛總線MVB的線路冗余原理，F(xiàn)PGA根據(jù)鏈路狀態(tài)的正確性，完成通信通道的選擇，正常只信任一種一路，當信任通道鏈路故障時，F(xiàn)PGA啟動切換到另外的通信通道，從而實現(xiàn)通信鏈路冗余切換功能。此外，F(xiàn)PGA提供狀態(tài)寄存器和控制寄存器，允許CPU獲得鏈路狀態(tài)和選擇信任鏈路。

2 測試

作為車載通信設(shè)備，ECN網(wǎng)關(guān)通過了型式試驗、一致性測試和通信性能測試。

按照ISO-11898-和IEC 61375標準對CAN接口一致性測試和以太網(wǎng)接口一致性測試，測試包括物理層測試和數(shù)據(jù)鏈路層測試，具體項目包括幅值測試、上升時間、下降時間測試、吞吐量測試、傳輸延時測試、丟幀率測試等。

上行通信測試：模擬一個車載CAN總線終端設(shè)備節(jié)點，對CAN總線控制器發(fā)送郵箱寫入數(shù)據(jù)信息，運行CAN總線到ECN以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)程序，ECN網(wǎng)關(guān)接收到CAN發(fā)送請求，運行CAN服務(wù)線程，將CAN總線上數(shù)據(jù)通過ECN網(wǎng)關(guān)接收郵箱接收并轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，將數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)總線，最后由中央控制單元CCU應(yīng)用程序接收并在顯示屏上顯示。

下行通信測試：在顯示屏終端界面發(fā)送指令數(shù)據(jù)，通過中央控制單元CCU向網(wǎng)關(guān)發(fā)出UDP服務(wù)請求，ECN網(wǎng)關(guān)響應(yīng)服務(wù)請求后，從ECN以太網(wǎng)讀取數(shù)據(jù)并存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，進入以太網(wǎng)服務(wù)線程，將數(shù)據(jù)通過ECN網(wǎng)關(guān)發(fā)送郵箱發(fā)送到CAN總線，CAN控制器接收郵箱解析數(shù)據(jù)包并轉(zhuǎn)存到內(nèi)存中，數(shù)據(jù)通過CAN終端設(shè)備LED燈顯示。

經(jīng)多組數(shù)據(jù)測量，系統(tǒng)的響應(yīng)時間在5毫秒以內(nèi)。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了列車以太網(wǎng)嵌入式ECN網(wǎng)關(guān)，采用該網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了ECN和CAN總線的數(shù)據(jù)交互。測試表明，網(wǎng)關(guān)具有良好的技術(shù)架構(gòu)和通信可靠性，符合以太網(wǎng)列車的應(yīng)用需求。

參考文獻

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