以太網(wǎng)技術(shù)在列車通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用探究

王中堯

[摘 要]目前，已有列車通信網(wǎng)絡(luò)無法滿足傳輸信息的需求，在這樣的情況下，將同時(shí)共存工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線的方案提出來具有非常重要的作用?；诖耍疚膶?duì)這種方案和列車通信網(wǎng)絡(luò)的組成進(jìn)行了具體的研究與分析。

[關(guān)鍵詞]以太網(wǎng)技術(shù)；列車通信網(wǎng)絡(luò)；CAN總線

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.16.066

[中圖分類號(hào)]TP 393；U285.5 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1673-0194（2018）16-0-02

傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)無法滿足當(dāng)前列車傳輸信息的要求，所以逐漸將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用在列車系統(tǒng)中，部分國(guó)內(nèi)列車將CAN和RS485等現(xiàn)場(chǎng)總線在已有列車通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入，但是由于以太網(wǎng)具有特殊的通信機(jī)制和復(fù)雜的列車環(huán)境，導(dǎo)致其應(yīng)用并不廣泛。另外，傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線具有較高的實(shí)時(shí)性和抗干擾性，但依然存在許多問題，如較低的通信速率和較少的傳輸數(shù)據(jù)量、只支持單一的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，這會(huì)在很大程度上影響組網(wǎng)的靈活性，在數(shù)據(jù)交換中需要專門的網(wǎng)關(guān)設(shè)備等，這些問題都導(dǎo)致列車信息傳輸?shù)男枨鬅o法得到滿足。所以具體研究以太網(wǎng)技術(shù)在列車通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 共存工業(yè)以太網(wǎng)與CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的方案

1.1 比較工業(yè)以太網(wǎng)總線和CAN總線

應(yīng)用在不同的工業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，是工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線最明顯的差別。目前，主要在最上層的企業(yè)信息管理網(wǎng)絡(luò)和中間過程的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)，這些網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備之間具有相對(duì)較長(zhǎng)的交換信息的報(bào)文和較大的數(shù)據(jù)吞吐量，所以這就需要很大的網(wǎng)絡(luò)寬帶，但是在實(shí)時(shí)性方面并沒有嚴(yán)格的要求，所以主要由工業(yè)以太網(wǎng)組成該部分。一般在底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線，其與工業(yè)以太網(wǎng)的要求正好相反，即嚴(yán)格要求通信具有實(shí)時(shí)性，但是并沒有嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝恳?，而且其具有較小的開發(fā)難度。信息是CAN總線協(xié)議的基礎(chǔ)，所以節(jié)點(diǎn)模塊容易被通信網(wǎng)絡(luò)增刪，不需要改動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)。多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)收到一組報(bào)文信息，其是支持遠(yuǎn)程工作的，節(jié)點(diǎn)可以向別的節(jié)點(diǎn)直接請(qǐng)求相應(yīng)的數(shù)據(jù)，而且具有嚴(yán)重故障的節(jié)點(diǎn)可以從總線中自動(dòng)退出，并不會(huì)影響總線上其他節(jié)點(diǎn)的正常工作。在實(shí)際的工藝控制現(xiàn)場(chǎng)中，一般控制信號(hào)只控制少量的信息，而通過對(duì)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)進(jìn)行合理應(yīng)用，不但可以更好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪繕?biāo)，而且具有很高的傳輸效率。

1.2 車輛總線網(wǎng)的組成部分

工業(yè)底層控制的通信網(wǎng)絡(luò)主要是CAN總線，其性質(zhì)和特點(diǎn)與車輛總線的通信要求非常相符，所以一般將CAN總線應(yīng)用到車輛總線中，系統(tǒng)使用模擬量和數(shù)字量?jī)煞N方式監(jiān)控這些設(shè)備的控制量。

1.3 列車總線網(wǎng)的組成部分

列車編掛的數(shù)量往往大于18輛，整個(gè)系統(tǒng)需要監(jiān)控較多的對(duì)象，所以具有較大的網(wǎng)絡(luò)通信量。除此之外，由于會(huì)隨時(shí)調(diào)整列車的編組情況，所以要按照設(shè)定器中設(shè)定的車號(hào)和編組情況動(dòng)態(tài)配置網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，其主要目的是可以與不同列車的編組情況相適應(yīng)，而以太網(wǎng)技術(shù)可以滿足這樣的要求。

2 列車通信網(wǎng)絡(luò)的組成要素

在列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，底層通信網(wǎng)絡(luò)的通行方式主要以CAN總線為主，其主要是對(duì)車廂內(nèi)的電氣控制設(shè)備進(jìn)行連接，上層網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)的連接是通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的。CAN總線和工業(yè)以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換是通過CAN/以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與CAN現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，通過以太網(wǎng)向監(jiān)控中心傳輸通信數(shù)據(jù)，使實(shí)時(shí)監(jiān)控的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

2.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件

CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是工業(yè)以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的主要依據(jù)，主要由CAN數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)和以太網(wǎng)接口電路兩部分構(gòu)成硬件結(jié)構(gòu)，其中前者主要包括DSP芯片、CAN總線控制器等，后者主要包括DSP芯片和以太網(wǎng)控制芯片。兩個(gè)電路的核心都以DSP芯片為主，由轉(zhuǎn)換以太網(wǎng)和CAN總線通信協(xié)議的嵌入式系統(tǒng)共同組成。在整個(gè)系統(tǒng)中，CAN總線控制器和以太網(wǎng)控制芯片收發(fā)數(shù)據(jù)的工作、整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行、CAN總線和TCP/IP協(xié)議等工作都是由微控制器統(tǒng)一負(fù)責(zé)的。在該系統(tǒng)中，微控制器主要使用的是TI公司的DSP處理器TMS320F206，以太網(wǎng)控制芯片主要使用的是RTL8019AS。

跳線模式、RT模式和PnP模式是RTL8019AS主要的接口模式，其中跳線模式是該系統(tǒng)主要使用的，向高電平直接連接JP，向低電平中連接IOS0-IOS3，300H為設(shè)置的I/O基地址，與ISA總線兼容是RTL8019AS總線接口所具備的特征之一，所以其可以直接連接DSP。

2.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件

2.2.1 CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)模型

CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)模型主要包括兩個(gè)通信協(xié)議和完全不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，主要工作是接收封裝的信息傳輸格式，在這樣的情況下，網(wǎng)絡(luò)需要在開放系統(tǒng)互聯(lián)OSI的幾個(gè)層次上運(yùn)行。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織為了實(shí)現(xiàn)開放體系系統(tǒng)互聯(lián)的目標(biāo)而建立的模型就是OSI，其主要目的是將共同的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)框架提供給異種計(jì)算機(jī)進(jìn)行互聯(lián)是。應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈接層和物理層是OSI從上到下的層數(shù)情況，但是以太網(wǎng)和CAN模型只是支持OSI定義的7層結(jié)構(gòu)中的某些層。對(duì)于OSI模型中的會(huì)話層和表示層，以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型中并沒有與此相對(duì)應(yīng)的層次，而且其定義的數(shù)據(jù)鏈層也區(qū)別于OSI模型中所定義的，其主要是由兩個(gè)子層構(gòu)成，即擴(kuò)邏輯鏈路控制和介質(zhì)訪問控制，其中封裝和拆裝數(shù)據(jù)是邏輯鏈路控制的主要功能，對(duì)訪問的傳輸介質(zhì)進(jìn)行控制是介質(zhì)訪問控制的主要功能。從標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線方面來說，其只是對(duì)OSI模型中的最低兩層進(jìn)行支持，其總線的數(shù)據(jù)鏈路層與以太網(wǎng)相同，但是CAN總線中對(duì)于應(yīng)用層并沒有定義，對(duì)于應(yīng)用層中的協(xié)議需要自己定義。從網(wǎng)關(guān)方面來說，其需要具備以下幾點(diǎn)功能：一是能夠讀取和發(fā)送以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)上的數(shù)據(jù)，因此以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)絡(luò)模型的網(wǎng)絡(luò)層次是必須具備的；二是其需要重新封裝以太網(wǎng)和CAN數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用層需要對(duì)管理協(xié)議進(jìn)行定義。

2.2.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換過程

操作軟件的流程如下所示：當(dāng)連接在CAN總線上的設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)以后，數(shù)據(jù)首先會(huì)被發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，這是通過CAN接口電路實(shí)現(xiàn)的，之后通過對(duì)應(yīng)用層中對(duì)應(yīng)層序的合理應(yīng)用，及時(shí)提取需要傳送的數(shù)據(jù)，然后在TCP和IP層所需要的信息中添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)。經(jīng)過封裝的數(shù)據(jù)被DSP處理器發(fā)送到以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS，由于RTL8019AS是實(shí)現(xiàn)物理層和邏輯鏈路層的主要基礎(chǔ)，因此RTL8019AS會(huì)自動(dòng)添加以太網(wǎng)物理層和邏輯鏈路層需要的相關(guān)信息，之后再傳送到以太網(wǎng)上，這個(gè)過程主要是通過物理接口實(shí)現(xiàn)的，這時(shí)通過網(wǎng)卡可以接收CAN總線設(shè)備傳遞過來的信息。反之，當(dāng)監(jiān)控中心將控制信息發(fā)送到總線上時(shí)，其會(huì)先向控制器RTL8019AS發(fā)送數(shù)據(jù)，TMS320F206接收數(shù)據(jù)以后，會(huì)及時(shí)提取實(shí)際要傳送的數(shù)據(jù)取，之后進(jìn)行封裝，使其與CAN總線數(shù)據(jù)格式相符合，最后通過CAN總線向網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)。在這個(gè)過程中，CAN以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)協(xié)議可以通過開源實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)來完成，也可以通過可裁減的1wIP來實(shí)現(xiàn)，從而不僅可以為系統(tǒng)的高實(shí)效性提供保障，同時(shí)可以有效提升網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的靈活性。另外，通過對(duì)擴(kuò)展幀報(bào)文符進(jìn)行重新定義，可以使CAN應(yīng)用層協(xié)議得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將提出的轉(zhuǎn)換協(xié)議根據(jù)地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)維護(hù)協(xié)議轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)連接的目標(biāo)。

3 結(jié) 語(yǔ)

共存工業(yè)以太網(wǎng)與CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的方案，不僅具有成本低和快捷的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有較高的可靠性，而且該方案能夠充分發(fā)揮工業(yè)以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)，可以更好地實(shí)現(xiàn)列車通信網(wǎng)絡(luò)連接的目標(biāo)。在研究中發(fā)現(xiàn)，這種方案不僅大大提升了設(shè)備底層通信中的靈活性、可靠性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)可以滿足列車總線對(duì)大容量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)男枨?，還具有非常方便的組網(wǎng)，同時(shí)也非常容易實(shí)現(xiàn)與地面以太網(wǎng)的連接，所以在實(shí)際工作中應(yīng)該廣泛應(yīng)用該方案。

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