TCN-CAN 通信測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

趙 科

（大連交通大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，大連116028）

隨著列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的快速發(fā)展，用戶對(duì)總線靈活性、開(kāi)放性以及實(shí)用多樣性等方面提出了更高要求。 因此，需要引入具有不同特點(diǎn)的列車現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)， 以實(shí)現(xiàn)不同總線間的數(shù)據(jù)交換和傳輸。國(guó)內(nèi)外TCN 總線技術(shù)雖已成熟，但由于國(guó)外廠商占據(jù)了大部分TCN 設(shè)備市場(chǎng)， 使得國(guó)內(nèi)TCN 總線的使用成本很高[1]；國(guó)內(nèi)較多研發(fā)使用CAN 總線的列車車載設(shè)備，且考慮到CAN 總線技術(shù)的研究較成熟，CAN 總線設(shè)備的成本遠(yuǎn)低于TCN 設(shè)備， 在實(shí)際應(yīng)用中可以將CAN 總線設(shè)備接入車輛總線，因此產(chǎn)生TCN 與CAN 數(shù)據(jù)交換的問(wèn)題[2]。 在此背景下，提出對(duì)TCN-CAN 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試的研究就尤為重要[3]。TCN 網(wǎng)絡(luò)主要用于列車通信，在列車運(yùn)行時(shí)，能夠高速的傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，但TCN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本較高且適用范圍有一定的局限性，而CAN 總線的設(shè)備成本相對(duì)較低，并且由于其適用范圍廣，可靠性高和實(shí)用性好等特點(diǎn)，在鐵路上得到了很廣泛的應(yīng)用。 通過(guò)深入分析TCN 總線和CAN 總線相關(guān)理論知識(shí)，順應(yīng)TCN 與CAN 技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)， 為其他總線網(wǎng)絡(luò)與TCN 網(wǎng)絡(luò)間通信原理研究提供理論基礎(chǔ)。本文旨在解決列車實(shí)際運(yùn)行中TCN 網(wǎng)絡(luò)和CAN 網(wǎng)絡(luò)間往來(lái)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題， 為通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中TCN 與CAN 總線技術(shù)的進(jìn)一步研究提供可靠參考，對(duì)我國(guó)軌道列車中總線網(wǎng)絡(luò)使用的多樣性與廣泛性起到促進(jìn)作用。 一定程度上為推動(dòng)國(guó)內(nèi)列控技術(shù)的發(fā)展提供動(dòng)力，也為多種列車總線通信產(chǎn)品聯(lián)合運(yùn)作增加可能性。TCN-CAN 網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為我國(guó)列車通信設(shè)備開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持，推動(dòng)我國(guó)列車通信總線的多元化發(fā)展。 列車TCN 與CAN 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的研究，在理論分析和實(shí)際應(yīng)用上均具有深遠(yuǎn)意義。

1 通信測(cè)試平臺(tái)硬件

1.1 測(cè)試平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

TCN-CAN 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)就是將TCN 通信網(wǎng)絡(luò)和CAN 通信網(wǎng)絡(luò)直接通過(guò)VCU（中央控制單元）對(duì)這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，TCN-CAN 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 該測(cè)試平臺(tái)包括TCN 通信和CAN 通信兩部分。 采用裝有CANopen主站板卡和從站板卡的工控機(jī)搭建CAN 通信測(cè)試平臺(tái)；利用司控臺(tái)、中央控制單元、遠(yuǎn)程I/O 模塊、司機(jī)顯示單元和網(wǎng)關(guān)來(lái)搭建TCN 通信測(cè)試平臺(tái)。TCN-CAN 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)TCN 總線數(shù)據(jù)與CAN 總線數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。 機(jī)架1 和機(jī)架2 分別模擬列車的兩組動(dòng)力單元， 各自均采用MVB 車輛總線通信； 兩動(dòng)力單元之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)WTB 列車總線與MVB 車輛總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。機(jī)架3 和機(jī)架4 模擬列車上的CAN 設(shè)備， 機(jī)架3 代表CAN 主控設(shè)備， 通過(guò)VCU 與車輛的MVB 數(shù)據(jù)進(jìn)行交互； 機(jī)架4 代表普通CAN 設(shè)備或待測(cè)的已開(kāi)發(fā)CAN 設(shè)備，通過(guò)CANopen 協(xié)議與CAN 主設(shè)備通信。

1.2 TCN 通信網(wǎng)絡(luò)

在TCN 通信網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)操作司控臺(tái)發(fā)出相關(guān)操作命令， 通過(guò)遠(yuǎn)程I/O 模塊進(jìn)行信息采集后并送到MVB 總線上，VCU 對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理，發(fā)送給司機(jī)顯示單元顯示列車相關(guān)信息，同時(shí)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)后，利用過(guò)程數(shù)據(jù)編組配成對(duì)應(yīng)的報(bào)文出境至WTB 總線， 再?gòu)乃蘧W(wǎng)關(guān)形成入境包至相應(yīng)的MVB 總線上[4]。

圖1 TCN-CAN 通信測(cè)試平臺(tái)拓?fù)銯ig.1 Communication test platform topology of TCN-CAN

1.2.1 司控臺(tái)

司控臺(tái)是司機(jī)與MVB 系統(tǒng)對(duì)話的操作平臺(tái)，主要包含司機(jī)操作控制列車運(yùn)行的開(kāi)關(guān)、 按鈕等；提供列車運(yùn)行狀態(tài)的儀表、指示燈、蜂鳴報(bào)警器等；提示相關(guān)操作動(dòng)作的司機(jī)室顯示單元等。

1.2.2 遠(yuǎn)程I/O

列車遠(yuǎn)程I/O 是高度靈活的遠(yuǎn)程輸入輸出模塊化控制單元， 能夠通過(guò)硬線采集數(shù)字量和模擬量，在列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中有著很重要的地位。 遠(yuǎn)程I/O 模塊一般作用于中央控制單元與列車上的其他設(shè)備之間， 實(shí)現(xiàn)中央控制單元與其他設(shè)備通信的功能。當(dāng)其他設(shè)備發(fā)出信號(hào)時(shí)，遠(yuǎn)程I/O 模塊能夠通過(guò)硬線對(duì)第三方設(shè)備內(nèi)部的寄存器信號(hào)進(jìn)行采集，將采集到的信號(hào)直接發(fā)送到中央控制單元，中央控制單元通過(guò)軟件設(shè)計(jì)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的邏輯處理，邏輯處理完成后，總線上的其他設(shè)備將接收到新的控制信號(hào)進(jìn)行后續(xù)操作。 I/O 系統(tǒng)由中繼模塊、控制單元、背板和不同類型的I/O 模塊組成。本文測(cè)試平臺(tái)采用了16 路數(shù)字量輸入單元（DI）以及8 路的模擬量輸入單元（AI）。

1.2.3 中央控制單元

本平臺(tái)中央控制單元（VCU）采用捷克UniControls 公司的產(chǎn)品，該VCU 采用嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，具有高速計(jì)算性能，可以高速有效的執(zhí)行控制算法。 VCU 具有豐富的接口單元，包括MVB、CAN、RS232、RS485、RS422 等接口。具有專用微控制器進(jìn)行通信的協(xié)議棧，增強(qiáng)了冗余設(shè)計(jì)的可行性及有效性，具有2 個(gè)10/100 Mbit 的高速以太網(wǎng)接口。 中央控制單元機(jī)箱由雙冗余的CPU 模塊、 冗余控制模塊、電源模塊和背板五個(gè)部分組成[5]。

CPU 模塊采用低功耗MPC5200 嵌入式處理器，主頻達(dá)到396 MHz，在惡劣工作環(huán)境下處理速度可達(dá)760 MIPS， 配置256 MB 同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和1 Mb 的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器，能夠同時(shí)處理復(fù)雜邏輯運(yùn)算的關(guān)鍵任務(wù)，還有指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器管理單元，具有臨界中斷的能力[6]。 冗余控制模塊用于熱切換備用CPU 模塊，當(dāng)冗余模塊通過(guò)看門狗信號(hào)監(jiān)測(cè)到主CPU 發(fā)生故障， 會(huì)切換備用CPU 模塊代替主CPU 工作。 電源模塊提供兩路獨(dú)立的穩(wěn)壓電源，可以輸出24DC、48DC、72DC、110DC 滿足不同的設(shè)備需要。 背板模塊不僅可以固定和連接其他各模塊通信外，還可以起到物理屏蔽的作用，有效地減小共模干擾。

1.2.4 UIC 網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)不同總線網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，該平臺(tái)采用符合UIC556 標(biāo)準(zhǔn)的捷克UniControls 公司生產(chǎn)的UIC 網(wǎng)關(guān)， 實(shí)現(xiàn)列車級(jí)總線WTB 消息數(shù)據(jù)的傳輸功能。 列車級(jí)WTB 總線與車輛級(jí)MVB 總線之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)消息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸。 由于在MPC5200＠396 MHz 主處理器以及WTB 和MVB 通信接口的支持下，UIC 網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)MVB 總線與WTB 總線之間信息的傳輸過(guò)程中的路由選擇功能。與此同時(shí)，PC 機(jī)能夠通過(guò)UIC 網(wǎng)關(guān)同樣配備最大傳輸速率為115200 b/s 的RS-232 接口，利用相應(yīng)的軟件對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置[7-8]。 本平臺(tái)采用冗余配置的網(wǎng)關(guān)單元，安裝在同一機(jī)箱內(nèi)的2 個(gè)網(wǎng)關(guān)通過(guò)冗余控制單元進(jìn)行冗余切換，默認(rèn)情況下一網(wǎng)關(guān)處于激活狀態(tài)，另一網(wǎng)關(guān)處于熱備份狀態(tài)，最大程度提高了列車通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。

1.2.5 司機(jī)顯示單元

司機(jī)顯示單元采用Unicontrol 公司的DISPL-Q顯示屏，該顯示屏為10.4 寸的觸摸顯示屏，可以實(shí)現(xiàn)多國(guó)語(yǔ)言切換和亮度調(diào)節(jié)等功能， 支持MVB 接口、CAN 接口、RS485/232/422 接口和以太網(wǎng)接口[9]。顯示屏硬件主要由400 Mhz MPC5200B 處理器、400 Mhz 圖形處理器、64 MB 圖形存儲(chǔ)器、256 MB 主存儲(chǔ)器、32 MB 閃存和1 GB 微型快擦寫存儲(chǔ)卡組成。通過(guò)在Linux 嵌入式系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，HMI 能夠?qū)崿F(xiàn)密碼設(shè)置、數(shù)據(jù)收發(fā)，列車信息監(jiān)視、故障情況顯示和更改參數(shù)設(shè)置等功能。 顯示屏工作溫度范圍-30 ℃～+70 ℃、電壓范圍DC24～110 V、功耗20 W～63 W 具有IP54 的正面防護(hù)等級(jí)，非常適合列車的惡劣工作環(huán)境。

1.3 CAN 通信網(wǎng)絡(luò)

CANopen 主站支持SDO 客戶端[10]，能夠收發(fā)周期和非周期PDO，最多可以支持32 個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)4 個(gè)RPDO 通信和4 個(gè)TPDO 通信。CANopen 主站板卡主要由ARM7 CPU、存儲(chǔ)器、CAN收發(fā)器、串口收發(fā)器和PCI 總線橋接芯片構(gòu)成。CPU采用ARM Cortex-M 系列的16 位/32 位微處理器LPC2378FBD144 芯片，具有512 kb 高速閃存空間、支持以太網(wǎng)鏈路層通信、支持CAN 鏈路層通信；主控CPU 集成CAN 鏈路層數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，采用CTM8251T 芯片擴(kuò)展CAN 的收發(fā)器和隔離模塊，該芯片采用全灌封工藝技術(shù)使芯片內(nèi)部的收發(fā)和電氣隔離電路提高抗電能力，提高芯片使用壽命。 該接口芯片完全符合ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率達(dá)到1 Mbit/s，可以至少連接110 個(gè)節(jié)點(diǎn)[11]。 CANopen 主站板卡串口收發(fā)器選用SP3232EE 芯片， 該芯片滿足EIA/TIA-232 和V.28 和V.24 通信協(xié)議。PCI 橋接芯片低成本、低功耗、高性能PCI9052 總線接口芯片，通過(guò)該芯片可以使多種局部總線快速轉(zhuǎn)換到PCI總線上，通過(guò)工控機(jī)PCI 接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)。

2 測(cè)試平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

關(guān)于TCN 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)、CAN 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)及TCN-CAN 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的程序流程圖如圖2 所示。在TCN 總線中，通過(guò)軟件CSS 配置網(wǎng)關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)MVB 協(xié)議與WTB 協(xié)議之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；HMI 軟件程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)圖像化顯示。 在CAN 通信網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)在工控機(jī)上編寫QT 上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)CANopen 主站板卡和從站板卡的通信， 實(shí)現(xiàn)與VCU 的CANopen 通信。 由于篇幅所限，以上三部分程序設(shè)計(jì)不再贅述。

TCN-CAN 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信流程如下：

圖2 TCN-CAN 數(shù)據(jù)通信流程圖Fig.2 Data communication flow chart of TCN-CAN

（1）通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒裈CN-CAN 網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)設(shè)備連接起來(lái)， 實(shí)現(xiàn)TCN-CAN 網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備之間的通信。 具體操作為：在MVB 總線上，將VCU 與HMI 和I/O 單元等設(shè)備連在一起，在CANopen 總線上將VCU 與CANopen 主站板卡連在一起。

（2）通過(guò)Unicap 軟件對(duì)實(shí)體I/O 系統(tǒng)設(shè)置遠(yuǎn)程I/O 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（3）根據(jù)數(shù)據(jù)流分配I/O 信號(hào)，通過(guò)MVB 接收塊將數(shù)據(jù)接收到MVB 總線上， 在接收到司控臺(tái)發(fā)出相應(yīng)信號(hào)的同時(shí)，VCU 可以將此信號(hào)通過(guò)MVB總線發(fā)送給HMI 進(jìn)行顯示。

（4）通過(guò)VCU 的CANopen 發(fā)生模塊實(shí)現(xiàn)MVBCANopen 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)發(fā)。 例如VCU 通過(guò)TPDO模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，并設(shè)置COB-ID，利用CANopen 主站板卡的上位機(jī)程序監(jiān)視VCU 發(fā)送的TPDO 數(shù)據(jù)；接下來(lái)設(shè)計(jì)RPDO 模塊，接收CANopen 主站板卡發(fā)送給VCU 的RPDO 數(shù)據(jù)，設(shè)置COB-ID、刷新時(shí)間等，通過(guò)監(jiān)視模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)視。

（5）初始化CANopen 主站，添加從站并啟動(dòng)CANopen協(xié)議棧，CAN 數(shù)據(jù)收發(fā)并上位機(jī)程序顯示。

3 平臺(tái)通信測(cè)試

VCU 到CAN 設(shè)備的通信測(cè)試?yán)蹋篊AN 通信網(wǎng)絡(luò)接收到MVB 數(shù)據(jù)如圖3 所示， 通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，當(dāng)發(fā)送司機(jī)室激活信號(hào)時(shí)第一字節(jié)的第一位發(fā)生跳變，數(shù)據(jù)為“0000 0001”；當(dāng)在司機(jī)室激活時(shí)發(fā)送門開(kāi)信號(hào)，第一字節(jié)的第一位和第二位發(fā)生跳變，數(shù)據(jù)為“0000 0011”；當(dāng)在司機(jī)室激活時(shí)發(fā)送空調(diào)制暖信號(hào)，第一字節(jié)的第一位和第三位發(fā)生跳變，數(shù)據(jù)為“0000 0101”。 通過(guò)圖3 可以看出，CAN網(wǎng)絡(luò)接收到數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)分別為“01”，“03”和“05”，上位機(jī)顯示接收的數(shù)據(jù)正確。

圖3 CAN 通信網(wǎng)絡(luò)接收到MVB 數(shù)據(jù)Fig.3 CAN network receives MVB data

CANopen 主站到VCU 的通信測(cè)試?yán)蹋篊ANopen 主站板卡作為主站通過(guò)PDO 向從站VCU發(fā)送0～255 的循環(huán)數(shù)據(jù)， 通過(guò)Unicap 軟件對(duì)VCU程序進(jìn)行在線監(jiān)視。 TCN 通信網(wǎng)絡(luò)接收到CAN 數(shù)據(jù)如圖4 所示，VCU 的RPDO 模塊接收到CANopen主站板卡發(fā)送的PDO 數(shù)據(jù)為“135”， 驗(yàn)證了TCNCAN 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試平臺(tái)能可靠地實(shí)現(xiàn)CAN 數(shù)據(jù)向TCN 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

通過(guò)雙向測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了TCN-CAN 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)的正確性，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖4 TCN 通信網(wǎng)絡(luò)接收到CAN 數(shù)據(jù)Fig.4 TCN network receives CAN data

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)TCN-CAN 通信測(cè)試平臺(tái)，用于TCN數(shù)據(jù)和CAN 數(shù)據(jù)的雙向通信，并分別進(jìn)行了TCN 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試、CAN 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試和TCN-CAN 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試。 測(cè)試結(jié)果表明該平臺(tái)可以實(shí)時(shí)、 可靠地完成數(shù)據(jù)通信和轉(zhuǎn)換， 解決了在列車通信異構(gòu)組網(wǎng)中TCN 數(shù)據(jù)和CAN 數(shù)據(jù)的通信問(wèn)題， 也推動(dòng)了國(guó)內(nèi)對(duì)具有CAN接口的列車車載設(shè)備開(kāi)發(fā)進(jìn)程。