杜振環(huán)+石小磊+周達(dá)

摘要：描本文述了一種通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方法，用于實(shí)現(xiàn)CAN總線設(shè)備與車(chē)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(jì)方法，對(duì)網(wǎng)關(guān)的測(cè)試驗(yàn)證進(jìn)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(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.07 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）05-0190-01

IEC定義le 列車(chē)骨干以太網(wǎng)ETB和車(chē)輛以太網(wǎng)ECN作為新一代列車(chē)網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線（Controller Area Network）以其低成本、高可靠性特點(diǎn)，仍被廣泛用于列車(chē)控制器。CAN總線和ECN網(wǎng)絡(luò)采用不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，要實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)傳輸，需要總線轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文描述了ECN網(wǎng)關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法。

1 ECN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

1.1 硬件架構(gòu)

ECN網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)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(guò)以太網(wǎng)物理層收發(fā)器和CAN收發(fā)器連接到現(xiàn)場(chǎng)總線。為了增強(qiáng)ECN可靠性，采用可編程器件FPGA實(shí)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(jì)，自下而上主要由設(shè)備驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)級(jí)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(dòng)負(fù)責(zé)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(kāi)源lwIP實(shí)現(xiàn)了精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)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(shí)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(jì)

FPGA實(shí)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(chē)應(yīng)用管飯的多功能車(chē)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(dāng)信任通道鏈路故障時(shí)，F(xiàn)PGA啟動(dòng)切換到另外的通信通道，從而實(shí)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(cè)試

作為車(chē)載通信設(shè)備，ECN網(wǎng)關(guān)通過(guò)了型式試驗(yàn)、一致性測(cè)試和通信性能測(cè)試。

按照ISO-11898-和IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CAN接口一致性測(cè)試和以太網(wǎng)接口一致性測(cè)試，測(cè)試包括物理層測(cè)試和數(shù)據(jù)鏈路層測(cè)試，具體項(xiàng)目包括幅值測(cè)試、上升時(shí)間、下降時(shí)間測(cè)試、吞吐量測(cè)試、傳輸延時(shí)測(cè)試、丟幀率測(cè)試等。

上行通信測(cè)試：模擬一個(gè)車(chē)載CAN總線終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，對(duì)CAN總線控制器發(fā)送郵箱寫(xiě)入數(shù)據(jù)信息，運(yùn)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(qǐng)求，運(yùn)行CAN服務(wù)線程，將CAN總線上數(shù)據(jù)通過(guò)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(cè)試：在顯示屏終端界面發(fā)送指令數(shù)據(jù)，通過(guò)中央控制單元CCU向網(wǎng)關(guān)發(fā)出UDP服務(wù)請(qǐng)求，ECN網(wǎng)關(guān)響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求后，從ECN以太網(wǎng)讀取數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，進(jìn)入以太網(wǎng)服務(wù)線程，將數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)CAN終端設(shè)備LED燈顯示。

經(jīng)多組數(shù)據(jù)測(cè)量，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間在5毫秒以?xún)?nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了列車(chē)以太網(wǎng)嵌入式ECN網(wǎng)關(guān)，采用該網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了ECN和CAN總線的數(shù)據(jù)交互。測(cè)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(chē)的應(yīng)用需求。

參考文獻(xiàn)

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