王銘 張姣姣

摘要

隨著機(jī)車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用的逐漸深入，機(jī)車內(nèi)部各控制單元間結(jié)點(diǎn)數(shù)不斷增加，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也越來越大，特別是顯示數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和維護(hù)數(shù)據(jù)等的通信數(shù)據(jù)的不斷完善，機(jī)車網(wǎng)絡(luò)的占用率越來越高，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷越來越大，影響機(jī)車通信的效率。機(jī)車實(shí)時(shí)以太網(wǎng)（TRDP）技術(shù)有效地解決了以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性問題，推動(dòng)了以太網(wǎng)在機(jī)車上的使用。本文介紹一種終端設(shè)備的TRDP的軟件實(shí)現(xiàn)方式及其性能測試。

【關(guān)鍵詞】機(jī)車以太網(wǎng) TRDP 性能測試

目前比較成熟的機(jī)車總線有MVB、WTB和CAN等。但是這些總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量有限，隨著動(dòng)車高鐵的快速發(fā)展，機(jī)車傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也日益增長，這些總線漸漸難以滿足大數(shù)據(jù)量的通信。而機(jī)車實(shí)時(shí)以太網(wǎng)具有傳輸速率高、傳輸數(shù)據(jù)量大、組網(wǎng)靈活、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被IEC組織納入TCN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系。

1 網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)

IEC61375-1中介紹的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括線形、環(huán)形和梯形。為了滿足機(jī)車網(wǎng)絡(luò)的冗余需要，對于一個(gè)終端設(shè)備來講，可以配置兩個(gè)以太網(wǎng)接口，分別連接到兩個(gè)交換機(jī)上構(gòu)成互為冗余的通信鏈路。這種連接方式在IEC標(biāo)準(zhǔn)中被稱為“雙回歸網(wǎng)絡(luò)”。

接入ECN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備可以是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以是終端設(shè)備，也可以是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要建立ECN網(wǎng)絡(luò)的連接，比如交換機(jī)，終端設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)機(jī)車上的控制及反饋，比如機(jī)車控制單元。本文實(shí)現(xiàn)一種機(jī)車終端設(shè)備的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信。

2 過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸模式

使用TRDP傳輸?shù)臋C(jī)車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有速度快，容量大、兼容性好等特性。TRDP的執(zhí)行是在TRDP底層，TCP/UDP上層。

TRDP包括過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、監(jiān)視數(shù)據(jù)、流媒體數(shù)據(jù)等。目前機(jī)車上多使用過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)。

過程數(shù)據(jù)主要是用來傳輸控制數(shù)據(jù)、監(jiān)視數(shù)據(jù)等與機(jī)車控制有關(guān)的數(shù)據(jù)，由各個(gè)設(shè)備周期性發(fā)送，支持最大的幀長度為1432個(gè)字節(jié)。過程數(shù)據(jù)支持推（push）和拉（pull）通信模式。推模式為不需要應(yīng)答的數(shù)據(jù)發(fā)送，即發(fā)布者周期性將數(shù)據(jù)發(fā)送給一個(gè)或多個(gè)訂閱者，訂閱者不需要應(yīng)答。拉模式為發(fā)布者周期性將數(shù)據(jù)發(fā)送給一個(gè)或多個(gè)訂閱者，訂閱者需要應(yīng)答。本文采用推模式的UDP組播實(shí)現(xiàn)。

消息數(shù)據(jù)主要用來傳輸故障診斷、日志記錄等非控制數(shù)據(jù)，采用觸發(fā)的方式傳輸。過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)都可由UDP協(xié)議傳輸，也可以由TCP協(xié)議傳輸。消息數(shù)據(jù)定義了呼叫者和應(yīng)答著之間的數(shù)據(jù)傳輸。本文實(shí)現(xiàn)的是“不需要確認(rèn)的請求”和“需要確認(rèn)的請求，不需要確認(rèn)的應(yīng)答”的UDP單播，即呼叫者發(fā)送通知（notification）和呼叫者發(fā)送請求（request），應(yīng)答者發(fā)送應(yīng)答（reply）。

3 軟硬件平臺(tái)

TRDP協(xié)議棧是為保證在機(jī)車網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性而設(shè)計(jì)的，根據(jù)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式和響應(yīng)速度可以分為三類：

（1）應(yīng)用層實(shí)時(shí)：采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的硬件及標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，僅在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性。

（2）軟實(shí)時(shí)：采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件，在軟件上修改部分鏈路層協(xié)議，在傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層上增加實(shí)時(shí)協(xié)議。

（3）硬實(shí)時(shí)：采用專門的以太網(wǎng)硬件，在軟件上修改部分鏈路層協(xié)議，在傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層上增加實(shí)時(shí)協(xié)議。

本文使用的TRDP協(xié)議棧為應(yīng)用層實(shí)時(shí)，位于OSI參考模型的應(yīng)用層。這種方法不用變動(dòng)以太網(wǎng)傳輸層及以下各層的軟硬件，具有實(shí)現(xiàn)方便，兼容性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是相比硬件實(shí)時(shí)來說，實(shí)時(shí)性較弱。但是根據(jù)機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制的特性，整車邏輯控制速度較慢，機(jī)車網(wǎng)絡(luò)一般不會(huì)較大，因此應(yīng)用層實(shí)時(shí)也可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。TRDP協(xié)議棧模型如圖1所示。

本文使用的TREP協(xié)議棧根據(jù)TCNOpen開源代碼和文檔進(jìn)行設(shè)計(jì)的TRDP協(xié)議位于OSI應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)機(jī)車網(wǎng)絡(luò)內(nèi)終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。TRDP協(xié)議棧的軟件架構(gòu)如圖2所示。

TRDP協(xié)議棧默認(rèn)使用17224和17225端口TRDP過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的UDP通信端口。過程數(shù)據(jù)報(bào)文格式如圖3。

消息數(shù)據(jù)報(bào)文格式如圖4。

本文是在Linux系統(tǒng)下用e語言開發(fā)的，Linux底層要求雙網(wǎng)口設(shè)置，需要內(nèi)部設(shè)置為百兆、自協(xié)商，外部網(wǎng)卡設(shè)置為百兆、強(qiáng)制全雙工。

4 性能測試

被試設(shè)備端口1的IP設(shè)為10.1.1.216，組播地址為230.194.0.214：端口2的IP設(shè)為10.2.1.216，組播地址為239.195.0.214。陪試設(shè)備端口1的IP設(shè)為10.1.1.201，組播地址為239.194.0.217：端口2的IP設(shè)為10.2.1.201，組播地址為239.195.0.217。連接方式如圖5所示。

（1）根據(jù)IEC62175-2-3-2015進(jìn)個(gè)TRDP消息數(shù)據(jù)ECHO單播測試。測試結(jié)果如圖6所示。

（2）根據(jù)IEC61375-2-3-2015進(jìn)行TRDP消息數(shù)據(jù)反向ECHO單播測試。測試結(jié)果如圖7所示。

（3）過程數(shù)據(jù)。被試設(shè)備COMID為19821，周期為30ms。組播數(shù)據(jù)通信如圖8所不

（4）TRDP性能測試。被試設(shè)備的COMID和周期如表1、表2所示，測試樣本數(shù)約50萬。

5 小結(jié)

隨著機(jī)車網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必將成為機(jī)車網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。機(jī)車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換技術(shù)是整個(gè)機(jī)車網(wǎng)絡(luò)通信的核心技術(shù)。

本文針對ECN網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備，利用TRDP協(xié)議棧軟件，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車ECN網(wǎng)絡(luò)通信，并測試了TRDP性能。測試證明本文實(shí)現(xiàn)的TRDP通信能夠滿足機(jī)車通信要求

參考文獻(xiàn)

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