CN101022378A - 一种列车通信网络管理方法及装置 - Google Patents

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曹阳
杨卫峰
曾嵘
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一种列车通信网络管理方法及装置，采用分布式列车电子控制系统的网关模块，由一个嵌入式处理器及外围电路构成整个列车通信网络网关模块的核心部分，并扩充设置有现场可编程门阵列、车辆总线板通信接口及列车总线板通信接口等电路。CPU通过运行实时多任务操作系统软件及相关应用程序，能实现多功能车辆总线的总线管理、绞线式列车总线的总线管理、列车通信网络实时协议及TCN网关管理等功能；同时也能实现列车通信网络与以太网间的网关功能，还可适用于列车及车辆的控制、故障诊断与记录功能。

Description

一种列车通信网络管理方法及装置
技术领域
本发明属于一种列车通信网络管理方法及装置，尤其是指一种基于IEC61375-1标准(列车通信网络标准，即TCN)的绞线式列车总线(WTB)与多功能车辆总线(MVB)的总线管理方法及网关功能装置。
背景技术
列车通信网络(TCN)为二层总线的体系结构，它包括开式列车的车辆与车辆间的数据通信及开式列车中一个车辆内的数据通信。TCN推荐开式列车中各车辆间的数据通信总线采用绞线式列车总线(WTB)，车辆内部的数据通信总线采用多功能车辆总线(MVB)。
TCN网关模块(TCN Gateway Module简称GWM)主要适用于MVB总线管理、WTB总线管理、TCN实时协议(RTP)及TCN网关管理等功能，也可适用于列车及车辆的控制、诊断与故障记录功能。
现有TCN网络管理器主要有EKE及Bombardier等公司产品，但EKE的Trairnet网关和Bombardier的Mitrac系列的GW(TCN GateWay)均采用机箱结构。其中EKE GW采用3U机箱，由处理器板(CPU)、电源板(PS)、车辆总线板(MVB)、列车总线板(WTB)及VME(Versa Module Eurocard)背板等插件组成，该系统采用多处理器系统，其中CPU板主要负责网关管理及实时协议，MVB板实现MVB物理层、链路层及链路层接口等功能，WTB板实现MVB物理层、链路层及链路层接口等功能。其中除CPU板带一个处理器外，MVB板和WTB板均带有处理器，使得设计复杂，且数据交换机制、软件设计均复杂，成本增加，且其VME总线及其控制设计复杂，故障率高。Bombardier GW采用6U机箱，由电源板、处理器及车辆总线板(MVB)、列车总线板(WTB)及背板等插件组成，并且使用了很多很难购买的专用芯片。
这样将会产生以下不足之处：(1)系统组成复杂：如EKE的GW，需要由CPU板、MVB板、WTB板、VME背板及电源板等组成。(2)软件设计复杂：其中CPU板、MVB板、WTB板均带有处理器，均需开发相关软件；且三种插件间均需通过VME总线交换数据，加大了软件开发的难度。(3)数据交换实时性差：MVB及WTB总线数据必须经MVB板与WTB板的处理器处理后，经VME总线交换到CPU板，再由CPU进行处理后才能实现网关功能，相对用单CPU实现网关功能多了一道中间环节。(4)成本高  因为采用多处理器及机箱结构，其插件数量太多、处理器及相关电路太多、多处理器间的数据交换均大大增加了元器件数量与种类，故成本太高。(4)体积太大：由于采用机箱结构，体积庞大，重量较重，不便安装，且插件的拆卸也极其困难；因此很有必要对此加以改进。
发明内容
本发明的目的在于针对现有列车通信网络(TCN)网关的不足，提出一种系统设计更为合理、简单，体积结构更为小巧，安装更为方便，处理速度更快，通信功能更强，存储空间大的新型列车通信网络(TCN)网关模块(GWM)。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的，采用分布式列车电子控制系统的网关模块，由一个嵌入式处理器(CPU)及外围电路构成整个GWM的核心部分，并扩充设置有现场可编程门阵列(FPGA)、车辆总线板(MVB)通信接口及列车总线板(WTB)通信接口等电路。CPU通过运行实时多任务操作系统(RTOS)软件及相关应用程序，能实现MVB总线管理、WTB总线管理、TCN实时协议(RTP)及TCN网关管理等功能；同时也能实现列车通信网络(TCN)与以太网间的网关功能，还可适用于列车及车辆的控制、故障诊断与记录功能。其中，所述处理器采用高速32位嵌入式通信处理器，主频为533MHz，以保证GWM强大的通信与数据处理能力；操作系统采用内嵌实时多任务操作系统(RTOS)，以保证软件的可靠性与实时性；编程软件采用满足IEC61131-3标准可编程计算机图形编程语言用户层编程软件(ISaGRAF)，极大地方便应用程序的开发；并实施MVB与WTB的总线管理及网关功能，提供高速数据传输以太网接口。
GWM模块摒弃了传统的采用多处理器的处理方式，同时取消了采用VME交换数据的模式，将MVB与WTB通信处理功能集成在一块插件上，结构上采用分布式电源和独立模块的机械结构，将分布式电源和MVB与WTB电平转换集成在另一块插件上，进一步提高系统的可靠性和性价比，极大地方便现场安装与维护。主要包括：CPU及其外围电路、MVB通信子系统、WTB通信子系统、以太网、FPGA、电源等，完成GWM对外的所有通信、控制、信息记录诊断存储功能。
其中，所述的CPU为Intel公司高速低功耗Xscale核嵌入式网络处理器，其主频高达533MHz，适用于基于网络的控制系统。CPU实时采集MVB、WTB网络数据；实现链路层、网络层、传输层、会话层、表述层、应用层各层协议；实现MVB、WTB总线管理器、实时协议、网关功能。
所述的CPU外围电路包括大容量动态存储器(SDRAM)、大容量闪存(FLASH)、扩展总线接口、LED指示等电路。SDRAM用于为加快程序运算，上电后程序被调入其内运行；大容量FLASH用作程序与故障记录存储空间；扩展总线接口用于扩展MVB、WTB等功能；LED用于指示GWM运行状态，便于对模块的维护起向导作用。
所述的MVB通信子系统硬件为GWM提供与MVB总线的连接通道。它包括MVB协议控制器、1M字节的通信存储器、CPU接口缓冲与控制逻辑以及MVB总线物理层接口，实现MVB5类设备功能。为节省成本及减少对其他公司的依赖，MVB协议控制器功能可由FPGA实现。
所述的WTB通信子系统硬件为GWM提供与WTB总线的连接通道。它采用变压器隔离输出，为减少芯片数量及缩小PCB尺寸，其高速数据链路层控制(HDLC)由FPGA实现而不是采用专用HDLC芯片，这样还可降低成本，提高硬件通用性。
所述的以太网是提供两个10/100M以太网接口，以实现TCN网关到以太网的高速数据传输以满足不断增长大信息量数据传输要求，同时亦可实现程序及故障履历数据的下载。
所述的FPGA是实现CPU与MVB、WTB间的总线仲裁，及实现WTB高速数据链路层协议、WTB信号的曼彻斯特编码解码等功能，亦可实现MVB协议芯片功能，还可实现对NAND FLASH的控制。
所述的电源采用分布式电源，输入电压范围为DC40V～137V，采用开关电源技术以降低损耗，外部电源输入后首先经DC/DC转换为5V后在转换成各种电压等级电源给模块内部电路芯片供电。
此外，软件设计采用模块化分层结构，采用RTOS，应用层软件采用符合IEC61131-3标准的可编程计算机编程语言，可实现用户图形编程，将应用层与底层软件区分开来，便于用户编程。自底向上各软件层次依次为1、设备驱动层，2、操作系统内核，3、用户任务层、4、RAF虚拟机、5、aGRAF应用程序。采用模块化分层结构可以最大限度地简化应用软件的开发，极大地提高应用项目的开发效率。
其中，所述的设备驱动层作为系统软件的最底层，主要为操作系统层和用户任务层提供对硬件设备进行访问的标准驱动接口，从而可简化应用程序的结构；所述的操作系统内核作为GWM软件的核心，负责调度、管理操作系统之上的用户任务。GWM软件系统选用RTOS，以确保软件系统的实时性和可靠性；所述的用户任务层主要包括MVB及WTB链路层任务、MVB及WTB实时协议(RTP)、MVB及WTB网络管理(TNM)、其它应用任务。各用户任务在操作系统的统一调度下，根据用户预先定义的任务优先级完成用户特定的应用功能；所述的ISaGRAF虚拟机作为一种特殊的用户任务，负责对ISaGRAF应用程序(TIC代码)的解释执行、与调试终端的通信以及与其它应用任务的接口；所述的ISaGRAF应用程序作为GWM软件结构的顶层，ISaGRAF应用程序是由支持IEC61131-3标准工业过程控制编程语言的ISaGRAF编程工具开发的目标无关代码(TIC)，TIC代码被ISaGRAF虚拟机解释和执行，并通过ISaGRAF虚拟机提供的API与底层用户任务接口，从而完成特定的用户应用功能。
本发明的优点在于：
1.采用模块化结构，具有体积小，功耗低，成本低，便于安装，抗干扰能力强及可靠性高等优点。有两块PCB板组成，板间通过扁平电缆连接，其中一块实现弱点功能，包括处理器及其外围电路、MVB通信处理、WTB通信处理、以太网通信处理等功能，还实现各种运算及网络管理功能；另一快实现电源变化、MVB物理层接口、WTB物理层接口等功能。
2.实现了以太网与TCN网络的网关功能，建立以太网与TCN网络问实时协议，便于将实现以太网与TCN间的高速数据传输，满足大信息数据流传输要求。
3.采用FPGA实现WTB链路层协议，包括高速数据链路层控制(HDLC)、曼彻斯特编码/解码等功能，取代了HDLC专用控制芯片及接口电路；采用FPGA实现MVB协议控制芯片功能，取代了MVBC及接口电路；减少了芯片数量与PCB尺寸，降低了成本，FPGA还实现MVB、WTB的总线仲裁及链路层控制(如CRC校验、总线监视及转移等)。
4.采用FPGA实现了各种逻辑、总线仲裁、通信协议处理功能，使硬件具有通用性，通过更换不同的FPGA程序及CPU程序即可实现不同的功能，节省了成本，避免了重复开发。
5.因采用高速处理器，可实现TCN及以太网网络管理外的其他功能，如列车控制、故障诊断与记录，还可通过USB、以太网进行故障转储(下载)。
6.采用网络处理器Xsacle产品，主频为533mhz，存储器采用大存储空间的NOR FLASH与NAND FLASH相结合，其中NOR FLASH实现程序存储及故障记录，NAND FLASH实现故障记录，大容量SDRAM，SDRAM总线速度为133MHZ。
附图说明
图1为本发明硬件结构框图；
图2为本发明软件结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的描述。
从附图1可以看出本发明为一种列车通信网络管理系统，采用分布式列车电子控制系统之网关模块，由一个嵌入式处理器(CPU)及外围电路构成整个GWM的核心部分，并扩充了现场可编程门阵列(FPGA)、MVB通信接口及WTB通信接口等电路。CPU通过运行实时多任务操作系统(RTOS)软件及相关应用程序，能实现MVB总线管理、WTB总线管理、TCN实时协议(RTP)及TCN网关管理等功能；同时也能实现TCN与以太网间的网关功能，还可适用于列车及车辆的控制、故障诊断与记录功能。其中，所述处理器采用Intel32位高速嵌入式网络处理器(IXP425)，主频为533MHz，以保证GWM强大的通信与数据处理能力；操作系统采用VxWorks实时多任务操作系统，以保证软件的可靠性与实时性；编程软件采用满足IEC61131-3标准可编程计算机图形编程语言用户层编程软件(ISaGRAF)，极大地方便应用程序的开发；并实施MVB与WTB的总线管理及网关功能，提供高速数据传输以太网接口。
GWM模块摒弃了传统的采用多处理器的处理方式，同时取消了采用VME交换数据的模式，将MVB与WTB通信处理功能集成在一块插件上，结构上采用分布式电源和独立模块的机械结构，将分布式电源和MVB与WTB电平转换集成在另一块插件上，进一步提高系统的可靠性和性价比，极大地方便现场安装与维护。主要包括：CPU及其外围电路、MVB通信子系统、WTB通信子系统、以太网、FPGA、电源等，完成GWM对外的所有通信、控制、信息记录诊断存储功能。
其中，所述的CPU为Intel公司高速低功耗Xscale核嵌入式网络处理器IXP425，其主频最高可达533MHz，适用于基于网络的控制系统。CPU实时采集MVB、WTB网络数据；实现链路层、网络层、传输层、会话层、表述层、应用层各层协议；实现MVB、WTB总线管理器、实时协议、网关功能。
所述的CPU外围电路包括动态存储器(SDRAM)、闪存(FLASH)、扩展总线接口、LED指示、电源监视、上电复位、RTC实时时钟等电路。SDRAM用于为加快程序运算，上电后程序被调入其内运行，采用了大容量SDRAM，为64M/128M字节可选；为便于实现大容量程序存储及故障及履历存储功能，采用了大容量程序与数据存储器FLASH，包括32M字节NOR FLASH程序存储器，256M字节NAND FLASH故障数据存储器；扩展总线接口用于扩展MVB、WTB等功能；LED用于指示TCN网关模块运行状态，包括WTB状态指示、MVB状态指示、CPU运行状态指示及软件状态指示等，便于对模块的维护起向导作用。当出现紧急情况时还可通过继电器输出保护。
所述的MVB通信子系统硬件为GWM提供与MVB总线的连接通道。它包括MVB协议控制器、1M字节的通信存储器、CPU接口缓冲与控制逻辑以及MVB总线物理层接口，实现MVB 5类设备功能。为节省成本及减少对其他公司的依赖，MVB协议控制器功能可由FPGA实现。
所述的WTB通信子系统硬件为GWM提供与WTB总线的连接通道。它采用变压器隔离输出，为减少芯片数量及缩小PCB尺寸，其高速数据链路层控制(HDLC)由FPGA实现而不是采用专用HDLC芯片，这样还可降低成本，提高硬件通用性。
所述的以太网是提供两个10/100M以太网接口，以实现TCN网关到以太网的高速数据传输以满足不断增长大信息量数据传输要求，同时亦可实现程序及故障履历数据的下载。
所述的FPGA实现CPU与MVB、WTB间的总线仲裁，及实现WTB高速数据链路层协议、WTB信号的曼彻斯特编码/解码等功能，亦实现MVB协议芯片功能，还可实现对NAND FLASH的控制。
所述的电源采用分布式电源，输入电压范围为DC40V～137V，采用开关电源技术以降低损耗，外部电源输入后首先经DC/DC转换为5V后在转换成各种电压等级电源给模块内部电路芯片供电。
此外，软件设计采用模块化分层结构，采用RTOS，应用层软件采用符合IEC61131-3标准的可编程计算机编程语言，可实现用户图形编程，将应用层与底层软件区分开来，便于用户编程。自底向上各软件层次依次为1、设备驱动层；2、操作系统内核；3、用户任务层；4、ISaGRAF虚拟机；5、ISaGRAF应用程序。采用模块化分层结构可以最大限度地简化应用软件的开发，极大地提高应用项目的开发效率；
其中，所述的设备驱动层作为系统软件的最底层，主要为操作系统层和用户任务层提供对硬件设备进行访问的标准驱动接口，从而可简化应用程序的结构；
所述的操作系统内核作为GWM软件的核心，负责调度、管理操作系统之上的用户任务。GWM软件系统选用RTOS，以确保软件系统的实时性和可靠性；
所述的用户任务层主要包括1、MVB及WTB链路层任务；2、MVB及WTB链路层数据经链路层接口(LLI)传送到网络层；3、实时协议(RTP)：对过程数据则直接传送到过程数据处理端口进行处理，对消息数据则经过网络层、传输层、会话层、表述层、应用层各层进行处理；4、然后经应用层接口链接各功能函数及传送给MVB及WTB网络管理(TNM)；5、还包括列车的故障诊断、记录等其它应用任务。各用户任务在操作系统的统一调度下，根据用户预先定义的任务优先级完成用户特定的应用功能；
所述的ISaGRAF虚拟机作为一种特殊的用户任务，负责对ISaGRAF应用程序(TIC代码)的解释执行、与调试终端的通信以及与其它应用任务的接口；
所述的ISaGRAF应用程序作为GWM软件结构的顶层，ISaGRAF应用程序是由支持IEC61131-3标准工业过程控制编程语言的ISaGRAF编程工具开发的目标无关代码(TIC)，TIC代码被ISaGRAF虚拟机解释和执行，并通过ISaGRAF虚拟机提供的API与底层用户任务接口，从而完成特定的用户应用功能。

Claims (10)

1、一种列车通信网络管理方法，其特征在于：采用分布式列车电子控制系统之网关模块(GWM)，由一个嵌入式处理器(CPU)及外围电路构成整个网关模块GWM的核心部分，并扩充了FPGA、MVB通信接口及WTB通信接口等电路；其中，所述处理器采用32位高速嵌入式通信处理器，主频为533MHz，以保证GWM强大的通信与数据处理能力；操作系统采用内嵌实时多任务操作系统(RTOS)，以保证软件的可靠性与实时性；编程软件采用满足IEC61131-3标准可编程计算机图形编程语言用户层编程软件(ISaGRAF)；并实现MVB与WTB的总线管理及网关功能，提供高速数据传输以太网接口。
2、如权利要求1所述的列车通信网络管理方法，其特征在于：GWM模块将MVB与WTB通信处理功能集成在一块板内，结构上采用分布式电源和独立模块的机械结构，将分布式电源和MVB与WTB电平转换集成在同一模块的另一块板内。
3、一种实现权利要求1所述列车通信网络管理方法的装置，其特征在于：GWM模块主要包括：CPU及其外围电路、MVB通信子系统、WTB通信子系统、以太网、FPGA、电源。
4、如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的CPU为Intel公司高速低功耗Xscale核嵌入式网络处理器，其主频高达533MHz；CPU实时采集MVB、WTB网络数据；实现链路层、网络层、传输层、会话层、表述层、应用层各层协议；实现MVB、WTB总线管理器、实时协议、网关功能；所述的外围电路包括大容量动态存储器(SDRAM)、大容量闪存(FLASH)、扩展总线接口、LED指示等电路。
5、如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的MVB通信子系统硬件为GWM提供与MVB总线的连接通道；包括MVB协议控制器、1M字节的通信存储器、CPU接口缓冲与控制逻辑以及MVB总线物理层接口，实现MVB5类设备功能。
6、如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的WTB通信子系统硬件为GWM提供与WTB总线的连接通道；采用变压器隔离输出，为减少芯片数量及缩小PCB尺寸，其高速数据链路层控制(HDLC)由FPGA实现；所述的以太网是提供10/100M以太网接口，以实现TCN网关到以太网的高速数据传输以满足不断增长大信息量数据传输要求，同时亦可实现程序及故障履历数据的下载；所述的FPGA是实现CPU与MVB、WTB间的总线仲裁，及实现WTB高速数据链路层协议、WTB信号的曼彻斯特编码/解码、容错处理、校正等功能，亦实现MVB协议控制器功能，还实现对NAND FLASH的控制。
7、如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的电源采用分布式电源，输入电压范围为DC40V-137V，外部电源输入后首先经DC/DC转换为5V后在转换成各种电压等级电源给模块内部电路芯片供电。
8、如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的实时多任务操作系统(RTOS)软件及相关应用程序，采用模块化分层结构，采用RTOS，应用层软件采用符合IEC61131-3标准的可编程计算机编程语言，可实现用户图形编程，将应用层与底层软件区分开来，便于用户编程，自底向上各软件层次依次为设备驱动层、操作系统内核、用户任务层、ISaGRAF虚拟机、ISaGRAF应用程序。
9、如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的设备驱动层作为系统软件的最底层，主要为操作系统层和用户任务层提供对硬件设备进行访问的标准驱动接口，从而可简化应用程序的结构；所述的操作系统内核作为GWM软件的核心，负责调度、管理操作系统之上的用户任务；GWM软件系统选用RTOS，以确保软件系统的实时性和可靠性；所述的用户任务层主要包括MVB及WTB链路层任务、MVB及WTB实时协议(RTP)、MVB及WTB网络管理(TNM)、其它应用任务，各用户任务在操作系统的统一调度下，根据用户预先定义的任务优先级完成用户特定的应用功能。
10、如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的ISaGRAF虚拟机作为一种特殊的用户任务，负责对ISaGRAF应用程序(TIC代码)的解释执行、与调试终端的通信以及与其它应用任务的接口；所述的ISaGRAF应用程序作为GWM软件结构的顶层。
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