CN101399788A - 基于arm7的wtb-can网关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ARM7的WTB－CAN网关，其特征在于包括WTB板卡、CAN板卡、CPU板卡、电源板卡和背板，所述的WTB板卡、CAN板卡和CPU板卡都是通过背板上的背板总线相连接，而电源板卡为WTB板卡、CAN板卡和CPU板卡提供工作电压；所述的WTB板卡负责WTB总线设备的数据采集和传输；所述的CAN板卡负责CAN总线设备的数据采集和控制；所述的CPU板卡负责WTB总线和CAN总线设备数据的中央处理以及生成RS232监控数据流。本网关是一种符合国际标准的TCN网络设备，具有设计新颖、高可靠性等特点，适合在我国铁路行业等领域广泛的应用。

Description

基于ARM7的WTB-CAN网关

技术领域

本发明所述的基于ARM7的WTB-CAN网关涉及计算机通讯网络控制系统。广泛应用于铁路列车、地铁列车和城市轨道交通车辆等实时性要求较高的工业控制领域。

背景技术

随着铁路跨越式发展的需要，CRH5、CRH2、HXD1等列车在国内主干线路上广泛地应用，国外先进的TCN网络控制技术已引入国内。同时我国的电力机车车辆也开始陆续采用TCN技术，即通过TCN网络解决现场所有信号的采集与控制等问题。

IEC61375-1《列车通信网络》(简称TCN标准)，是一项国际标准，也是我国铁路行业标准TB/T3035-2002。TCN标准定义了多功能车辆总线MVB和绞线式列车总线WTB两种形式，是为铁路行业这一特殊应用领域设计的现场总线标准，它制定了一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂、不同厂商的设备能够互联。

CAN总线是公认的最具发展前途的现场总线之一，ISO11898标准是它的国际标准。CAN总线标准遵循ISO/OSI模型，采用了其中的物理层、数据链路层和应用层。CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制系统的串行通信网络，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

目前，由于国内CAN接口列车安全监控系统的服务要求，需要通过CAN接口，将列车运行数据传送到列车安全监控系中，方便于列车行车安全及维护。于是WTB-CAN网关便成为TCN网络控制系统必需的关键设备，使得CAN与WTB网络达到无缝地结合。虽然用产可以直接采购国外的WTB-CAN网关，但是国内还没有应用于机车车辆行业的具有自主知识产权的WTB-CAN网关，所以WTB-CAN网关的研制成功，标志着全部WTB-CAN转换技术已经攻克，填补了国内这一领域的空白，使我国的TCN网络控制技术上了一个新台阶，对于国内铁路机车车辆行业的技术创新具有现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的WTB-CAN网关，主要应用于铁路列车、地铁列车和城市轨道交通行业的WTB网络控制系统中，连接CAN总线接口的网络设备，使之既具有了WTB过程数据功能、消息数据功能和总线管理功能，也具有了CAN链路层管理功能和应用层功能。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于包括WTB板卡、CAN板卡、CPU板卡、电源板卡和背板。所述的WTB板卡、CAN板卡和CPU板卡都是通过背板上的背板总线相连接，而电源板卡为WTB板卡、CAN板卡和CPU板卡提供工作电压；所述的WTB板卡负责WTB总线设备的数据采集和传输；所述的CAN板卡负责CAN设备的数据采集和控制；所述的CPU板卡负责WTB总线和CAN总线设备数据的中央处理及生成用于列车车辆诊断分析的RS232数据流。

所述的WTB板卡包括WTB协议控制电路、FPGA编解码处理器和WTB总线驱动器。所述的设备数据流从背板总线经FPGA编解码处理器允许，传入WTB协议控制电路转化为HDLC格式报文，传送到FPGA编解码处理器生成曼彻斯特信号，再通过WTB总线驱动器进行信号调整，传送到WTB总线上去；所述WTB总线板卡还可以接收WTB车辆总线上的传输数据，经过处理后回传到背板的背板总线上。

所述的CAN板卡包括FPGA逻辑处理器、CAN协议控制器、CAN隔离光耦和CAN总线收发器，所述的设备数据流从背板总线传送到FPGA逻辑处理器中和CAN协议控制器转化为链路报文，通过CAN隔离光耦变成隔离的信号电平，经CAN总线收发器调制成差分信号传送到CAN总线上去；所述CAN总线板卡还可以接收CAN总线上的传输数据，经过处理后回传到背板的背板总线上。

所述的CPU板卡包括中央处理器、电平转换电路和RS232协议控制器，所述的中央处理器分别传送WTB总线和CAN总线数据流，经过背板的背板总线传入WTB总线板卡和CAN总线板卡，同时中央处理器将采集的数据信息生成用于列车车辆诊断分析的数据流，从RS232接口输出。

所述的WTB协议控制电路以查询方式读取WTB过程数据、消息数据或监视数据，转化为HDLC报文格式，传入FPGA编解码处理器中组成曼彻斯特码信号，或者将来自FPGA编解码处理器的曼彻斯特码信号，经过处理解析为标准并行信号数据，传入WTB协议控制电路。

所述的FPGA编解码处理器是将来自WTB协议控制电路的HDLC报文转化为曼彻斯特码信号，送入WTB总线驱动器生成标准差分信号，或者将来自WTB总线驱动器的差分信号，转化为串行数据传送到WTB协议控制电路。

所述的WTB总线驱动器将来自FPGA编解码处理器的曼彻斯特信号转化为标准的差分信号，传到WTB总线上，或者将来自WTB总线上的差分信号转化为FPGA编解码处理器可识别的曼彻斯特信号。

所述的CAN协议控制器是将来自FPGA逻辑处理器的数据流转化为链路报文格式的电平信号，送入CAN隔离光耦，或者将来自CAN隔离光耦的链路报文，转化为标准的数据流传送到FPGA逻辑处理器。

所述的背板总线结构将各种板卡组合成一个整体设备，电源板卡采用模块化设计提供整个试验平台的供电。

与现有技术相比较，本网关解决了专用绞线式列车总线WTB和通用CAN的数据通讯问题，具有设计新颖、高可靠性、高灵活性和成本低廉的特点，在机车车辆行业以及相关领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的WTB板卡结构框图；

图3为本发明的CAN板卡结构框图；

图4为本发明的CPU板卡结构框图；

图5为本发明的CPU板卡中ARM及其外围电路接口电路图；

图6为本发明的CPU板卡中RS232协议控制器的电路连接图；

图7为本发明的WTB总线板卡中WTB协议控制电路的电路连接图；

图8为本发明的CAN板卡板卡中FPGA逻辑处理器、CAN协议控制器和隔离变压器的电路连接图；

图9为本发明的网络拓扑图；

图1为本发明的说明书摘要附图。

图中：1、WTB板卡，2、CAN板卡，3、CPU板卡，4、电源板卡，5、背板，6、WTB协议控制电路，7、FPGA编解码处理器，8、WTB总线驱动器，9、FPGA逻辑处理器，10、CAN协议控制器，11、CAN隔离光耦，12、CAN总线收发器，13、中央处理器，14、电平转换电路，15、RS232协议控制器。

具体实施方式

如图1所示，一种基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于包括WTB板卡1、CAN板卡2、CPU板卡3、电源板卡4和背板5，所述的WTB总线板卡1、CAN板卡2和CPU板卡3通过背板5上的背板总线相连接；所述的电源板卡4安装在背板5上对WTB总线板卡1、CAN板卡2和CPU板卡3进行统一供电；所述的WTB总线板卡1负责采集和控制WTB总线上设备的数据流；所述的CAN板卡2负责采集和控制CAN上设备的数据流；所述的CPU板卡1负责WTB总线和CAN设备数据的中央处理。

如图2所示，WTB总线板卡1包括WTB板卡包括WTB协议控制电路6、FPGA编解码处理器7和WTB总线驱动器8。所述的设备数据流从背板总线经FPGA编解码处理器7允许，传入WTB协议控制电路6转化为HDLC格式报文，传送到FPGA编解码处理器7生成曼彻斯特信号，再通过WTB总线驱动器8进行信号调整，传送到WTB总线上去；所述WTB总线板卡1还可以接收WTB车辆总线上的传输数据，经过处理后回传到背板5的背板总线上。WTB协议控制电路6提供了WTB链路层服务功能，完成了主辅进程管理功能。WTB总线驱动器8提高了总线驱动能力，具有高频干扰信号抑制作用，EMC满足EN50155标准。

如图3所示，CAN板卡2包括FPGA逻辑处理器9、CAN协议控制器10、CAN隔离光耦11和CAN总线收发器12，所述的设备数据流从背板总线传送到FPGA逻辑处理器9中和CAN协议控制器10转化为链路报文，通过CAN隔离光耦11变成隔离的信号电平，经CAN总线收发器12调制成差分信号传送到CAN总线上去；所述CAN总线板卡还可以接收CAN总线上的传输数据，经过处理后回传到背板5的背板总线上。CAN隔离光耦11对数据信号进行了电气隔离，具有抑制电气干扰的作用。CAN总线收发器12提高了总线驱动能力，具有高频干扰信号抑制作用，EMC满足EN50155标准。

如图4所示，CPU总线板卡3包括中央处理器13、电平转换电路14和RS232协议控制器15，所述的中央处理器13分别传送WTB总线和CAN总线数据流，经过背板5的背板总线传入WTB总线板卡1和CAN总线板卡2，同时中央处理器13将采集的数据信息生成用于列车车辆诊断分析的数据流，传入RS232协议控制器15，从DB9接口输出。中央处理器13是ARM7核微处理器，负责程序的处理运行功能。FLASH和SDRAM分别为中央处理器13提供了程序存贮空间和运行空间。电平转换电路14负责3.3V和5V电平信号之间的双向转换。另外，中央处理器13外围还配置电源管理电路、实时时钟和复位电路。

如图5～8所示，其中WTB协议控制电路6包含IS62C1024、Z8S180和Z85230芯片、FPGA编解码处理器7为XCS30XL、FPGA逻辑处理器9为XC2S30、CAN协议控制器10为SJA1000、CAN隔离光耦11为6N137、CAN总线收发器12为PCA82C250、中央处理器13为NET+50、电平转换电路14为SN74LVC16245和RS232协议控制器15为MAX232；中央处理器13为ARM7主控制器是整个系统的核心部分，它由两部分组成：即硬件和软件。硬件的作用主要是负责WTB总线和CAN数据的中央处理及两种总线数据流的交换。软件则完成网络协议栈功能和应用控制功能。WTB协议控制电路6和CAN协议控制器10分别为WTB总线和CAN的核心器件，负责完成链路层功能服务。

WTB-CAN网关中每个板卡与板卡之间的连接为背板总线，该背板总线遵循了标准的外存访问总线，背板总线插座是将上述板卡连接起来的物理结构，它将板卡间的信号安照特殊的要求进行走线和电平匹配，同时提供了整个WTB-CAN网关的110V外电源供电接口。所述的背板设计是根据铁路行业现场电气环境的特点设计的，背板总线信号具有高的可靠性、良好灵活性能和可扩展性能；电源板卡4采用的是模块化设计的方法，使用的核心电源模块为瑞士VACON公司生产电源模块芯片，目的是将+110V电压转换为+5V电源，供给机箱内板卡使用，是一个十分稳定的电源。

由上述四块板卡所构建的WTB-CAN网关，与列车内部CAN网络设备相连接，这样CAN网络设备上的列车信息可以和WTB网络进行数据流的交换。如果列车内需要更多的CAN，那么每个CAN内就需要一套这样的设备。典型系统构架图如图9所示，由WTB总线板卡、CAN板卡以及CPU板卡组成WTB-CAN网关，同时连接WTB网络和CAN。CAN网络还包括带有CAN接口的现场IO设备。IO设备将现场数据交给CAN板卡，生成CAN数据格式报文，然后由CPU板卡和WTB总线板卡传送到WTB总线上的其他设备上。同时反过来也可以将WTB其他设备的数据发送到IO设备。整个系统的数据流如上所述。当然，根据CAN系统的要求还可以带很多其他设备，比如智能显示单元、列车监控单元等。

Claims (8)

1、一种基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于包括WTB板卡(1)、CAN板卡(2)、CPU板卡(3)、电源板卡(4)和背板(5)，所述的WTB板卡(1)、CAN板卡(2)和CPU板卡(3)通过背板(5)上的背板总线相连接；所述的电源板卡(4)安装在背板(5)上对WTB板卡(1)、CAN板卡(2)和CPU板卡(3)进行统一供电；所述的WTB板卡(1)负责采集和控制WTB总线上设备的数据流；所述的CAN板卡(2)负责采集和控制CAN总线上设备的数据流；所述的CPU板卡(1)负责WTB总线和CAN总线设备数据的中央处理。

2、根据权利要求1所述的基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于所述的WTB板卡包括WTB协议控制电路(6)、FPGA编解码处理器(7)和WTB总线驱动器(8)，所述的设备数据流从背板总线经FPGA编解码处理器(7)允许，传入WTB协议控制电路(6)转化为HDLC格式报文，传送到FPGA编解码处理器(7)生成曼彻斯特信号，再通过WTB总线驱动器(8)进行信号调整，传送到WTB总线上去；所述WTB总线板卡(1)还可以接收WTB车辆总线上的传输数据，经过处理后回传到背板(5)的背板总线上。

3、根据权利要求1所述的基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于所述的CAN板卡包括FPGA逻辑处理器(9)、CAN协议控制器(10)、CAN隔离光耦(11)和CAN总线收发器(12)，所述的设备数据流从背板总线传送到FPGA逻辑处理器(9)中和CAN协议控制器(10)转化为链路报文，通过CAN隔离光耦(11)变成隔离的信号电平，经CAN总线收发器(12)调制成差分信号传送到CAN总线上去；所述CAN总线板卡还可以接收CAN总线上的传输数据，经过处理后回传到背板(5)的背板总线上。

4、根据权利要求1所述的基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于所述的CPU板卡包括中央处理器(13)、电平转换电路(14)和RS232协议控制器(15)，所述的中央处理器(13)分别传送WTB总线和CAN总线数据流，经过背板(5)的背板总线传入WTB总线板卡(1)和CAN总线板卡(2)，同时中央处理器(13)将采集的数据信息生成用于列车车辆诊断分析的数据流，经RS232协议控制器(15)从RS232接口输出。

5、根据权利要求2所述的基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于所述的WTB协议控制电路(6)以查询方式读取WTB过程数据、消息数据或监视数据，转化为HDLC报文格式，传入FPGA编解码处理器(7)中组成曼彻斯特码信号，或者将来自FPGA编解码处理器(7)的曼彻斯特码信号，经过处理解析为标准并行信号数据，传入WTB协议控制电路(6)。

6、根据权利要求5所述的基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于所述的FPGA编解码处理器(7)是将来自WTB协议控制电路(6)的HDLC报文转化为曼彻斯特码信号，送入WTB总线驱动器(8)生成标准差分信号，或者将来自WTB总线驱动器(8)的差分信号，转化为串行数据传送到WTB协议控制电路(6)。

7、根据权利要求6所述的基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于所述的WTB总线驱动器(8)将来自FPGA编解码处理器(7)的曼彻斯特信号转化为标准的差分信号，传到WTB总线上，或者将来自WTB总线上的差分信号转化为FPGA编解码处理器(7)可识别的曼彻斯特信号。

8、根据权利要求3所述的基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于所述的CAN协议控制器(10)是将来自FPGA逻辑处理器(9)的数据流转化为链路报文格式的电平信号，送入CAN隔离光耦(11)，或者将来自CAN隔离光耦(11)的链路报文，转化为标准的数据流传送到FPGA逻辑处理器(9)。

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