CN101404629A - 基于arm7的wtb-以太网网关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ARM7的WTB－以太网网关，其特征在于包括WTB总线板卡、以太网板卡、CPU板卡、电源板卡和背板，所述的WTB板卡、以太网板卡和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、以太网板卡和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；所述的以太网板卡负责以太网设备的数据采集和控制；所述的CPU板卡负责WTB总线和以太网设备数据的中央处理。本网关是一种符合国际标准的TCN网络技术，具有设计新颖、高可靠性等特点，为专用列车总线WTB和以太网间的数据通信提供了解决方案，适合在我国铁路行业等领域广泛的应用。
Description
技术领域
本发明所述的基于ARM7的WTB-以太网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。
目前，由于列车旅客信息系统的服务要求，国内外先进TCN网络控制系统需要通过以太网接口，与GPRS、CDMA、GPS等无线网络进行数据通信，将列车信息传送到远程监控中心，方便于列车设备的日常维护及检修。于是WTB-以太网网关便成为TCN网络控制系统必需的关键设备，使得以太网与WTB网络达到无缝地结合。虽然可以直接采购国外WTB-以太网网关，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-以太网网关，所以WTB-以太网网关的研制成功，标志着全部WTB-以太网转换技术已经攻克，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基于ARM7的WTB-以太网网关，主要应用于在铁路列车、地铁列车和城市轨道行业的WTB网络控制系统中，连接以太总线接口的网络设备，使之既具有WTB过程数据功能、消息数据功能和总线管理功能，也具有以太网链路层、传输层、网络层、会话层、表示层和应用层功能。
本发明的技术解决方案是这样实现的：
一种基于ARM7的WTB-以太网网关，其特征在于包括WTB板卡、以太网板卡、CPU板卡、电源板卡和背板。所述的WTB板卡、以太网板卡和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、以太网板卡和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；所述的以太网板卡负责以太网设备的数据采集和控制；所述的CPU板卡负责WTB总线和以太网设备数据的中央处理。
所述的WTB总线板卡包括WTB共享RAM、MCU微控制器、HDLC控制器、FPGA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处理器允许，传入WTB共享RAM，然后读入MCU微控制器中，经HDLC控制器转化为HDLC格式报文，传送到FPGA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。
所述的以太网板卡包括以太网协议控制器、隔离变压器和以太网物理层接口，所述的设备数据流从背板总线传送到以太网协议控制器中转化为链路层报文，通过隔离变压器变成隔离的差分电平信号，经以太网物理层接口传送到以太网上去；所述以太网板卡还可以接收以太网上的传输数据，经过处理后回传到背板的背板总线上。
所述的CPU总线板卡包括中央处理器、非易失性存贮单元和电平转换电路，所述的中央处理器分别传送WTB总线和以太网数据流，经过背板的背板总线经电平转换电路，传入WTB总线板卡和以太网板卡，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，存贮于非易失性存贮单元。
所述的MCU微控制器以查询方式读取WTB共享RAM的WTB过程数据、消息数据或监视数据，经HDLC控制器转化为HDLC报文格式，传入FPGA处理器中组成曼彻斯特码信号，或者将来自FPGA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，写入WTB共享RAM。
所述的FPGA处理器是将来自HDLC控制器的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HDLC控制器。
所述的WTB总线驱动器将来自FPGA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处理器可识别的曼彻斯特信号。
所述的以太网协议控制器是将来自背板的背板总线数据流转化为链路层报文格式的电平信号，送入隔离变压器生成隔离的差分电平信号，或者将来自隔离变压器的差分电平信号，转化为标准的链路层数据流传入背板的背板总线上。
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。
本网关是将一种基于IEC61375-1和IEEE 802.3标准的WTB-以太网网络控制技术应用到铁路行业控制领域，解决了专用绞线式列车总线WTB和通用以太网的数据通讯问题，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总线板卡结构框图；
图3为本发明的以太网板卡的结构框图；
图4为本发明的CPU板卡结构框图；
图5为本发明CPU板卡中ARM7及其外围电路接口电路图；
图6为本发明的WTB总线板卡中MCU微控制器、HDLC控制器和FPGA处理器的电路连接图；
图7为本发明的WTB总线板卡中WTB总线驱动器的电路连接图；
图8为本发明的以太网板卡板卡中以太网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总线板卡，2、以太网板卡，3、CPU板卡，4、电源板卡，5、背板，6、WTB共享RAM，7、MCU微控制器，8、HDLC控制器，9、FPGA处理器，10、WTB总线驱动器，11、以太网协议控制器，12、隔离变压器，13、以太网物理层接口，14、中央处理器，15、非易失性存贮单元，16、电平转换电路。
具体实施方式
如图1所示，一种基于ARM7的WTB-以太网网关，其特征在于包括WTB总线板卡1、以太网板卡2、CPU板卡3、电源板卡4和背板5，所述的WTB总线板卡1、以太网板卡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、以太网板卡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；所述的以太网板卡2负责采集和控制以太网上设备的数据流；所述的CPU板卡1负责WTB总线和以太网设备数据的中央处理。
如图2所示，WTB总线板卡1包括WTB共享RAM 6、MCU微控制器7、HDLC控制器8、FPGA处理器9和WTB总线驱动器10。所述的设备数据流从背板总线经FPGA处理器9允许，传入WTB共享RAM 6，然后读入MCU微控制器7中，经HDLC控制器8转化为HDLC格式报文，传送到FPGA处理器9生成曼彻斯特信号，再通过WTB总线驱动器10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。MCU微控制器7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10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，以太网板卡2包括以太网协议控制器11、隔离变压器12和以太网物理层接口13，所述的设备数据流从背板总线传送到以太网协议控制器11中转化为链路层报文，通过隔离变压器12变成隔离的差分电平信号，经以太网物理层接口13传送到以太网上去；所述以太网板卡还可以接收以太网上的传输数据，经过处理后回传到背板5的背板总线上。隔离变压器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14、非易失性存贮单元15和电平转换电路16，所述的中央处理器14分别传送WTB总线和以太网数据流，经过背板5的背板总线经电平转换电路16，传入WTB总线板卡1和以太网板卡2，同时中央处理器14将采集的数据信息生成用于列车车辆诊断分析的数据流，存贮于非易失性存贮单元15。中央处理器14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14提供了程序存贮空间和运行空间。电平转换电路16负责3.3V和5V电平信号之间的双向转换。另外，中央处理器14外围还配置电源管理电路、电压监控、实时时钟和复位电路。
如图5～8所示，其中WTB共享RAM 6为IS62C1024、MCU微控制器7为Z8S180、HDLC控制器8为Z85230、FPGA处理器9为XCS30XL、以太网协议控制器11为LXT971ALE、隔离变压器12为BE1012、中央处理器14为NET+50和非易失性存贮单元15为DS1265W；中央处理器14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总线和以太网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。MCU微控制器7和以太网协议控制器11分别为WTB总线和以太网的核心器件，负责完成链路层功能服务。
WTB-以太网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-以太网网关的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日本COSEL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-以太网网关，与列车内部以太网网络设备相连接，这样以太网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以太网，那么每个以太网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、以太网板卡以及CPU板卡组成WTB-以太网网关，同时连接WTB网络和以太网。以太网网络还包括带有以太网接口的现场执行单元。以太网执行设备将现场数据交给以太网板卡，生成以太网数据格式报文，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以太网执行设备。整个系统的数据流如上所述。当然，根据以太网系统的要求还可以带很多其他设备，比如中央控制单元、智能显示单元等。
Claims (8)
1、一种基于ARM7的WTB-以太网网关，其特征在于包括WTB总线板卡(1)、以太网板卡(2)、CPU板卡(3)、电源板卡(4)和背板(5)，所述的WTB总线板卡(1)、以太网板卡(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)、以太网板卡(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；所述的以太网板卡(2)负责采集和控制以太网上设备的数据流；所述的CPU板卡(1)负责WTB总线和以太网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-以太网网关，其特征在于所述的WTB总线板卡包括WTB共享RAM(6)、MCU微控制器(7)、HDLC控制器(8)、FPGA处理器(9)和WTB总线驱动器(10)，所述的设备数据流从背板总线经FPGA处理器(9)允许，传入WTB共享RAM(6)，然后读入MCU微控制器(7)中，经HDLC控制器(8)转化为HDLC格式报文，传送到FPGA处理器(9)生成曼彻斯特信号，再通过WTB总线驱动器(10)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2所述的基于ARM7的WTB-以太网网关，其特征在于所述的以太网板卡包括以太网协议控制器(11)、隔离变压器(12)和以太网物理层接口(13)，所述的设备数据流从背板总线传送到以太网协议控制器(11)中转化为链路层报文，通过隔离变压器(12)变成隔离的差分电平信号，经以太网物理层接口(13)传送到以太网上去；所述以太网板卡还可以接收以太网上的传输数据，经过处理后回传到背板(5)的背板总线上。
4、根据权利要求3所述的基于ARM7的WTB-以太网网关，其特征在于所述的CPU总线板卡包括中央处理器(14)、非易失性存贮单元(15)和电平转换电路(16)，所述的中央处理器(6)分别传送WTB总线和以太网数据流，经过背板(5)的背板总线经电平转换电路(16)，传入WTB总线板卡(1)和以太网板卡(2)，同时中央处理器(14)将采集的数据信息生成用于列车车辆诊断分析的数据流，存贮于非易失性存贮单元(15)。
5、根据权利要求4所述的基于ARM7的WTB-以太网网关，其特征在于所述的MCU微控制器(7)以查询方式读取WTB共享RAM(6)的WTB过程数据、消息数据或监视数据，经HDLC控制器(8)转化为HDLC报文格式，传入FPGA处理器(9)中组成曼彻斯特码信号，或者将来自FPGA处理器(9)的曼彻斯特码信号，经过处理解析为标准并行信号数据，写入WTB共享RAM(6)。
6、根据权利要求5所述的基于ARM7的WTB-以太网网关，其特征在于所述的FPGA处理器(9)是将来自HDLC控制器(8)的HDLC报文转化为曼彻斯特码信号，送入WTB总线驱动器(10)生成标准差分信号，或者将来自WTB总线驱动器(10)的差分信号，转化为串行数据传送到HDLC控制器(8)。
7、根据权利要求6所述的基于ARM7的WTB-以太网网关，其特征在于所述的WTB总线驱动器(10)将来自FPGA处理器(9)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处理器(9)可识别的曼彻斯特信号。
8、根据权利要求7所述的基于ARM7的WTB-以太网网关，其特征在于所述的以太网协议控制器(11)是将来自背板(5)的背板总线数据流转化为链路层报文格式的电平信号，送入隔离变压器(12)生成隔离的差分电平信号，或者将来自隔离变压器(12)的差分电平信号，转化为标准的链路层数据流传入背板(5)的背板总线上。
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