CN102843314A - 一种以太网网关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以太网网关，用于MVB与以太网互联，该基于MVB的以太网网关包括：电源子系统，存储子系统，CPU子系统，MVB子系统，以太网口通信子系统，接口子系统和可编程逻辑器件子系统。应用本发明实施例提供的基于MVB的以太网网关，不需要其他通信插件、设备的配合，可独立的实现MVB与以太网之间的通信转换、现场控制等功能。

Description

一种以太网网关

技术领域

本发明涉及电气自动化技术领域，特别涉及一种基于多功能车厢总线(MVB)的以太网网关。

背景技术

随着现场总线控制技术的发展和成熟，当前国际上主要的机车供应商为用户提供的列车控制系统，如西门子公司SIBAS32、BOMBARDIER公司的MITRAC等，都采用了的符合IEC61375标准的列车通信网(TCN，TrainCommunication Network)。TCN采用2级拓扑结构，列车总线采用WTB，车辆总线采用MVB。TCN网络日益受到世界各国各厂商和用户的接受。随着现代列车朝着现代化、自动化和舒适化得方向发展，与传统的列车相比，越来越多的信息(诸如：状态信息、控制命令、故障诊断、旅客信息和服务等信息)由此而产生，为了将这些大数据安全、可靠、快速的在整个列车上传输，很多机车设备商将以太网技术应用在列车网络通信与控制设备中。因此，如何解决MVB与以太网技术的通信互联，是一个亟需解决的技术问题。

现有技术中也存在基于MVB的以太网网关(也记为MVB-以太网网关)，但该MVB-以太网网关必须配合其他的通信插件、设备才能完成通信转换、现场控制等功能，无法独立运行。

发明内容

本发明实施例提供了一种以太网网关，该以太网网关不需要其他通信插件、设备的配合，可独立的实现MVB与以太网之间的通信转换、现场控制等功能。

本发明实施例提供了一种以太网网关，用于MVB与以太网互联，该基于MVB的以太网网关包括：

电源子系统，用于接收外部输入的电源电压，将所述输入的电源电压转换为各子系统所需要的工作电源电压；其中，所述各子系统包括存储子系统、CPU子系统、MVB子系统、以太网口通信子系统、接口子系统和可编程逻辑器件子系统；

存储子系统，用于存储支持所述基于MVB以太网网关独立运行的软件模块；

CPU子系统，用于与存储子系统、MVB子系统、以太网口通信子系统、接口通信子系统和可编程逻辑器件子系统交互，处理所有通信、控制逻辑；

MVB子系统，用于为所述基于MVB以太网网关提供与MVB总线通信的连接通道，在CPU子系统和可编程逻辑器件子系统的配合下，与MVB总线实现通信；

以太网口通信子系统，用于为所述基于MVB以太网网关提供与以太网中设备的通道，在CPU子系统的控制下与以太网通信；

接口子系统，用于作为调试接口，接收来自控制台的调试命令，在CPU子系统的控制下实现对所述基于MVB以太网网关的调试；

可编程逻辑器件子系统，与CPU子系统、MVB子系统和以太网口通信子系统交互，用于MVB总线逻辑控制，CPU子系统与MVB子系统之间的时序匹配控制，CUP的中断处理逻辑控制意见对以太网口的逻辑控制。

其中，所述存储子系统包括SDRAM和Flash；

所述SDRAM，用于作为程序的运行空间以及中间数据的暂存；

所述Flash，用于存储支持所述基于MVB以太网网关独立运行的软件模块。

其中，支持所述基于MVB以太网网关独立运行的软件模块包括：

板级支持包、操作系统、以太网协议软件包、MVB协议软件包、图形开发环境底层软件包、MVB-以太网协议转换软件包、上层图形开发应用软件包。

其中，所述操作系统是最小的满足功能需求的操作系统，所述操作系统支持以太网标准协议、组件。

其中，所述MVB子系统包括：MVB通信控制器，通信存储器，CPU接口缓冲区与控制逻辑以及MVB总线物理层接口。

其中，所述以太网口通信子系统包括2个网口，每个网口接受不同的以太网控制器的控制。

其中，所述接口子系统为RS232接口子系统。

其中，所述电源子系统包括电源开关模块，用于为CPU子系统的IO口以及CPU外围设备提供其所需要的电源电压。

应用本发明实施例提供的基于MVB的以太网网关，不需要其他通信插件、设备的配合，可独立的实现MVB与以太网之间的通信转换、现场控制等功能。

再有，由于本申请中采用模块化分层结构的软件结构，最大限度地简化软件的开发，极大地提高项目的开发效率。该软件结构自底向上分别为板级支持包、操作系统、以太网协议软件包、MVB协议软件包、图形开发环境底层软件包、MVB-以太网协议转换软件包、上层图形开发应用软件包。通过软件模块化结构，提供了统一的应用开发模式与平台。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种以太网网关的结构示意图；

图2是本发明的基于MVB的以太网网关的一实例；

图3是根据本发明实施例的软件平台结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，其是根据本发明实施例的一种以太网网关的结构示意图，该以太网网关用于MVB与以太网互联，可以认为其是基于MVB的以太网网关，该网关具体包括：电源子系统101、存储子系统102、CPU子系统103、MVB子系统104、以太网口通信子系统105、接口子系统106和可编程逻辑器件子系统107。其中，

电源子系统101，用于接收外部输入的电源电压，将所述输入的电源电压转换为各子系统所需要的工作电源电压；其中，所述各子系统包括存储子系统、CPU子系统、MVB子系统、以太网口通信子系统、接口子系统和可编程逻辑器件子系统；

上述电源子系统中包括电源开关模块，用于为CPU子系统的IO口以及CPU外围设备提供其所需要的电源电压。

存储子系统102，用于存储支持所述基于MVB以太网网关独立运行的软件模块；

上述存储子系统包括同步动态随机存储器(SDRAM，SynchronousDynamic Random Access Memory)和闪存(Flash)；其中，SDRAM用于作为程序的运行空间以及中间数据的暂存；Flash用于存储支持所述基于MVB以太网网关独立运行的软件模块。该支持所述基于MVB以太网网关独立运行的软件模块包括：板级支持包、操作系统、以太网协议软件包、MVB协议软件包、图形开发环境底层软件包、MVB-以太网协议转换软件包、上层图形开发应用软件包。其中，所述操作系统是一个多任务核心，具有认为调度机制、任务间通信和中断处理机制等，是最小的满足功能需求的操作系统，所述操作系统支持以太网标准协议、组件，不支持调试信息组件。

CPU子系统103，用于与存储子系统、MVB子系统、以太网口通信子系统、接口通信子系统和可编程逻辑器件子系统交互，处理所有通信、控制逻辑；

上述CPU子系统是整个网关系的核心单元。

MVB子系统104，用于为所述基于MVB以太网网关提供与MVB总线通信的连接通道，在CPU子系统103和可编程逻辑器件子系统107的配合下，与MVB总线实现通信；

上述MVB子系统包括：MVB通信控制器，通信存储器，CPU接口缓冲区与控制逻辑以及MVB总线物理层接口。

以太网口通信子系统105，用于为所述基于MVB以太网网关提供与以太网中设备的通道，在CPU子系统的控制下与以太网通信；

上述以太网口通信子系统包括2个网口，每个网口接受不同的以太网控制器的控制。

接口子系统106，用于作为调试接口，接收来自控制台的调试命令，在CPU子系统的控制下实现对所述基于MVB以太网网关的调试；

上述接口子系统为RS232接口子系统。

可编程逻辑器件子系统107，与CPU子系统、MVB子系统和以太网口通信子系统交互，用于MVB总线逻辑控制，CPU子系统与MVB子系统之间的时序匹配控制，CUP的中断处理逻辑控制意见对以太网口的逻辑控制。

应用本发明实施例提供的基于MVB的以太网网关，不需要其他通信插件、设备的配合，可独立的实现MVB与以太网之间的通信转换、现场控制等功能。

参见图2，其是本发明的基于MVB的以太网网关的一实例。本例中基于MVB的以太网网关也记作MVB-以太网网关，具体包括：电源子系统201、存储子系统202、CPU子系统203、MVB子系统204、以太网口通信子系统205、接口子系统206和可编程逻辑器件子系统107，其中，

电源子系统201，用于接收外部输入的电源电压，将所述输入的电源电压转换为各子系统所需要的工作电源电压；其中，所述各子系统包括存储子系统、CPU子系统、MVB子系统、以太网口通信子系统、接口子系统和可编程逻辑器件子系统；

上述电源子系统中包括电源开关模块如DC/DC开关电源模块，具体的，DC/DC开关电源模块输入电压范围为DC77V至137V，5V输出，功率为10W，电源子系统为整个MVB-以太网网关提供5V、3.3V、2.5V、1.5V的电源；

存储子系统202，用于存储支持所述基于MVB以太网网关独立运行的软件模块；

上述存储子系统包括SDRAM和闪存(Flash)；存储器子系统中FLASH采用的是INTEL公司的大小为16M的28F128J3A，该BOOTFLASH作为板级支持包、操作系统、以太网协议软件包、MVB协议软件包、图形开发环境底层软件包、MVB-以太网协议转换软件包、上层图形开发应用软件包等的存储场所；SDRAM存储器采用2片MT48LC32M16，主要用于程序的动态加载，以及大量中间数据的暂存，容量为128M字节；

CPU子系统203，用于与存储子系统、MVB子系统、以太网口通信子系统、接口通信子系统和可编程逻辑器件子系统交互，处理所有通信、控制逻辑；

本例中，CPU采用的是FREESCALE公司32位POWERPC嵌入式处理器MPC5200B，主频为466MHz，MCF5200B以它的高集成度、低功耗和强大的处理能力能够有效的提高系统的可靠性，减少系统的体积，CPU子系统是整个网关系的核心单元，负责处理系统所有通信、控制逻辑，并把相关的结果反馈给其它的子系统：MVB通信子系统204、接口子系统206、以太网口通信子系统205；

MVB子系统204，用于为所述基于MVB以太网网关提供与MVB总线通信的连接通道，在CPU子系统和可编程逻辑器件子系统的配合下，与MVB总线实现通信；

MVB通信子系统硬件为MVB-以太网网关提供与MVB总线通信的连接通道。本例中，它包括MVB通信控制器、1M字节的通信存储器(TM，TRAFFICMEMORY)、CPU接口缓冲与控制逻辑以及MVB总线物理层接口，MVB通信子系统主要完成MVB的通信管理，通信实现，与CPU子系统203、可编程逻辑器件子系统207一起配合，完成MVB通信；

其中，MVB通信控制器采用MVBC02芯片；

1M字节的通信存储器TM，可提供最大4095个过程数据端口；最大4095个用于接受设备状态轮询的设备可寻址端口；用于消息队列和MVB帧的存储器空间可由用户自由配置；

CPU接口缓冲与控制逻辑，主要实现CPU访问MVBC02和通信存储器TM的电平转换(3.3V变为5V)、总线信号缓冲与访问定制控制等逻辑；

MVB总线物理层接口，用于提供冗余的基于RS485的中等距离电接口，通过软件设置，既可以工作在冗余模式，也可以工作在非冗余模式。

以太网口通信子系统205，用于为所述基于MVB以太网网关提供与以太网中设备的通道，在CPU子系统的控制下与以太网通信；

本例中，共有2个10/100M以太网接口，其中第1个以太网接口采用MPC5200B内置的以太网控制器、PHY芯片KS8721、网络变压器和ESD保护芯片等，第2个以太网接口采用KSZ8841以太网控制器、网络变压器和ESD保护芯片等，2个网口主要用于与其它设备进行以太网通信；

接口子系统206，用于作为调试接口，接收来自控制台的调试命令，在CPU子系统的控制下实现对所述基于MVB以太网网关的调试；

本例中，采用RS232通信子系统作为接口子系统，该RS232通信子系统采用CPU内置的通用异步收发器(UART，Universal AsynchronousReceiver/Transmitter)控制器，外扩MAX3223将信号转换为RS232，RS232接口主要作为基于PC机的调试终端接口，作为控制台输入调试命令，显示调试信息，用于底层程序下载、监视等调试功能，波特率最大为15.2Kbps；

该RS232通信子系统中的实时时钟芯片(RTC，Real-Time Clock)提供稳定的时钟信号给后续电路用，可以提供时钟，日历，闹钟，周期性中断输出，32KHz时钟输出。

该RS232通信子系统中的发光二极管(LED)用于指示以太网通信状态、MVB通信状态、系统状态等。

可编程逻辑器件子系统207，与CPU子系统、MVB子系统和以太网口通信子系统交互，用于MVB总线逻辑控制，CPU子系统与MVB子系统之间的时序匹配控制，CUP的中断处理逻辑控制意见对以太网口的逻辑控制。

本例中，采用现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)作为可编程逻辑器件子系统，该FPGA采用xilinx公司Spartan3系列xcs400芯片，主要用于MVB总线控制逻辑、MVBC与CPU之间的时序匹配控制、CPU中断处理控制逻辑以及一些简单IO控制逻辑。

此外，图2所示实施例还可以包括复位(RESET)模块，用于对CPU子系统203和可编程逻辑器件子系统207进行复位操作。

应用本发明实施例提供的基于MVB的以太网网关，不需要其他通信插件、设备的配合，可独立的实现MVB与以太网之间的通信转换、现场控制等功能。

再有，由于本申请中采用模块化分层结构的软件结构，最大限度地简化软件的开发，极大地提高项目的开发效率。该软件结构自底向上分别为板级支持包、操作系统、以太网协议软件包、MVB协议软件包、图形开发环境底层软件包、MVB-以太网协议转换软件包、上层图形开发应用软件包。操作系统采用实时操作系统VXWORKS，实现了符合IEC61375-1列车通讯网络标准的MVB协议、符合以太网标准的TCP/IP等协议、MVB与以太网通信协议转换，在上层采用符合IEC61131-3标准的MULTIPORG软件，用于应用程序的开发。

参见图3，其是根据本发明实施例的软件平台结构示意图。MVB-以太网硬件平台是整个软件执行的底层支撑。该软件平台从底至上，依次为：板级支持包、操作系统、以太网协议软件包、MVB协议软件包、图形开发环境底层软件包、MVB-以太网协议转换软件包、上层图形开发应用软件包。其中，

板级支持包(BSP，Board Support Packet)，作为系统的最底层，主要为操作系统和用户任务提供对硬件设备进行访问的标准驱动接口。换句话说BSP的主要作用就是提供设备驱动和操作系统的引导，包括系统自检驱动、串口的驱动、SDRAM驱动、网口的驱动、flash的驱动等。

操作系统，采用Vxworks操作系统，其内核是Vxworks kernel，它是一个多任务核心，具有任务调度机制、任务间通信和中断处理机制等。根据该网关系统的需要，对VxWorks内核进行裁减，保留以太网标准协议的支持、Shell组件的支持等，删除了调试信息组件等，提供了一个最小的满足功能需要的操作系统。

以太网协议软件包，主要是实现以太网通信协议，提供以太网通信协议的接口，供上层封装和调用使用。

MVB协议软件包，是MVB链路层程序，也就是MVB通信处理的核心，主要实现下面的功能：过程数据功能、实现消息数据的链路层、实现设备状态轮询等。

图形开发环境底层软件包，在这是指图形底层软件支持，解析上次应用，负责对上层图形应用程序的解析执行、与调试终端的通信以及与其它应用任务的接口；

MVB-以太网协议转换软件包，主要是根据MVB与以太网通信的要求、协议，提供MVB-以太网通信之间的转换，提供上层调用应用程序编程接口(API)；

上层图形开发应用软件包，作为该网关软件结构顶层，主要是根据相应的网关应用要求，编写相应的上层应用程序，实现MVB-以太网之间的通信，

通过图2和图3实施例可知，其采用MPC5200B作为CPU、MT48LC32M16的SDRAM作为程序的运行空间、28f128的FLASH作为程序的存储空间，采用xc3s400的实现控制逻辑与时序接口，采用MVBC02专用芯片完成MVB通讯控制，采用KSZ8841做为以太网控制器；软件采用模块化结构，从而提供了统一的应用开发模式与平台。操作系统采用实时操作系统VXWORKS，实现了符合IEC61375-1列车通讯网络标准的MVB协议、符合以太网标准的TCP/IP等协议、MVB与以太网通信协议转换，在上层采用符合IEC61131-3标准的MULTIPORG软件，用于应用程序的开发。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种以太网网关，其特征在于，用于MVB与以太网互联，该基于MVB的以太网网关包括：

电源子系统，用于接收外部输入的电源电压，将所述输入的电源电压转换为各子系统所需要的工作电源电压；其中，所述各子系统包括存储子系统、CPU子系统、MVB子系统、以太网口通信子系统、接口子系统和可编程逻辑器件子系统；

存储子系统，用于存储支持所述基于MVB以太网网关独立运行的软件模块；

CPU子系统，用于与存储子系统、MVB子系统、以太网口通信子系统、接口通信子系统和可编程逻辑器件子系统交互，处理所有通信、控制逻辑；

MVB子系统，用于为所述基于MVB以太网网关提供与MVB总线通信的连接通道，在CPU子系统和可编程逻辑器件子系统的配合下，与MVB总线实现通信；

以太网口通信子系统，用于为所述基于MVB以太网网关提供与以太网中设备的通道，在CPU子系统的控制下与以太网通信；

接口子系统，用于作为调试接口，接收来自控制台的调试命令，在CPU子系统的控制下实现对所述基于MVB以太网网关的调试；

可编程逻辑器件子系统，与CPU子系统、MVB子系统和以太网口通信子系统交互，用于MVB总线逻辑控制，CPU子系统与MVB子系统之间的时序匹配控制，CUP的中断处理逻辑控制意见对以太网口的逻辑控制。

2.根据权利要求1所述的以太网网关，其特征在于，所述存储子系统包括SDRAM和Flash；

所述SDRAM，用于作为程序的运行空间以及中间数据的暂存；

所述Flash，用于存储支持所述基于MVB以太网网关独立运行的软件模块。

3.根据权利要求2所述的以太网网关，其特征在于，支持所述基于MVB以太网网关独立运行的软件模块包括：

板级支持包、操作系统、以太网协议软件包、MVB协议软件包、图形开发环境底层软件包、MVB-以太网协议转换软件包、上层图形开发应用软件包。

4.根据权利要求3所述的以太网网关，其特征在于，所述操作系统是最小的满足功能需求的操作系统，所述操作系统支持以太网标准协议、组件。

5.根据权利要求1所述的以太网网关，其特征在于，所述MVB子系统包括：MVB通信控制器，通信存储器，CPU接口缓冲区与控制逻辑以及MVB总线物理层接口。

6.根据权利要求1所述的以太网网关，其特征在于，所述以太网口通信子系统包括2个网口，每个网口接受不同的以太网控制器的控制。

7.根据权利要求1所述的以太网网关，其特征在于，所述接口子系统为RS232接口子系统。

8.根据权利要求1所述的以太网网关，其特征在于，所述电源子系统包括电源开关模块，用于为CPU子系统的IO口以及CPU外围设备提供其所需要的电源电压。

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