CN107124344A - 列车用can‑以太网通信转换及数据存储控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种列车用CAN‑以太网通信转换及数据存储控制方法，具体为采集当前设备节点信息，得到以太网通信地址，对以太网进行初始化；接收CAN数据帧并存入数据缓存区；按照既定时间间隔T1，通过以太网发送过程数据缓存区数据；按照既定时间间隔T2，将过程数据缓存区数据打包并保存；按照既定时间间隔T3，检查事件缓存区数据并记录；接收并处理来自显示控制端指令；检测非固定存储介质并复制数据；作为FTP服务器接收并处理客户端数据操作请求。本发明的控制方法可实现列车CAN通信‑以太网通信的转换，且数据存储媒介存储时间密集存储量大，可很好的复现故障前后数据，为排查故障和分析故障原因提供必要依据。

Description

列车用CAN-以太网通信转换及数据存储控制方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，具体的说，涉及一种列车用CAN-以太网通信转换及数据存储控制方法。

背景技术

轨道机车车辆运行中列车控制命令和状态信息的传递、对各设备/子系统的诊断、信息显示等均离不开列车网络系统。目前设备/子系统内部通常采用CAN((ControllerAreaNetwork)控制器局域网)通信，设备/子系统与列车网络控制系统之间采用MVB((Multifunction Vehicle Bus)多功能车辆总线)或RS485通信。由于MVB和RS485传输速率较低，随着机车车辆智能化、信息化的需求和工业以太网的发展，关于以太网应用于列车网络的研究已逐步展开，但已有的研究成果可靠性未得到实际验证。

现有轨道机车车辆设备/子系统的数据通常存储于板载存储芯片中，存储容量有限，仅能存储少量的故障信息，对故障发生前后的环境因素常常无法复现；且现有人机交互界面通常采用RS232接口，数据传输速度慢、耗时长。

发明内容

本发明的目的是提供一种列车用CAN-以太网通信转换及数据存储控制方法，用于解决现有技术中存储容量有限、故障无法复现且数据传输速率低的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种列车用CAN-以太网通信转换及数据存储控制方法，包括以下方法步骤：采集当前设备节点信息，得到以太网通信地址，对以太网进行初始化；接收CAN数据帧并存入数据缓存区，数据缓存区包括过程数据缓存区和事件缓存区；按照既定时间间隔T1，通过以太网发送过程数据缓存区数据；按照既定时间间隔T2，将过程数据缓存区数据打包并保存；按照既定时间间隔T3，检查事件缓存区数据并记录；接收并处理来自显示控制端指令；检测非固定存储介质并复制数据；作为FTP服务器接收并处理客户端数据操作请求。

作为本发明控制方法的进一步优化，该控制方法采用的硬件结构，具体包括MCU控制器、CAN收发接口、以太网物理层收发接口、固定存储介质、RTC时钟、非固定存储介质接口和程序下载备用接口。MCU控制器内部集成有CAN控制器单元、以太网MAC控制器单元、非固定存储介质控制器单元、程序下载备用接口控制单元、RTC时钟接口控制单元、固定存储介质接口控制单元。

CAN收发接口用于CAN总线与MCU控制器间的电平和时序转换，MCU控制器通过内部集成的CAN控制器单元与CAN收发接口连接。以太网物理层收发接口用于以太网接口与MCU控制器间的电平和时序转换，MCU控制器通过内部集成的以太网MAC控制器单元与以太网物理层收发接口连接。非固定存储介质接口提供非固定存储介质与MCU控制器间的电平和时序转换，MCU控制器通过内部集成的非固定存储介质控制器单元与非固定存储介质接口连接；程序下载备用接口提供程序下载工具与MCU控制器之间的电平和时序转换，MCU控制器通过内部集成的程序下载备用接口控制单元与程序下载备用接口连接；MCU控制器通过内部集成的RTC时钟接口控制单元与RTC时钟连接；MCU控制器通过内部集成的固定存储介质接口控制单元与固定存储介质连接。

作为本发明控制方法的进一步优化，所述的采集当前设备节点信息，具体为：通过CAN通信接收到数据后，从指定的数据帧中读取当前设备节点信息。

作为本发明控制方法的进一步优化，所述的对以太网进行初始化，包括以太网MAC控制器设置、物理层接口设置、MAC地址设置、IP地址设置、端口设置以及FTP服务器功能开启和访问权限设置。

作为本发明控制方法的进一步优化，所述的接收CAN数据帧并存入数据缓存区，具体为：所述CAN数据帧由MCU控制器接收，MCU控制器集成有CAN控制器单元，CAN控制器单元按照特定的CAN数据帧接收数据，当CAN总线有数据时，CAN控制器单元的接收中断被触发，然后接收CAN总线数据。当MCU控制器接收到CAN数据时，按照既定协议，将符合要求的有效CAN数据帧按照固定格式缓存至MCU控制器数据缓存区，这部分缓存区称为过程数据缓存区；CAN接收数据中代表故障或状态的变量信息同时被筛选出存放于事件缓存区。

作为本发明控制方法的进一步优化，所述的通过以太网发送过程数据缓存区数据，具体为：MCU控制器将过程数据缓存区数据打包为以太网帧结构发送至以太网物理层收发接口，通过以太网物理层收发接口与列车以太网或显示控制端通信。

作为本发明控制方法的进一步优化，所述的将过程数据缓存区数据打包并保存，具体为：MCU控制器将过程数据缓存区数据打包为过程数据存储格式，存储于固定存储介质的过程数据文件中，过程数据文件为二进制格式。

作为本发明控制方法的进一步优化，所述的检查事件缓存区数据并记录，具体为：MCU控制器定时检查事件缓存区的变量信息是否发生变化，事件缓存区的变量信息包括故障数据和状态数据，如有变化，则将当前的变量信息打包为事件存储格式，存储于固定存储介质的事件文件中，事件文件也为二进制格式。

作为本发明控制方法的进一步优化，所述的显示控制端指令从以太网接收，显示控制端指令包括校时命令、修改参数命令、直接导出过程数据命令、直接导出历史事件命令、格式化存储卡命令、从非固定存储介质导出数据命令和更新程序命令；接收校时命令时，修改RTC时钟时间，同时由CAN控制器单元转发该命令；接收修改参数命令时，由CAN控制器单元转发；接收直接导出过程数据命令或直接导出历史事件命令时，从固定存储介质读取过程数据文件信息或事件文件信息，并由以太网MAC控制器单元传出，经以太网物理层收发接口在线导出并解析至显示控制端的excel表格；接收从非固定存储介质导出数据命令时，进入非固定存储介质数据下载预备状态，指定下载目标数据时间段，该命令发出后一段时间内没有检测到非固定存储介质接入则失效；接收更新程序命令时，进行程序更新。

作为本发明控制方法的进一步优化，所述的检测非固定存储介质并复制数据，具体为：当非固定存储介质控制器单元检测到有非固定存储介质接入时，进一步判断下载目标数据是否已给定，如给定则复制指定时段的原始二进制格式的过程数据文件及原始二进制格式的事件文件到非固定存储介质，否则将复制默认时段数据至非固定存储介质。

作为本发明控制方法的进一步优化，所述的作为FTP服务器接收并处理客户端数据操作请求，具体为：MCU控制器内部集成有FTP服务器，通过FTP服务器端口监听来自FTP客户端的请求并应答；如果收到FTP客户端数据下载请求，则会通过以太网FTP通信方式将固定存储介质内的原始二进制目标文件复制到客户端。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

1)本发明的控制方法可实现列车CAN通信-以太网通信的转换，将设备数据传输到列车以太网；可根据输入设定不同的以太网MAC地址和IP地址，灵活性高、通用性和配置型强，且基于以太网通讯，安全可靠，保证列车运行中大量数据传输的可靠性和精确性；

2)发明的控制方法的硬件结构采用非固定存储介质，如大容量存储卡，作为数据存储媒介，存储时间密集存储量大，可很好的复现故障前后数据，为排查故障和分析故障原因提供必要依据；采用以太网和非固定存储介质，可实现将大容量存储卡中的历史数据，包括过程数据和事件等，通过如下方式下载：通过以太网命令直接将较短时间段的数据由以太网在线导出并解析至excel表格、或将较长时间段的数据以原始二进制文件格式复制到非固定存储介质、或在没有以太网命令时，将默认时间段的数据以原始二进制文件格式复制到非固定存储介质、或在未连接非固定存储介质时通过以太网FTP方式复制到客户端。数据下载方式具有多样性，以适用不同的导出需求；

3)以太网接口功能多样性，即以太网物理层收发接口可以实现车辆运行中与列车以太网的数据传输，也兼做人机交互接口，用于数据监控、服务和设备维护，也可用于调试时进行变量和故障模拟。其中监测、服务和设备维护，可以实现在单点对全列设备进行实时数据监控、历史数据导出和程序更新，极为方便。

附图说明

图1为本发明控制方法的流程图；

图2为本发明硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

如图1所示，本发明公开一种列车用CAN-以太网通信转换及数据存储控制方法，包括系统初始化、主循环和中断服务三大进程，其中，上述控制方法主循环的具体工作流程如下：

在步骤S101中，采集当前设备节点信息，得到以太网通信地址，对以太网进行初始化；

其中，采集当前设备节点信息是指：通过CAN通信接收到数据，从指定的数据帧中读取当前设备节点信息。即通过CAN收发接口接收CAN总线数据，上述CAN收发接口用于实现CAN总线与MCU控制器间的电平和时序转换。

在步骤S102中，接收CAN数据帧并存入数据缓存区；

在该步骤中，接收CAN数据帧的装置为MCU控制器，MCU控制器集成有CAN控制器单元，CAN控制器单元按照特定的CAN数据帧接收来自步骤S101的CAN收发接口数据，当CAN总线有数据时，CAN控制器单元的接收中断被触发，然后接收CAN总线数据。当MCU控制器接收到CAN数据时，按照既定协议，将符合要求的有效CAN数据帧按照固定格式缓存至MCU控制器的数据缓存区，这部分缓存区称为过程数据缓存区；CAN接收数据中代表故障或状态的变量信息同时被筛选出存放于MCU控制器的事件缓存区。其中数据缓存区中一部分数据包含有车号信息，通过筛选车号信息来确定以太网通讯的MAC地址和IP地址。可根据输入设定不同的MAC地址和IP地址，灵活性高、通用性和可配置性强。

在步骤S103中，按照既定时间间隔T1，通过以太网发送过程数据缓存区数据；

其中，MCU控制器集成有以太网MAC控制器单元，并通过以太网以太网MAC控制器单元与以太网物理层收发接口通讯，以太网物理层收发接口用于以太网接口与MCU控制器间的电平和时序转换。若步骤S101中以太网初始化成功，且步骤S102中已接收CAN数据帧并存入数据缓存区，进一步判定时间间隔T1是否达到。若达到时间间隔T1，则MCU控制器将过程数据缓存区数据打包为以太网帧结构发送至以太网物理层收发接口，通过以太网物理层收发接口与列车以太网或显示控制端通信。以太网通信协议可设置为UDP协议或TCP协议。

在步骤S104中，按照既定时间间隔T2，将过程数据缓存区数据打包并保存；

其中，MCU控制器集成有固定存储介质接口控制单元，MCU控制器通过固定存储介质接口控制单元连接至固定存储介质，固定存储介质如MicroSD卡。若时间间隔T2已到，MCU控制器将步骤S102中的过程数据缓存区数据打包为过程数据存储格式，存储于固定存储介质的过程数据文件中，过程数据文件为二进制格式，存储前自动删除固定存储介质内过期文件。

在步骤S105中，按照既定时间间隔T3，检查事件缓存区数据并记录；

在该步骤中，若时间间隔T3已到，MCU控制器定时检查步骤S102中事件缓存区的变量信息是否发生变化，事件缓存区的变量信息包括故障数据或状态数据，如上述两者之一有变化，则将当前的变量信息打包为事件存储格式，存储于固定存储介质的事件文件中，事件文件也为二进制格式。

在步骤S106中，接收并处理来自显示控制端指令；

在该步骤中，显示控制端可以是PC机或是类似PC机的设备，MCU控制器通过以太网物理层收发接口接收并处理显示控制端指令，以太网物理层收发接口可兼做人机交互接口，当MCU控制器通过以太网物理层收发接口与显示控制端相连时，MCU控制器通过以太网物理层收发接口接收显示控制端指令，并完成如下服务功能：

1)当接收校时命令时，修改RTC时钟时间，同时由CAN控制器单元转发该命令，以通知CAN总线上的设备同步时间；

其中，MCU控制器设有RTC时钟接口控制单元，MCU控制器通过RTC时钟接口控制单元与RTC时钟连接，RTC时钟用于提供存储数据时的参考时间。

2)当接收修改参数命令时，由CAN控制器单元转发，以通知CAN总线上的设备按照要求修改参数；

3)当接收直接导出过程数据命令或直接导出历史事件命令时，从固定存储介质读取过程数据文件信息或事件文件信息，并由以太网MAC控制器单元传出，经以太网物理层收发接口在线导出并解析至显示控制端的excel表格；

4)当接收从非固定存储介质导出数据命令时，进入非固定存储介质数据下载预备状态，指定下载目标数据时间段，该命令发出后一段时间内没有检测非固定存储介质接入则失效；

5)当接收到格式化存储卡命令时，格式化固定存储介质；

6)接收更新程序命令时，进行程序更新，擦写自身FLASH或通过CAN控制器单元转出该命令。

在步骤S107中，检测非固定存储介质并复制数据。

在该步骤中，当非固定存储介质控制器单元检测到有非固定存储介质接入时，进一步判断下载目标数据是否已给定，如给定则复制指定时段的过程数据文件的原始二进制文件及事件文件的原始二进制文件到非固定存储介质，否则将复制默认时段数据至非固定存储介质。

在步骤S108中，；作为FTP服务器接收并处理客户端数据操作请求。

MCU控制器内部集成有FTP服务器，通过FTP服务器端口监听来自客户端的请求并应答；其中，该步骤中的客户端与步骤S106中显示控制端通常为同一设备，如同一PC机，也可为不同设备。如果收到FTP服务器端口的数据下载请求，则会通过以太网FTP通信方式将固定存储介质内的原始二进制目标文件复制到客户端。该步骤通常在MCU控制器未连接非固定存储介质时，通过以太网FTP方式复制到客户端。

参见图2，本发明的MCU控制器选用TI Hercules RM4系列安全MCU，该MCU控制器采用双ARM Cortex-R4F核架构，双核锁步运行检、FLASH和RAM校验和保护机制、时钟和电压监控等，用硬件提供安全特性、监测是否有随机故障，避免系统出错，支持IEC61508最高等级的SIL-3安全标准，更适合于铁路应用。本发明的MCU控制器内部集成有CAN控制器单元、以太网MAC控制器单元、非固定存储介质控制器单元、程序下载备用接口控制单元、RTC时钟接口控制单元、固定存储介质接口控制单元。与MCU控制器通信的外部设备包括：CAN收发接口、以太网物理层收发接口、固定存储介质、RTC时钟、非固定存储介质接口和程序下载备用接口。

继续参见图2，MCU控制器与各外部设备的连接方式为：

MCU控制器通过CAN控制器单元与CAN收发接口连接，CAN收发接口用于CAN总线与MCU控制器间的电平和时序转换。MCU控制器通过以太网MAC控制器单元与以太网物理层收发接口连接，以太网物理层收发接口用于以太网接口与MCU控制器间的电平和时序转换。MCU控制器通过非固定存储介质控制器单元与非固定存储介质接口连接，非固定存储介质接口提供非固定存储介质与MCU控制器间的电平和时序转换。MCU控制器通过程序下载备用接口控制单元与程序下载备用接口连接，程序下载备用接口提供程序下载工具与MCU控制器之间的电平和时序转换。MCU控制器通过RTC时钟接口控制单元与RTC时钟连接；MCU控制器通过固定存储介质接口控制单元与固定存储介质连接。MCU控制器与其通信的外部设备构成本发明的CAN-以太网通信转换及数据存储系统。

本发明系统以及本发明系统的控制方法可应用于中国标准动车组轴温报警装置、充电机以及其它列车中。在本发明系统中，CAN通信用于本发明系统与CAN总线的其它模块进行数据传输，

以太网通讯用于实现本发明系统或安装有本发明系统的设备与列车以太网或显示控制端之间数据传输；

固定存储介质用于存储CAN总线接收的所有数据，包括过程数据和事件，其中上述数据通过FAT系统管理，以文件夹和文件形式存放，脉络清晰，可提供系统实时运行情况，可用于系统性能追踪，分析气候、线路、电网、电磁环境等因素的影响，进而修改和校准设备参数，进一步提高设备的可靠性和安全性，为排查故障和分析故障原因提供必要依据；

RTC时钟用于提供存储数据的参考时间；程序下载备用接口用于通信失效时更新程序；

非固定存储介质接口用于复制数据时连接非固定存储介质，如U盘，接U盘时导出数据速度可达150Kbyte/s，或在不方便连接U盘时，作为FTP服务器接收并处理客户端数据操作请求，即可采用FTP下载，将固定存储介质内的原始二进制目标文件复制到客户端，FTP导出数据速度可达300Kbyte/s，下载方式灵活多变以适用不同的导出需求，同时结合以太网，更新程序以及导出数据时间可控制在1分钟内。

参见图1，上述步骤S101～S108中，对以太网的初始化包括以太网MAC控制器设置、物理层接口设置、MAC地址设置、IP地址设置、端口设置以及FTP服务器功能开启和访问权限设置，且该初始化只需要有效进行一次。本发明控制方法的系统初始化包括对MCU控制器的硬件初始化、外部设备初始化、变量初始化。

其中，MCU控制器硬件初始化包括对CAN控制器单元、以太网MAC控制器单元、非固定存储介质控制器单元、程序下载备用接口控制单元、RTC时钟接口控制单元、固定存储介质接口控制单元相关的硬件功能初始化。外部设备初始化为对CAN收发接口、以太网物理层收发接口、固定存储介质、RTC时钟、非固定存储介质接口和程序下载备用接口的初始设置；变量初始化为对程序软件中运行的数据、状态、标志位等变量的初始值给定。

本发明控制方法的中断服务包括定时器中断和CAN控制器单元中断。定时器中断提供本发明系统运行的时间节拍T，定时时间到达后将相应的标志位设置为有效；CAN控制器单元中断实现CAN总线数据接收，收到数据后将数据接收标志设置为有效。主循环通过查询标志位来确定是否有中断事件发生并进行相应的处理。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种列车用CAN-以太网通信转换及数据存储控制方法，其特征在于包括以下方法步骤：

采集当前设备节点信息，得到以太网通信地址，对以太网进行初始化；

接收CAN数据帧并存入数据缓存区，数据缓存区包括过程数据缓存区和事件缓存区；

按照既定时间间隔T1，通过以太网发送过程数据缓存区数据；

按照既定时间间隔T2，将过程数据缓存区数据打包并保存；

按照既定时间间隔T3，检查事件缓存区数据并记录；

接收并处理来自显示控制端指令；

检测非固定存储介质并复制数据；

作为FTP服务器接收并处理客户端数据操作请求。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：该控制方法采用的硬件结构包括MCU控制器、CAN收发接口、以太网物理层收发接口、固定存储介质、RTC时钟、非固定存储介质接口和程序下载备用接口；其中，所述MCU控制器内部集成有CAN控制器单元、以太网MAC控制器单元、非固定存储介质控制器单元、程序下载备用接口控制单元、RTC时钟接口控制单元、固定存储介质接口控制单元；所述MCU控制器通过所述CAN控制器单元与所述CAN收发接口连接，所述CAN收发接口用于CAN总线与MCU控制器间的电平和时序转换，所述MCU控制器通过所述以太网MAC控制器单元与所述以太网物理层收发接口连接，所述以太网物理层收发接口用于以太网接口与所述MCU控制器间的电平和时序转换；所述MCU控制器通过所述非固定存储介质控制器单元与所述非固定存储介质接口连接；所述MCU控制器通过所述程序下载备用接口控制单元与所述程序下载备用接口连接；所述MCU控制器通过所述RTC时钟接口控制单元与所述RTC时钟连接；所述MCU控制器通过所述固定存储介质接口控制单元与所述固定存储介质连接。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述的采集当前设备节点信息，具体为：通过CAN通信接收数据，从指定的数据帧中读取当前设备节点信息。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述的接收CAN数据帧并存入过程数据缓存区，具体为：CAN数据帧由所述MCU控制器接收，所述MCU控制器的所述CAN控制器单元按照特定的CAN数据帧接收数据，当CAN总线有数据时，所述CAN控制器单元的接收中断被触发，然后接收CAN总线数据；当所述MCU控制器接收到CAN数据时，按照既定协议，将符合要求的有效CAN数据帧按照固定格式缓存至所述MCU控制器数据缓存区，即过程数据缓存区；同时CAN接收数据中代表故障或状态的变量信息被筛选出存放于事件缓存区。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述的通过以太网发送过程缓存区数据，具体为：所述MCU控制器将所述过程数据缓存区数据打包为以太网帧结构发送至所述以太网物理层收发接口，通过所述以太网物理层收发接口与列车以太网或显示控制端通信。

6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：所述的将过程缓存区数据打包并保存，具体为：所述MCU控制器将所述过程数据缓存区数据打包为过程数据存储格式，存储于固定存储介质的过程数据文件中，过程数据文件为二进制格式。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述的检查事件缓存区数据并记录，具体为：所述MCU控制器定时检查所述事件缓存区的变量信息是否发生变化，所述事件缓存区的变量信息包括故障数据和状态数据，如有变化，则将当前的变量信息打包为事件存储格式，存储于固定存储介质的事件文件中，事件文件为二进制格式。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述的显示控制端指令从以太网接收，显示控制端指令包括校时命令、修改参数命令、直接导出过程数据命令、直接导出历史事件命令、格式化存储卡命令、从非固定存储介质导出数据命令和更新程序命令；接收校时命令时，修改所述RTC时钟时间，由所述CAN控制器单元转发该校时命令；接收修改参数命令时，由所述CAN控制器单元转发；接收直接导出过程数据命令或直接导出历史事件命令时，从固定存储介质读取过程数据文件信息或事件文件信息，并由所述以太网MAC控制器单元传出，经所述以太网物理层收发接口在线导出并解析至显示控制端；接收从非固定存储介质导出数据命令时，进入非固定存储介质数据下载预备状态，指定下载目标数据时间段；接收更新程序命令时，进行程序更新。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述的检测非固定存储介质并复制数据，具体为：当所述非固定存储介质控制器单元检测到有非固定存储介质接入，进一步判断下载目标数据是否已给定，如给定，则复制指定时段的过程数据文件的原始二进制文件及事件文件的原始二进制文件到非固定存储介质，否则将复制默认时段的过程数据文件的原始二进制文件及事件文件的原始二进制文件至非固定存储介质。

10.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述的作为FTP服务器接收并处理客户端数据操作请求，具体为：所述MCU控制器内部集成有FTP服务器，通过FTP服务器端口监听来自客户端的请求并应答；如果收到FTP服务器端口的数据下载请求，则会通过以太网FTP通信方式将固定存储介质内的原始二进制目标文件复制到客户端。