CN107171827A - 一种基于Linux平台的铁路实时以太网TRDP网关 - Google Patents

一种基于Linux平台的铁路实时以太网TRDP网关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Linux平台的铁路实时以太网TRDP网关，包括：ARM核心板、UART接口、CAN接口、以太网收发器和以太网总线接口；其中，ARM核心板分别与UART接口、CAN接口、以太网收发器连接；以太网收发器和以太网总线接口连接；ARM核心板装载有Linux平台，ARM核心板用于根据TRDP协议，实现车载设备和列车通信网的数据传输。采用本发明实施例，能实现TRDP通信数据的快速处理，满足铁路以太网对实时性的要求。

Description

一种基于Linux平台的铁路实时以太网TRDP网关
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种基于Linux平台的铁路实时以太网TRDP网关。
背景技术
过去的铁路用的网络技术最快仅为数Mbit/秒，随着监控并记录车辆和装备的情况、配备客户使用的无线LAN等通信功能、车内监控摄像头像素的增加、车内显示器的大型化和高画质化等功能的不断强化，数据传输速度已经无法满足了，于是，作为能够实现10Mbit/秒以上的数据传输技术，以太网成为了众望所归。而目前实时以太网的列车车辆总线国际标准为IEC61375-2-3，新标准会逐步应用到中国轨道交通领域。
随着铁路行业的发展，实时的以太网会得到广泛的应用，但由于铁路通讯网络的专用性和强针对性(主要应用于铁路和部分电力系统等一些特殊领域)，用于实现TRDP(Train Real-time Data Protocol，简称TRDP)协议转换成其他数据形式，如TRDP转换成UART或CAN等数据形式的实时以太网关还是一片空白。现有的数据转换形式主要是依赖芯片自带的以太网软核协议栈，协议栈是指网络中各层协议的总和，其形象反映了一个网络中文件的传输过程：由上层协议到底层协议，再由底层协议到上层协议。目前使用最广泛的是英特网协议栈，由上到下的协议分别是：1、应用层(HTTP，FTP，TFTP，TELNET，DNS，EMAIL等)；2、运输层(TCP，UDP)；3、网络层(IP)；4、链路层(WI-FI，以太网，令牌环等)；5、物理层(MAC)。
而现有的铁路以太网主要是通过MCU芯片自带的以太网协议栈实现的，其需要在物理层设置以太网控制芯片，而且该以太网控制芯片内部还需要撰写TCP/IP协议栈的上层协议命令，属于软件协议栈。但是，如果现有的系统使用的是低端单片机，则整个系统结构包括主单片机都需要更换，才能实现以太网功能。另外，由于MCU芯片不仅要实现以太网功能，还需要对车辆的其他功能进行控制，以太网的数据转换占用了MCU芯片的大量资源，导致内存成本增加，而且MCU芯片自带的软协议栈实时性较差，无法满足铁路以太网对实时性的要求。
发明内容
本发明实施例提出一种基于Linux平台的铁路实时以太网TRDP网关，实现了TRDP通信数据的快速处理，满足铁路以太网对实时性的要求。
本发明实施例提供一种基于Linux平台的铁路实时以太网TRDP网关，包括：ARM核心板、UART接口、CAN接口、以太网收发器和以太网总线接口；
其中，所述ARM核心板分别与所述UART接口、CAN接口、以太网收发器连接；所述以太网收发器和所述以太网总线接口连接；
所述ARM核心板装载有Linux平台，所述ARM核心板用于根据TRDP协议，实现车载设备和列车通信网的数据传输。
进一步的，所述ARM核心板用于根据TRDP协议，实现车载设备和列车通信网的数据传输，具体为：
所述ARM核心板根据TRDP协议，将由所述以太网总线接口接收的第一IP数字信号转换成第一并行数据信号后，依次通过UART接口或CAN接口发送给所述车载设备；
以及，所述ARM核心板根据所述TRDP协议，将所述UART接口或所述CAN接口接收的第二并行数据信号转换为第二IP数字信号后，依次通过所述以太网收发器、以太网总线接口发送给所述列车通信网。
进一步的，所述ARM核心板还用于系统初始化，以及实现TRDP以太网和UART网络之间、所述TRDP网络和CAN网络之间数据交换，具体为：
接收所述UART网络或CAN网络发送的TRDP配置参数信息；其中，所述TRDP配置参数信息包括TCMS主机IP、DNS主机IP、本地IP和端口；
检测TRDP总线的TTDB列车网络拓扑包，配置静态和动态列车网络拓扑参数；
根据所述DNS主机IP，发送DNS请求包，获得实际编组下的TCMS主机的IP地址；
根据所述静态和动态列车网络拓扑参数以及所述实际编组下的TCMS主机的IP地址，接收TCMS组播信息和发送TCMS单播通信，实现所述TRDP以太网和所述UART网络之间、所述TRDP网络和所述CAN网络之间数据交换。
进一步的，所述ARM核心板包括型号为i.MX 6UL的A7芯片；
所述A7芯片装载有所述Linux平台。
进一步的，所述ARM核心板还包括：协处理器和SDRAM内存；
其中，所述A7芯片是型号为MCIMX6G2CVM05AA的微处理器；
所述协处理器是型号为NEON MPE的协处理器；
所述SDRAM内存是型号为DDR3的SDRAM内存。
进一步的，所述以太网收发器包括型号为DP83848的PHY芯片；
所述PHY芯片分别与所述A7芯片的数据线和地址线连接。
进一步的，所述铁路实时以太网TRDP网关还包括：网络隔离变压器；
所述网络隔离变压器连接在所述以太网收发器和以太网总线接口之间。
进一步的，所述网络隔离变压器包括型号为TF1102P的控制芯片。
进一步的，所述铁路实时以太网TRDP网关还包括：电源电路、复位电路和TF卡接口；
所述ARM核心板分别与所述电源电路、所述复位电路、所述TF卡接口连接。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明实施例提供的一种基于Linux平台的铁路实时以太网TRDP网关，包括核心板、UART接口、CAN接口、以太网收发器和以太网总线接口；其中，ARM核心板装载有Linux平台，而且ARM核心板用于根据TRDP协议，实现车载设备和列车通信网的数据传输。相比于现有技术使用MCU芯片自带的以太网协议栈实现以太网通信，本发明通过Linux平台实现TRDP软核协议栈独立于MCU运作，不再需要在物理层增添硬件设备，能与主TCMS网络进行通信，满足铁路以太网对实时性的要求。另外，通过本发明的TRDP网关实现以太网数据传输，能优化MCU芯片的网络功能，释放其内存，而且无需考虑具体硬件和软件的开发成本，缩短产品的开发时间，便于产品更新。
附图说明
图1是本发明提供的基于Linux平台的铁路实时以太网TRDP网关的一种实施例的结构示意图；
图2是本发明提供的ARM核心板的一种实施例的电路结构示意图；
图3是本发明提供的以太网收发器的一种实施例的电路结构示意图；
图4是本发明提供的铁路实时以太网TRDP网关的另一种实施例的电路结构示意图；
图5是本发明提供的网络隔离变压器的一种实施例的电路结构示意图；
图6是本发明提供的电源电路的一种实施例的电路结构示意图；
图7是本发明提供的复位电路的一种实施例的电路结构示意图；
图8是本发明提供的TF卡接口的一种实施例的电路结构示意图。
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，是本发明提供的基于Linux平台的铁路实时以太网TRDP网关的一种实施例的结构示意图。如图1所示，该TRDP网关包括：ARM核心板1、UART接口2、CAN接口3、以太网收发器4和以太网总线接口5。其中，ARM核心板1分别与UART接口2、CAN接口3、以太网收发器4连接。以太网收发器4和以太网总线接口5连接。
在本实施例中，UART接口2和CAN接口3与外部车载设备连接，用于接收和发送并行数据信号。以太网总线接口5与外部的列车通信网连接，用于接收和发送IP数字信号。
在本实施例中，ARM核心板1用于根据TRDP协议，实现车载设备和列车通信网的数据传输，具体为：ARM核心板1根据TRDP协议，将由以太网总线接口5接收的第一IP数字信号转换成第一并行数据信号后，依次通过UART接口2或CAN接口3发送给车载设备；以及，ARM核心板1根据TRDP协议，将UART接口2或CAN接口3接收的第二并行数据信号转换为第二IP数字信号后，依次通过以太网收发器4、以太网总线接口5发送给列车通信网。
在本实施例中，ARM核心板1还用于系统初始化，以及实现TRDP以太网和UART网络之间、所述TRDP网络和CAN网络之间数据交换，具体为：
A、接收UART网络或CAN网络发送的TRDP配置参数信息；其中，TRDP配置参数信息包括TCMS主机IP、DNS主机IP、本地IP和端口；
B、检测TRDP总线的TTDB列车网络拓扑包，配置静态和动态列车网络拓扑参数；
C、根据DNS主机IP，发送DNS请求包，获得实际编组下的TCMS主机的IP地址；
D、根据该静态和动态列车网络拓扑参数以及该实际编组下的TCMS主机的IP地址，接收TCMS组播信息和发送TCMS单播通信，实现TRDP以太网和UART网络之间、TRDP网络和CAN网络之间数据交换。
作为本实施例的一种举例，参见图2，图2是本发明提供的ARM核心板的一种实施例的电路结构示意图。如图2所示，ARM核心板包括型号为i.MX 6UL的A7芯片；A7芯片装载有Linux平台。核心板还包括：协处理器和SDRAM内存；其中，A7芯片是型号为MCIMX6G2CVM05AA的微处理器；协处理器是型号为NEON MPE的协处理器；SDRAM内存是型号为DDR3的SDRAM内存。除此之外，核心白还可以集成128/256MB NAND Flash、硬件看门狗、硬件加密等，具备完整的最小系统功能。
本发明的ARM核心板1装置的LINUX平台，将TRDP协议栈封装在Linux平台中，对Linux进行了裁剪，完全适应TRDP对通讯实时性要求，信息的进栈/出栈，封包/解包等网络数据处理全部在Linux软核协议栈中进行。而为了快速处理TRDP通信数据，保证了MCU高速稳定的通信速率，选用了ARM的A7系列MCIMX6G2CVM05AA微处理器。
另外，Linux平台将用户设备的串口通讯协议(包括RS232/RS485)、CAN-bus总线协议转换为列车以太网通讯标准(包括高铁、动车、地铁、轻轨等)的以太网协议(如IEC61375-2-3TRDP协议)，并实现用户设备对列车以太网的接入，使用户应用数据能与列车主控系统实现高效的以太网传输，保证了列车正常运行。而且Linux平台具有以下软核技术特点：(1)基于实时Linux操作系统，其自带的成熟稳定以太网协议栈，不死机、耐攻击、通讯质量极为可靠；(2)软件实现了串口/CAN/以太网驱动层、TRDP协议层、应用层的分离，可以非常方便进行各种应用的组合和修改；(3)独创的“链路穿透”技术，实现了在正常列车以太网应用通讯的同时，可以支持FTP访问，以便于用户设备的软件升级，节省了设备软件升级时拆装成本。
本举例中的A7芯片是型号为MCIMX6G2CVM05AA的微处理器，具有高性能、低功耗、小尺寸等优点，以14x14和9x9MAPBGA形式封装，适合低功耗和空间受限的应用场合。其次，该微处理器具有硬件加密引擎、篡改检测和动态DRAM加密/解密等内置功能，可以使客户面向高度安全的应用进行设计。最后，微处理器优化了管脚，可以用四层PCB板进行设计，进一步节省成本。
作为本实施例的一种举例，参见图3，图3是本发明提供的以太网收发器的一种实施例的电路结构示意图。如图3所示，以太网收发器4包括型号为DP83848的PHY芯片。PHY芯片分别与A7芯片的数据线和地址线连接。该型号的PHY芯片为百兆以太网PHY，使用3.3V电源供电，选用LDO方案。而且该PHY芯片采用0.18μm CMOS技术、RMII接口设计(DP83848带MII/RMII/SNI配置可选)、48脚LQFP封装和3.3V MAC接口，具有低功耗和支持HP Auto-MIDX等功能。而为了保证以太网通信稳定，DP83848和ARM核心板之间连接信号的PCB走线作等长等处理。
作为本实施例的一种举例，参见图4，图4是本发明提供的铁路实时以太网TRDP网关的另一种实施例的电路结构示意图。如图4所示，该TRDP网关还包括：网络隔离变压器6、电源电路7、复位电路8和TF卡接口9。其中，网络隔离变压器6连接在以太网收发器4和以太网总线接口5之间。ARM核心板1分别与电源电路7、复位电路8、TF卡接口9连接。
参见图5，图5是本发明提供的网络隔离变压器的一种实施例的电路结构示意图。如图5所示，网络隔离变压器连接在以太网收发器和和以太网总线接口之间。网络隔离变压器包括型号为TF1102P的控制芯片。该控制芯片对以太网总线通信有信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离等作用；可以增强信号，使其传输距离更远；使芯片端与外部隔离，抗干扰能力大大增强，而且对芯片增加了很大的保护作用(如雷击)；当接到不同电平(如有的PHY芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V)的网口时，不会对彼此设备造成影响。
参见图6，图6是本发明提供的电源电路的一种实施例的电路结构示意图。如图6所示，本发明的电源电路采用的TLV62565开关稳压电源，具有使用简单、效率高、转换压差大、电流输出能力强、发热量小的特点。
参见图7，图7是本发明提供的复位电路的一种实施例的电路结构示意图。而本发明的ARM核心板1上已经集成了看门狗复位功能，1.6秒内不进行喂狗动作，则硬件看门狗强行复位处理器，这样可以保证系统意外崩溃时能自行恢复。
参见图8，图8是本发明提供的TF卡接口的一种实施例的电路结构示意图。TF卡接口9用于TF存储卡的接入。
由上可见，本发明实施例提供的基于Linux平台的铁路实时以太网TRDP网关，包括核心板、UART接口、CAN接口、以太网收发器和以太网总线接口；其中，ARM核心板装载有Linux平台，而且ARM核心板用于根据TRDP协议，实现车载设备和列车通信网的数据传输。相比于现有技术使用MCU芯片自带的以太网协议栈实现以太网通信，本发明通过Linux平台实现TRDP软核协议栈独立于MCU运作，不再需要在物理层增添硬件设备，能与主TCMS网络进行通信，满足铁路以太网对实时性的要求。另外，通过本发明的TRDP网关实现以太网数据传输，能优化MCU芯片的网络功能，释放其内存，而且无需考虑具体硬件和软件的开发成本，缩短产品的开发时间，便于产品更新。
进一步的，本发明的TRDP网关支持PD模式、DNS、TTDB，本发明使用Linux软核TRDP协议栈替代芯片自带的以太网协议栈，可以保证us级别的组播广播接收，便于和主控TCMS连接通讯，对比使用芯片自带的以太网协议栈的以太网通讯，本发明实施案例的实时性提高了10倍以上。采用本发明实施例能实现铁路实时TRDP以太网，解决目前铁路实时以太网Linux软件的TRDP网关的空白问题。
进一步的，本发明采用Linux软核协议，能避免软核协议栈所面临的病毒入侵、网络瘫痪等隐患，网络攻击不会对MCU中的主程序产生影响，增加了MCU工作的安全性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于Linux平台的铁路实时以太网TRDP网关，其特征在于，包括：ARM核心板、UART接口、CAN接口、以太网收发器和以太网总线接口；
其中，所述ARM核心板分别与所述UART接口、CAN接口、以太网收发器连接；所述以太网收发器和所述以太网总线接口连接；
所述ARM核心板装载有Linux平台，所述ARM核心板用于根据TRDP协议，实现车载设备和列车通信网的数据传输。
2.根据权利要求1所述的铁路实时以太网TRDP网关，其特征在于，所述ARM核心板用于根据TRDP协议，实现车载设备和列车通信网的数据传输，具体为：
所述ARM核心板根据TRDP协议，将由所述以太网总线接口接收的第一IP数字信号转换成第一并行数据信号后，依次通过UART接口或CAN接口发送给所述车载设备；
以及，所述ARM核心板根据所述TRDP协议，将所述UART接口或所述CAN接口接收的第二并行数据信号转换为第二IP数字信号后，依次通过所述以太网收发器、以太网总线接口发送给所述列车通信网。
3.根据权利要求2所述的铁路实时以太网TRDP网关，其特征在于，所述ARM核心板还用于系统初始化，以及实现TRDP以太网和UART网络之间、所述TRDP网络和CAN网络之间数据交换，具体为：
接收所述UART网络或CAN网络发送的TRDP配置参数信息；其中，所述TRDP配置参数信息包括TCMS主机IP、DNS主机IP、本地IP和端口；
检测TRDP总线的TTDB列车网络拓扑包，配置静态和动态列车网络拓扑参数；
根据所述DNS主机IP，发送DNS请求包，获得实际编组下的TCMS主机的IP地址；
根据所述静态和动态列车网络拓扑参数以及所述实际编组下的TCMS主机的IP地址，接收TCMS组播信息和发送TCMS单播通信，实现所述TRDP以太网和所述UART网络之间、所述TRDP网络和所述CAN网络之间数据交换。
4.根据权利要求1所述的铁路实时以太网TRDP网关，其特征在于，所述ARM核心板包括型号为i.MX 6UL的A7芯片；
所述A7芯片装载有所述Linux平台。
5.根据权利要求4所述的铁路实时以太网TRDP网关，其特征在于，所述ARM核心板还包括：协处理器和SDRAM内存；
其中，所述A7芯片是型号为MCIMX6G2CVM05AA的微处理器；
所述协处理器是型号为NEON MPE的协处理器；
所述SDRAM内存是型号为DDR3的SDRAM内存。
6.根据权利要求4所述的铁路实时以太网TRDP网关，其特征在于，所述以太网收发器包括型号为DP83848的PHY芯片；
所述PHY芯片分别与所述A7芯片的数据线和地址线连接。
7.根据权利要求1至6任一项所述的铁路实时以太网TRDP网关，其特征在于，还包括：网络隔离变压器；
所述网络隔离变压器连接在所述以太网收发器和以太网总线接口之间。
8.根据权利要求7所述的铁路实时以太网TRDP网关，其特征在于，所述网络隔离变压器包括型号为TF1102P的控制芯片。
9.根据权利要求7所述的铁路实时以太网TRDP网关，其特征在于，还包括：电源电路、复位电路和TF卡接口；
所述ARM核心板分别与所述电源电路、所述复位电路、所述TF卡接口连接。
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