CN109947579B - 轨道车辆通用网络控制器平台及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道车辆通用网络控制器平台及控制方法，通用网络控制器平台包括主数据处理单元、以太网通信维护单元和通用IO采集单元，主数据处理单元包括主处理器和协处理器，主处理器与协处理器之间通过设于协处理器内部的共享内存进行数据交互；主处理器与以太网通信维护单元连接，协处理器与通用IO采集单元连接；通用IO采集单元包括多个背板硬件接口相同的IO板卡，每个IO板卡均包含多路相同功能的硬件模块和IO板卡种类信息，IO板卡根据自身种类信息与协处理器发送的CAN通信节点进行通信。本发明能够提高网络控制器平台的灵活性和通用性，降低网络控制器平台的调试维修成本。

Description

轨道车辆通用网络控制器平台及控制方法

技术领域

本发明属于网络控制技术领域，涉及网络控制系统，具体地说，涉及一种轨道车辆通用网络控制器平台及控制方法。

背景技术

列车网络控制系统是高速列车的控制中枢，列车的每一个动作都是由列车网络控制系统发出指令调度，因此，列车网络控制系统被称为“高铁之脑”和“神经系统”。基于轨道列车网络控制系统的复杂性，为了控制整车平稳智能运转，中央处理单元需要获取每个车的速度信息、牵引状态、制动状态、轴温和空调等各种车载设备的状态，并控制受电弓、主断路器、车门等大量的数字开关量，无论是动车组还是城轨，每个车都需要配备采集这些关键数据的网络控制器。例如：远程输入/输出模块、高压控制模块、本地牵引控制模块等都被称作网络控制器。同一车型中，动车和拖车需要的网络控制器不同，不同车型由于生产厂家不同，网络控制器也不同。

传统的网络控制器平台，每个网络控制器机箱内配置的板卡数量均是固定的，并且每个槽位的板卡功能也是固定的。例如：数字量输入板卡只能放在槽位1位置，模拟量采集板卡只能放置在槽位2位置等。由于这类网络控制器内部IO板卡都放置在固定槽位且功能固定，不能根据实际项目需要灵活配置IO板卡，适应动车和拖车的需求，适应动车组和城轨的要求。因此，需要更改网络控制器背板硬件，增加所需功能的IO板卡槽位，还需要修改主控板和IO板卡的底层驱动软件，且不同的项目需要不同的底层驱动软件。不同功能的网络控制器底层驱动软件不同，网络控制器背板硬件不同，种类繁多，工作量大，调试维护成本高，难以满足网络控制器平台化、通用性的要求，不利于实际项目的调试、维护和产品的批量化应用。

发明内容

本发明针对现有网络控制器平台存在的灵活性、通用性差等上述问题，提供了一种灵活和通用性强的轨道车辆通用网络控制器平台及控制方法，能够提高网络控制器平台的灵活性和通用性，降低网络控制器平台的调试维修成本。

为了达到上述目的，本发明提供了一种轨道车辆通用网络控制器平台，包括主数据处理单元、以太网通信维护单元和通用IO采集单元，其中：

主数据处理单元包括主处理器和协处理器，主处理器与协处理器之间通过设于协处理器内部的共享内存进行数据交互；所述主处理器与所述以太网通信维护单元连接，用于加载网络控制器配置信息以及主处理器和协处理器的配置程序，所述协处理器与所述通用IO采集单元连接，用于读出共享内存中的CAN通信节点信息，并依次向通用IO采集单元发送CAN通信节点；

通用IO采集单元包括多个背板硬件接口相同的IO板卡，每个IO板卡均包含多路相同功能的硬件模块和IO板卡种类信息，IO板卡根据自身种类信息与所述协处理器发送的CAN通信节点进行通信。

进一步的，所述主数据处理单元还包括与所述主处理器连接的故障数据存储模块，当主处理器检测到故障发生时，触发故障数据存储模块，将主处理器的关键数据变量存储至故障数据存储模块。

优选的，每种IO板卡均具有独立的底层驱动软件编码，同种类型IO板卡的底层驱动软件编码相同。

优选的，所述配置信息包括当前网络控制器机箱每个槽位的IO板卡分配的CAN通信节点以及和每个CAN通信节点对应的数据交互信息。

优选的，所述配置信息还包括设于主处理器的MVB端口的数据信息和诊断信息。

优选的，所述以太网通信维护单元包括通过以太网与所述主处理器的维护端口连接的PC上位机和通过以太网与所述主处理器的通信端口连接的工业实时以太网。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种轨道车辆通用网络控制器控制方法，采用上述轨道车辆通用网络控制器平台，其具体步骤为：

主数据处理单元上电，主处理器接收以太网通信维护单元发送的网络控制器的整个配置信息，对IO板卡配置信息进行解析，确定网络控制器每个槽位对应的IO板卡配置信息，并进行存储；

主处理器将解析完成的IO板卡配置信息写入协处理器的共享内存；

协处理器读出共享内存中的CAN通信节点信息，依次向IO板卡周期性发送CAN通信节点；

IO板卡上电，IO板卡根据自身槽位信息与协处理器发送的CAN通信节点进行实时通信，完成网络控制器的信息交互。

优选的，IO板卡上电之后，IO板卡的底层驱动软件读取IO板卡硬件种类信息，与主处理器中存储的IO板卡硬件种类信息进行对比，若两者不匹配，底层驱动软件报出硬件故障，IO板卡中相应的故障灯指示故障。

优选的，每个槽位的IO板卡上电之后，IO板卡的底层驱动软件读取当前槽位的硬线编码信息，所述协处理器发送的CAN通信节点为所述槽位的硬线编码信息与通用CAN通信节点运算组合后形成的新的CAN通信节点。

优选的，IO板卡和协处理器进行CAN通信时采用制定的统型通信协议给每种类型的IO板卡分配特定的n个CAN通信节点。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明通用网络控制器平台包括主数据处理单元、以太网通信维护单元和通用IO采集单元，IO采集单元含有多个背板硬件接口相同的IO板卡，主数据处理单元中的主处理器通过以太网与以太网通信维护单元进行通信，主数据处理单元的协处理器通过CAN总线与IO板卡进行通信，每个IO板卡均包含多路相同功能的硬件模块和IO板卡种类信息，本发明通过对IO板卡的设计保证通用网络控制器平台的灵活性和通用性，只要配置信息允许，某种IO板卡可以插到网络控制器机箱的任何槽位，实现了轨道车辆通用网络控制器的灵活配置，适应各种应用场合，可以装配不同的动车、城轨车型。

(2)本发明通用网络控制器内部使用CAN总线进行通信，相较于传统RS485，CAN总线具有完善的数据链路层和通信协议，具有更高的安全性和可靠性。CAN总线通信采用调度节点和命令节点的方式，主数据处理单元和IO板卡在每一时刻点对点的进行通信，尽可能的降低了CAN总线链路层堵塞的概率，提高CAN总线通信的可靠性，降低CAN通信总线的利用率。

(3)本发明IO板卡的底层驱动软件可以自动识别IO板卡种类信息，并传递给主数据处理单元，与该网络控制器配置信息进行对比，保证网络控制器所有IO板卡配置都是正确的，进一步提高了网络控制器功能的可靠性。

(4)本发明还设有故障数据存储模块，以太网通信维护单元通过以太网将需要记录的关键数据变量信息传递给主数据处理单元中的主处理器，当主处理器检测到故障发生时，会触发故障数据存储模块，主处理器将关键数据变量存储到故障数据存储模块中，用户根据需要使用上位机下载故障记录数据，协助进行故障分析。

(5)本发明主处理器设有两个网络端口，一个网络端口作为维护端口使用，用户借助以太网通信维护单元中的PC端上位机，通过维护端口与主处理器进行通信，根据实际需求加载网络控制器配置信息和主处理器、协处理器的配置程序，实现数据变量强制、观测功能和在线加载主处理器、协处理器的配置程序功能。一个网络端口作为通信端口使用，可以运用在列车监控网络中，提高网络传输速率，提升列车检修维护效率，适应未来工业实时以太网控车的项目需求。

附图说明

图1为本发明实施例轨道车辆通用网络控制器平台结构框图；

图2为本发明实施例用户加载网络控制器配置和主数据处理单元上电配置流程图；

图3为本发明实施例通用IO采集单元上电配置和通信流程图。

图中，1、主数据处理单元，11、主处理器，12、协处理器，121、共享内存，13、故障数据存储模块，2、以太网通信维护单元，21、PC上位机，22、工业实时以太网，3、通用IO采集单元，31、IO板卡，4、中央处理单元。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

参见图1，本发明实施例提供了一种轨道车辆通用网络控制器平台，包括主数据处理单元1、以太网通信维护单元2和通用IO采集单元3，其中：

主数据处理单元1包括主处理器11和协处理器12，主处理器11与协处理器12之间通过设于协处理器12内部的共享内存121进行数据交互。所述主处理器11与所述以太网通信维护单元2连接，用于加载网络控制器配置信息以及主处理器和协处理器的配置程序，所述配置信息包括当前网络控制器机箱每个槽位的IO板卡分配的CAN通信节点以及和每个CAN通信节点对应的数据交互信息。所述协处理器12与所述通用IO采集单元3连接，用于读出共享内存中的CAN通信节点信息，并依次向通用IO采集单元3发送CAN通信节点。

通用IO采集单元3包括多个背板硬件接口相同的IO板卡31，每个IO板卡均包含多路相同功能的硬件模块和IO板卡种类信息，IO板卡根据自身种类信息与所述协处理器发送的CAN通信节点进行通信。所有IO板卡的背板硬件的接口都是一样的，只要配置信息允许，某种IO板卡可以插到网络控制器机箱的任何槽位，保证了IO板卡的灵活性和通用性。每个IO板卡含有多路相同功能的硬件模块，例如：每个数字量输出板卡都包含8路数字量输出(MOSFET输出或者继电器输出)电路，每个模拟量采集板卡都包含8路模拟量采集电路等，能够满足不同项目对同一类型IO功能的数量要求。

在上述通用网络控制器平台中，CAN通信节点包括CAN调度节点和CAN命令节点。也就是说，协处理器读出共享内存中的CAN通信节点信息，依次向IO板卡周期性发送CAN调度节点和CAN命令节点，其中，CAN调度节点用于轮询所有IO板卡，CAN命令节点用于向所有IO板卡下发指令。CAN调度节点主要包括CAN数据状态节点和CAN诊断节点。CAN总线采用调度节点和命令节点的方式，主数据处理单元与IO板卡在每一个时刻点对点的进行通信，能够尽可能的降低CAN总线链路层堵塞的概率，提高CAN总线通信的可靠性，降低CAN总线利用率。

在上述通用网络控制器平台中，所述配置信息还包括设于主处理器的MVB端口的数据信息和诊断信息。具体地说，主处理器设有MVB端口，主处理器通过MVB端口由MVB总线与中央处理单元进行数据通信。也就是说，网络控制器上电后，主处理器会读取配置信息，配置MVB端口数据，然后通过MVB总线完成与中央处理单元的信息交互。

在上述通用网络控制器平台中，每种IO板卡均具有独立的底层驱动软件编码，同种类型IO板卡的底层驱动软件编码相同。每次IO板卡上电之后，协处理器会发送CAN诊断节点，轮询所有IO板卡，主处理器收到的IO板卡种类的软件编码和用户配置信息进行比对，判断网络控制器机箱内每个槽位IO板卡是否匹配正确，若不正确会报出相应的IO板卡类型识别错误故障，保证网络控制器所有IO板卡配置都是正确的，进一步提高网络控制器功能的可靠性。由于网络控制器背板进行硬件设计时，每个槽位都设置有硬线编码信息。为了区分不同槽位的相同类型IO板卡，保证IO板卡底层驱动软件编码和当前IO板卡类型匹配，每个槽位的IO板卡上电后，底层驱动软件会读取当前槽位的硬线编码信息，通过通用CAN节点和槽位的硬件编码信息的运算组合后，形成的新的CAN通信节点，通过该CAN通信节点判定每个槽位IO板卡是否配置正确。同样的，主处理器在解析网络控制器IO板卡配置信息时也会采用通用的运算方式，协处理器根据解析后的配置信息发送CAN通信节点，周期性轮询整个网络控制器的IO板卡，以此实现网络控制器内部的数据实时更新。

所述以太网通信维护单元2包括通过以太网与所述主处理器的维护端口连接的PC上位机21和通过以太网与所述主处理器的通信端口连接的工业实时以太网22。具体地说，主处理器支持双网络端口，一个网络端口为维护端口，与PC上位机通过以太网连接，用户借助PC上位机，通过维护端口与主处理器进行通信，根据实际需求加载网络控制器配置信息和主处理器、协处理器的配置程序，实现数据变量强制、观测功能和在线加载主处理器、协处理器的配置程序功能。另一个网络端口为通信端口，与列车监控网络中的中央处理单元4连接，实现工业实时以太网控车，能够提高网络传输速率，提升列车检修维护效率，适应未来工业实时以太网控车的项目需求。

当网络控制系统发生故障时，为方便后续运维人员对故障的解析和处理。继续参见图1，在上述通用网络控制器平台的一优选实施方式中，所述主数据处理单元1还包括与所述主处理器11连接的故障数据存储模块13，当主处理器检测到故障发生时，触发故障数据存储模块，将主处理器的关键数据变量存储至故障数据存储模块。具体地说，用户可以根据实际需求通过以太网通信维护单元灵活配置需要存储的关键故障数据，主处理器接收到配置信息，对关键数据进行筛选和缓存，当网络控制系统发生故障的时候，中央控制单元通过MVB总线发送故障位，网络控制器接收到故障位后，主处理器将缓存的m+n包关键数据，故障发生前n包数据，故障发生后m包数据，依次写入至故障数据存储模块，用户根据需求使用太网通信维护单元下载故障记录数据，协助进行故障分析。

本发明上述通用网路控制器平台中，网络控制器内部通信使用的是CAN总线，由于每种类型的IO板卡的底层驱动软件都是相同的，CAN总线采用的通信协议为指定的统型通信协议，给每种类型IO板卡分配特定的n个CAN通信节点，例如：IO板卡种类1，CAN通信节点111，CAN通信节点112等；IO板卡种类2，CAN通信节点121，CAN通信节点122等；以此类推。整个网络控制器平台运行的CAN通信节点，实际上是通信协议中定义的通用CAN通信节点和槽位的硬线编码信息的运算组合后形成的新的CAN通信节点。

此外，本实施例上述通用网路控制器平台中，采用ARM作为主处理器，采用FPGA作为协处理器，故障数据存储模块为外部存储器，可以是EEPROM或Flash，具体可以根据实际需求设置。

本发明上述通用网路控制器平台用户只需下载配置文件，主处理器根据配置文件，配置网络控制器机箱内的IO板卡，无需更改网络控制器硬件背板和任何IO板卡底层驱动软件，即可实现功能不同的网络控制器。

本发明另一实施例提供了一种轨道车辆通用网络控制器控制方法，采用上述轨道车辆通用网络控制器平台，其具体步骤为：

S1、主数据处理单元上电，主处理器接收以太网通信维护单元发送的网络控制器的整个配置信息，对IO板卡配置信息进行解析，确定网络控制器每个槽位对应的IO板卡配置信息，并进行存储；

S2、主处理器将解析完成的IO板卡配置信息写入协处理器的共享内存；

S3、协处理器读出共享内存中的CAN通信节点信息，依次向IO板卡周期性发送CAN通信节点；

S4、IO板卡上电，IO板卡根据自身槽位信息与协处理器发送的CAN通信节点进行实时通信，完成网络控制器的信息交互。

步骤S4中，为了保证IO板卡的底层驱动软件与当前IO板卡类型匹配，IO板卡上电之后，IO板卡的底层驱动软件读取IO板卡硬件种类信息，与主处理器中存储的IO板卡硬件种类信息进行对比，若两者不匹配，底层驱动软件报出硬件故障，IO板卡中相应的故障灯指示故障。

步骤S4中，为了区分不同槽位的相同IO类型板卡，每个槽位的IO板卡上电之后，IO板卡的底层驱动软件读取当前槽位的硬线编码信息，所述协处理器发送的CAN通信节点为所述槽位的硬线编码信息与通用CAN通信节点运算组合后形成的新的CAN通信节点。通过新的CAN通信节点周期性轮询整个网络控制器的IO板卡，实现网络控制器内部的数据实时更新。同样地，在主处理器解析网络控制器IO板卡配置信息时会遵循所述槽位的硬线编码信息与通用CAN通信节点运算方式，协处理器根据解析后的配置信息发送CAN通信节点即可。

上述控制方法中，由于每种类型的IO板卡底层驱动软件都是相同的，IO板卡和协处理器进行CAN通信时采用制定的统型通信协议，给每种类型的IO板卡分配特定的n个CAN通信节点。例如：IO板卡种类1，CAN通信节点111，CAN通信节点112等；IO板卡种类2，CAN通信节点121，CAN通信节点122等；以此类推。

参见图2，具体地，用于在线加载网络控制器配置信息和主数据处理单元上电配置的具体过程为：

用户网络控制器配置文件通过PC上位机将网络控制器配置信息通过以太网1发送给主处理器ARM，主处理器ARM读取配置信息，并通过其自身的外设管理模块将解析后的配置信息包括IO板卡槽位信息和MVB端口变量信息写入外部存储器中进行存储，将解析后的IO板卡信息包括每个槽位IO板卡分配的CAN通信节点以及每个节点对应的数据交互信息发送至协处理器FPGA内部的共享内存，将解析后的MVB端口变量信息通过MVB总线与中央处理单元进行信息交互。协处理器FPGA读出共享内存中的CAN通信节点信息，通过CAN总线依次向IO板卡周期性发送CAN通信节点，轮询所有IO板卡，IO板卡根据自身槽位信息与协处理器FPGA发送的CAN通信节点进行通信，完成网络控制器的状态、诊断和命令等信息的交互。

参见图3，具体地，对通用IO采集单元进行上电配置和通信过程为：

IO板卡上电后，IO板卡的底层驱动软件自诊断读取IO板卡硬件种类信息，与网络控制器预先设置的IO板卡硬件种类信息进行对比，若两者不匹配，IO板卡的底层驱动软件会报出硬件故障，硬件中会有相应的LED故障指示灯指示故障，若两者匹配，IO板卡的底层驱动软件会读取当前槽位的硬线编码信息，将该硬线编码信息与通信协议中定义的通用CAN通信节点进行运算组合，形成新的CAN通信节点。初始化IO板卡内部处理器的软件模块CAN控制器，IO板卡内部处理器的软件模块CAN节点循环收发控制模块一方面通过CAN总线发送CAN通信节点至主数据处理单元，另一方面接收CAN通信节点，并判断接收的CAN通信节点是调度节点还是命令节点，若是命令节点则发送至IO输出模块，若是调度节点，则轮询IO诊断模块和IO输入模块。

本发明上述控制方法，采用上述通用网路控制器平台进行控制，用户只需下载配置文件，主处理器根据配置文件，配置网络控制器机箱内的IO板卡，无需更改网络控制器硬件背板和任何IO板卡底层驱动软件，即可实现功能不同的网络控制器。协处理器根据解析后的配置信息发送CAN通信节点，周期性轮询整个网络控制器的IO板卡，实现网络控制器内部的数据实时更新。可灵活配置轨道车辆通用网络控制器，适应各种应用场合，装配不同的动车、城轨车型。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种轨道车辆通用网络控制器平台，其特征在于，包括主数据处理单元、以太网通信维护单元和通用IO采集单元，其中：

主数据处理单元包括主处理器和协处理器，主处理器与协处理器之间通过设于协处理器内部的共享内存进行数据交互；所述主处理器与所述以太网通信维护单元连接，用于加载网络控制器配置信息以及主处理器和协处理器的配置程序，所述协处理器与所述通用IO采集单元连接，用于读出共享内存中的CAN通信节点信息，并依次向通用IO采集单元发送CAN通信节点；

通用IO采集单元包括多个背板硬件接口相同的IO板卡，每个IO板卡均包含多路相同功能的硬件模块和IO板卡种类信息，IO板卡根据自身种类信息与所述协处理器发送的CAN通信节点进行通信；CAN通信节点包括CAN调度节点和CAN命令节点，CAN调度节点用于轮询所有IO板卡，CAN命令节点用于向所有IO板卡下发指令；

其控制步骤为：

主数据处理单元上电，主处理器接收以太网通信维护单元发送的网络控制器的整个配置信息，对IO板卡配置信息进行解析，确定网络控制器每个槽位对应的IO板卡配置信息，并进行存储；

主处理器将解析完成的IO板卡配置信息写入协处理器的共享内存；

协处理器读出共享内存中的CAN通信节点信息，依次向IO板卡周期性发送CAN通信节点；

IO板卡上电，IO板卡根据自身槽位信息与协处理器发送的CAN通信节点进行实时通信，完成网络控制器的信息交互；每次IO板卡上电之后，协处理器会发送CAN调度节点的CAN诊断节点，轮询所有IO板卡，主处理器收到的IO板卡种类的软件编码和用户配置信息进行比对，判断网络控制器机箱内每个槽位IO板卡是否匹配正确，若不正确会报出相应的IO板卡类型识别错误故障。

2.如权利要求1所述的轨道车辆通用网络控制器平台，其特征在于，所述主数据处理单元还包括与所述主处理器连接的故障数据存储模块，当主处理器检测到故障发生时，触发故障数据存储模块，将主处理器的关键数据变量存储至故障数据存储模块。

3.如权利要求1或2所述的轨道车辆通用网络控制器平台，其特征在于，每种IO板卡均具有独立的底层驱动软件编码，同种类型IO板卡的底层驱动软件编码相同。

4.如权利要求1或2所述的轨道车辆通用网络控制器平台，其特征在于，所述配置信息包括当前网络控制器机箱每个槽位的IO板卡分配的CAN通信节点以及和每个CAN通信节点对应的数据交互信息。

5.如权利要求4所述的轨道车辆通用网络控制器平台，其特征在于，所述配置信息还包括设于主处理器的MVB端口的数据信息和诊断信息。

6.如权利要求1或2所述的轨道车辆通用网络控制器平台，其特征在于，所述以太网通信维护单元包括通过以太网与所述主处理器的维护端口连接的PC上位机和通过以太网与所述主处理器的通信端口连接的工业实时以太网。

7.如权利要求1所述的轨道车辆通用网络控制器平台，其特征在于，IO板卡上电之后，IO板卡的底层驱动软件读取IO板卡硬件种类信息，与主处理器中存储的IO板卡硬件种类信息进行对比，若两者不匹配，底层驱动软件报出硬件故障，IO板卡中相应的故障灯指示故障。

8.如权利要求1所述的轨道车辆通用网络控制器平台，其特征在于，每个槽位的IO板卡上电之后，IO板卡的底层驱动软件读取当前槽位的硬线编码信息，所述协处理器发送的CAN通信节点为所述槽位的硬线编码信息与通用CAN通信节点运算组合后形成的新的CAN通信节点。

9.如权利要求1所述的轨道车辆通用网络控制器平台，其特征在于，IO板卡和协处理器进行CAN通信时采用制定的统型通信协议，给每种类型的IO板卡分配特定的n个CAN通信节点。

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