CN110601941A - 一种基于EtherCAT总线的车载信号传输系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种基于EtherCAT总线的车载信号传输系统及方法。所述系统包括主安全平台、副安全平台和至少一个从站单元，主安全平台和副安全平台安装有EtherCAT主站设备，从站单元安装有EtherCAT从控制器，主安全平台、副安全平台与从站单元组成环形拓扑结构；主安全平台用于向从站单元发送报文包括与从站单元对应的报文段，包括报文头和数据段；副安全平台用于代替所述主安全平台执行相关操作；从站单元用于获取对应数据段，并替换所述数据段中的内容，然后发送给下一个从站单元，本发明实施例通过环形拓扑结构将作为主站单元的主完全平台和安装有EtherCAT从控制器的从站单元连接，从而提高了车载通信系统数据传输的效率。

Description

一种基于EtherCAT总线的车载信号传输系统及方法
技术领域
本发明实施例涉及总线信息传输技术领域，尤其涉及一种基于EtherCAT总线的车载信号传输系统及方法。
背景技术
目前在车载信号系统架构中多使用的是以太网控制自动化技术(Ether ControlAutomation Technology，CAN)总线协议，CAN通信方案是在1986年的国际自动机工程师学会SAE大会上由Bosch首次提出，由于其可靠性及强兼容性被主流原始设备制造商(Original Equipment Manufacturer，OEM)采用，但是近来自动驾驶等技术上的快速突破，不断对传统CAN总线系统发起了挑战。传统的CAN总线最高传输速率为1Mbit/s，这已然满足不了越来越高的数据吞吐量的需求。
在过去由于CAN总线的高可靠性以及兼容性的特点，其在列车车载信号系统中应用十分广泛，但是随着自动驾驶等等技术的发展，传统的CAN总线技术已经越来越难以胜任系统的需求。根据CAN规范ISO11898-2所定义的标准帧结构，一帧报文最大只能传输64位(8个字节)的数据，在最好的情况下总线负载达到70％左右，不过如果报文数据少于8个字节的情况下总线负载可能会更小。CAN采用仲裁机制来判定不同节点CAN报文传输的优先级，在仲裁期同一总线上的所有节点必须在一个位的时间内到达。另一方面电信号有一个有限的传播速度，从大量经验中得出CAN总线以1Mbit/s运行的最长距离为40米，这就导致了无法进一步提高CAN的波特率。
由此可见，现在技术采用CAN总线的方式由于其较低的负载率、传输速度和波特率，严重影响了数据的传输效率。
发明内容
本发明实施例提供一种基于EtherCAT总线的车载信号传输系统及方法，用以解决现有技术由于其较低的负载率、传输速度和波特率，严重影响了数据的传输效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于EtherCAT总线的车载信号传输系统，包括：
主安全平台、副安全平台和至少一个从站单元，所述主安全平台和副安全平台安装有EtherCAT主站设备，所述从站单元安装有EtherCAT从控制器，所述主安全平台、副安全平台与所有的从站单元根据预设的排列顺序依次相连以组成环形拓扑结构；其中，
所述主安全平台，用于在预设的周期内根据所述排列顺序向一侧连接的从站单元发送报文，所述报文至少包括一条与所述从站单元唯一对应的报文段，所述报文段包括与所述从站对应的报文头和数据段；
所述副安全平台，用于在所述主安全平台出现故障时，代替所述主安全平台继续执行相关操作；
所述从站单元，用于获取所述报文中对应的报文段的数据段，并根据预设的规则替换所述数据段中的内容，然后将更新后的报文发送给相连的下一个从站单元。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于EtherCAT总线的车载信号传输方法，包括：
主安全平台在预设的周期内根据预设的排列顺序向一侧连接的从站单元发送报文，所述报文至少包括一条与所述从站单元唯一对应的报文段，所述报文段包括与所述从站对应的报文头和数据段；若所述主安全平台出现故障时，则由所述副安全平台代替所述主安全平台继续执行相关操作；
所述从站单元获取所述报文中对应的报文段的数据段，并根据预设的规则替换所述数据段中的内容，然后将更新后的报文发送给相连的下一个从站单元。
本发明实施例提供的基于EtherCAT总线的车载信号传输系统及方法，通过环形拓扑结构将作为EtherCAT主站单元的主完全平台和至少一个安装有EtherCAT从控制器的从站单元连接，从而提高了车载通信系统数据传输的效率。
附图说明
图1为本发明实施例的基于EtherCAT总线的车载信号传输系统结构示意图；
图2为本发明实施例的另一基于EtherCAT总线的车载信号传输系统结构示意图；
图3为本发明实施例的基于EtherCAT总线的车载信号传输方法流程图。
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，显然，所描述的实施例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。
图1为本发明实施例的基于EtherCAT总线的车载信号传输系统结构示意图，图2为本发明实施例的另一基于EtherCAT总线的车载信号传输系统结构示意图，如图1所示，所述系统包括：主安全平台10、副安全平台11和至少一个从站单元12，所述主安全平台10和副安全平台11安装有EtherCAT主站设备，所述从站单元12安装有EtherCAT从控制器，所述主安全平台10、副安全平台11与所有的从站单元12根据预设的排列顺序依次相连以组成环形拓扑结构；其中，
所述主安全平台10用于在预设的周期内根据所述排列顺序向一侧连接的从站单元12发送报文，所述报文至少包括一条与所述从站单元12唯一对应的报文段，所述报文段包括与所述从站单元12对应的报文头和数据段；所述副安全平台11用于在所述主安全平台10出现故障时，代替所述主安全平台10继续执行相关操作；所述从站单元12用于获取所述报文中对应的报文段的数据段，并根据预设的规则替换所述数据段中的内容，然后将更新后的报文发送给相连的下一个从站单元12。
本发明实施例提供了一种基于EtherCAT技术的车载信号系统架构，实现地铁列车各个模块的数据采集、分析、控制命令的传输，以提高列车运行的安全。
将地铁列车的主安全平台10作为EtherCAT主站单元，并安装有EtherCAT主站设备，所述主站设备可以采用标准的以太网介质存取控制器MAC，即网卡。
进一步地，所述从站单元为ATP系统设备、ATO系统设备、TWC系统设备、或者各个传感器组件。
根据地铁列车的设计，一辆列车上包含有大量系统设备，例如列车自动保护系统(Automatic Train Protection，ATP)系统、列车自动驾驶系统(Automatic TrainOperation，ATO)系统、车地通讯系统TWC、以及各个传感器组件。通过将这些系统的设备和组件作为EtherCAT从站单元12，并在每个从站单元12安装专用的硬件EtherCAT从站控制器(EtherCAT Slave Controller，ESC)来高速动态地处理数据，并通过相互连接可实现在这些单元间的信息传输。EtherCAT网络性能并不取决于从站单元12使用的微处理器性能，因为所有的通讯都在ESC硬件中完成，这些措施使得以太网性能得到很大的提高。由于通讯采用逻辑环结构，主站可以简单、精确地确定各个从站时钟传播的延迟。EtherCAT每个从站设备都会有分布式时钟(DC)的存在，可以对延时进行补偿，从而将各个从站设备之间的同步误差控制在ns级。由于在EtherCAT系统中过程数据通讯协议和TCP/IP协议栈可以并行运行，简单的系统配置，高速高效率，简化布线节省成本等特点，这些优势，十分符合车载通信系统对实时性、安全性、可用性的要求。
本发明实施例采用环形拓扑结构，利用以太网全双工的特性，将主站单元主安全平台10、副安全平台11与所有从站单元12根据预设的排列顺序依次相连，用于连接的传输介质可以根据实际的需要来进行选择，例如可以为5类百兆规范之上的双绞线。
所述主安全平台10根据预设的周期，以及该周期内需要发送给多个从站单元的待传数据生成报文，所述报文由多个与从站单元一一对应的报文段组成，每个报文段至少包括报文头和数据段，其中报文头包括有与各个从站单元一一对应的标识，对应的数据段包括有所述主安全平台10发送给该从站单元12的待传数据。
所述主安全平台发送报文可以是一个固定的周期发送的，也可以根据实际的需要发送突发性的报文，还可以是是多个周期同步进行的，例如与包含所述C1、C2对应报文段的报文的发送周期与包含所述C3、C4对应报文段的报文可以采用不同的周期发送。
然后所述主安全平台10将该报文发送给与其相连的一侧的第一个从站单元C1。所述第一个从站单元C1的EtherCAT从站控制器的I/O板卡检测到该报文时，根据报文头中的标识，找到与C1唯一对应的报文段，并提取出该报文段的数据段中的待传数据，同时根据预设的规则对该待传数据进行解析以得到相关指令，例如读入数据或写入数据到指定的位置等，从而操作I/O端口执行相应的操作，例如将回传数据插入到所述数据段中用以替换其中的待传数据。然后第一个从站单元C1会将更新后的报文发送给第二个从站单元C2，由C2提取出对应的数据段中的待传数据并更新为回传数据后再发送给第三个从站单元C3，依次类推，直到该报文遍历整个链路。在最后一个从站单元Cn完成对应数据段的更新后，最后一个从站单元Cn会将更新后的报文向回发送给上一个从站单元Cn-1，并依次将报文回传，在经过第一个从站单元C1后返回到主安全平台10，从而实现一个周期的过程数据通讯。
另外，为了增加系统的冗余特性，系统还包括副安全平台11，所述副安全平台11也安装有与所述主安全平台10相同的EtherCAT主站设备。所述副安全平台11共享所有由主安全平台10发出和接收到的报文，并保持与所述主安全平台10的数据同步，这些报文可以通过如图1所示与所述主安全平台10串联后得到，也可以是所述主安全平台10单独发送给所述副安全平台11，具体可以根据系统的实际需要来进行设定。当所述主安全平台10出现故障时，并行的副安全平台11会直接代替所述主安全平台10行使例如发送报文、接收报文、对报文数据进行处理等相关操作。
如图2所示，在实际的地铁列车中，可以将所述主安全平台10和副安全平台11，分别位于列车两端的车头部位并安装有网卡，每个从站单元都安装有EtherCAT从站控制器，并根据接收到的报文中对应数据段的待传数据执行相应的指令。例如，所述接口板卡分别通过CAN和通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)与测速测距单元以及HMI模块相连。所述测速测距单元将采集到的速度以及距离信息通过CAN总线传递给接口板卡，此时若该接口板卡的EtherCAT从控制器检测到由主安全平台10发送的报文，会根据对应数据段中待传数据给出的命令将采集到的信息插入到报文中，从而使主安全平台在接收回发的报文后得到需要的信息并进行处理。
本发明实施例通过环形拓扑结构将作为EtherCAT主站单元的主完全平台10和至少一个安装有EtherCAT从控制器的从站单元12连接，从而提高了车载通信系统数据传输的效率。
基于上述实施例，进一步地，所述从站单元还用于，若不存在相连的下一个从站单元，则将更新后的报文发送给上一个从站单元，依次传递，直到将更新后的报文发送给所述主安全平台。
在形成环形拓扑结构后，从站单元间的连接线路可能会因为各种原因导致中断而使报文无法继续发送到下一个从站单元。若从站单元Ci在Ci+1之间出现故障，所述Ci无法检测到与其相连的下一个从站单元Ci+1。引时，Ci在将报文对应的数据段内容进行提取和更新等操作后，会直接将更新后的报文回发给上一个从站单元Ci-1。然后再依次传递，直到将更新后的报文发回给所述主安全平台10。
进一步地，所述主安全平台若根据接收到的更新后的报文判定存在无法连接的从站单元时，则在下一个周期同时向两侧连接的从站单元发送新的报文。
所以主安全平台在接收到回发的报文后，会根据报文中的信息获知该报文是否已经遍历了所有的从站单元。若判定，没有遍历所有的从站单元，例如，根据报文的内容得到从站单元Ci+1～Cn没有更新对应的报文段，则可以判定环形拓扑结构在从站单元Ci+1前发生故障。
在下一个发送周期中，主安全平台会将会同时向与其相连的两侧从站单元C1和Cn发送报文，两侧发送的报文可以是包含有全部报文段的报文，也可以根据之前的判断的故障发生点分别发送包含不同报文段的报文，具体的内容可以根据实际的需要来进行设定，在此不作具体限定。此时，发送给C1的报文在依次更新并发送到达C2、C3、……、Ci后回发，而另一边发送给Cn的报文在依次更新并发送到达Cn-1、Cn-2、……、Ci+1后回发。从而在链路出现故障时，仅需一个周期即可解决问题。
本发明实施例通过环形拓扑结构将作为EtherCAT主站单元的主完全平台和至少一个安装有EtherCAT从控制器的从站单元连接，从而提高了车载通信系统数据传输的效率。
基于上述实施例，进一步地，所述系统采用FSoE协议进行所述报文的传输。
在安全性方面，系统可以采用的安全协议有很多，其中，FSoE(Safety overEtherCAT)是基于IEC61508开发的，并由技术监督协会(Technischer-Verein，)认证。该协议可支持到功能安全等级SIL3的安全应用场合。在FSoE中，通信系统可被看作为“黑色通道”的一部分，它并非安全相关的。安全数据帧可被看做一个“安全容器”，其中包含了安全关键过程以及一些用于保证数据安全性的额外信息。
本发明实施例通过环形拓扑结构将作为EtherCAT主站单元的主完全平台和至少一个安装有EtherCAT从控制器的从站单元连接，从而提高了车载通信系统数据传输的效率。
图3为本发明实施例的基于EtherCAT总线的车载信号传输方法流程图，如图3所示，所述方法包括：
步骤S01、主安全平台在预设的周期内根据预设的排列顺序向一侧连接的从站单元发送报文，所述报文至少包括一条与所述从站单元唯一对应的报文段，所述报文段包括与所述从站对应的报文头和数据段；若所述主安全平台出现故障时，则由所述副安全平台代替所述主安全平台继续执行相关操作。
本发明实施例提供了一种基于上述实施例所述的EtherCAT技术的车载信号系统架构，所述系统包括主安全平台、副安全平台和至少一个从站单元，所述主安全平台和副安全平台安装有EtherCAT主站设备，所述从站单元安装有EtherCAT从控制器，所述主安全平台、副安全平台与所有的从站单元根据预设的排列顺序依次相连以组成环形拓扑结构。
进一步地，所述从站单元为ATP系统设备、ATO系统设备、TWC系统设备、或者各个传感器组件。
根据地铁列车的设计，一辆列车上包含有大量系统设备，例如列车自动保护系统(Automatic Train Protection，ATP)系统、列车自动驾驶系统(Automatic TrainOperation，ATO)系统、车地通讯系统TWC、以及各个传感器组件。通过将这些系统的设备和组件作为EtherCAT从站单元，并在每个从站单元安装专用的硬件EtherCAT从站控制器(EtherCAT Slave Controller，ESC)来高速动态地处理数据，并通过相互连接可实现在这些单元间的信息传输。
所述主安全平台根据预设的周期，以及该周期内需要发送给多个从站单元的待传数据生成报文，所述报文由多个与从站单元一一对应的报文段组成，每个报文段至少包括报文头和数据段，其中报文头包括有与各个从站单元一一对应的标识，对应的数据段包括有所述主安全平台发送给该从站单元的待传数据。
然后所述主安全平台将该报文发送给与其相连的一侧的第一个从站单元C1。
当所述主安全平台出现故障时，并行的副安全平台会直接代替所述主安全平台行使例如发送报文、接收报文、对报文数据进行处理等相关操作。
步骤S02、所述从站单元获取所述报文中对应的报文段的数据段，并根据预设的规则替换所述数据段中的内容，然后将更新后的报文发送给相连的下一个从站单元。
所述第一个从站单元C1的EtherCAT从站控制器的I/O板卡检测到该报文时，根据报文头中的标识，找到与C1唯一对应的报文段，并提取出该报文段的数据段中的待传数据，同时根据预设的规则对该待传数据进行解析以得到相关指令，例如读入数据或写入数据到指定的位置等，从而操作I/O端口执行相应的操作，例如将回传数据插入到所述数据段中用以替换其中的待传数据。然后第一个从站单元C1会将更新后的报文发送给第二个从站单元C2，由C2提取出对应的数据段中的待传数据并更新为回传数据后再发送给第三个从站单元C3，依次类推，直到该报文遍历整个链路。在最后一个从站单元Cn完成对应数据段的更新后，最后一个从站单元Cn会将更新后的报文向回发送给上一个从站单元Cn-1，并依次将报文回传，在经过第一个从站单元C1后返回到主安全平台，从而实现一个周期的过程数据通讯。
本发明实施例通过环形拓扑结构将作为EtherCAT主站单元的主完全平台和至少一个安装有EtherCAT从控制器的从站单元连接，从而提高了车载通信系统数据传输的效率。
基于上述实施例，进一步地，所述方法还包括：
若所述从站单元判定不存在相连的下一个从站单元，则将更新后的报文发送给上一个从站单元，依次传递，直到将更新后的报文发送给所述主安全平台。
在形成环形拓扑结构后，从站单元间的连接线路可能会因为各种原因导致中断而使报文无法继续发送到下一个从站单元。若从站单元Ci在Ci+1之间出现故障，所述Ci无法检测到与其相连的下一个从站单元Ci+1。引时，Ci在将报文对应的数据段内容进行提取和更新等操作后，会直接将更新后的报文回发给上一个从站单元Ci-1。然后再依次传递，直到将更新后的报文发回给所述主安全平台10。
进一步地，所述方法还包括：
所述主安全平台若根据接收到的更新后的报文判定存在无法连接的从站单元时，则在下一个周期同时向两侧连接的从站单元发送新的报文。
所以主安全平台在接收到回发的报文后，会根据报文中的信息获知该报文是否已经遍历了所有的从站单元。若判定，没有遍历所有的从站单元，例如，根据报文的内容得到从站单元Ci+1～Cn没有更新对应的报文段，则可以判定环形拓扑结构在从站单元Ci+1前发生故障。
在下一个发送周期中，主安全平台会将会同时向与其相连的两侧从站单元C1和Cn发送报文，两侧发送的报文可以是包含有全部报文段的报文，也可以根据之前的判断的故障发生点分别发送包含不同报文段的报文，具体的内容可以根据实际的需要来进行设定，在此不作具体限定。此时，发送给C1的报文在依次更新并发送到达C2、C3、……、Ci后回发，而另一边发送给Cn的报文在依次更新并发送到达Cn-1、Cn-2、……、Ci+1后回发。从而在链路出现故障时，仅需一个周期即可解决问题。
本发明实施例通过环形拓扑结构将作为EtherCAT主站单元的主完全平台和至少一个安装有EtherCAT从控制器的从站单元连接，从而提高了车载通信系统数据传输的效率。
基于上述实施例，进一步地，所述系统采用FSoE协议进行所述报文的传输。
在安全性方面，系统可以采用的安全协议有很多，其中，FSoE(Safety overEtherCAT)是基于IEC61508开发的，并由技术监督协会(Technischer-Verein，)认证。该协议可支持到功能安全等级SIL3的安全应用场合。在FSoE中，通信系统可被看作为“黑色通道”的一部分，它并非安全相关的。安全数据帧可被看做一个“安全容器”，其中包含了安全关键过程以及一些用于保证数据安全性的额外信息。
本发明实施例通过环形拓扑结构将作为EtherCAT主站单元的主完全平台和至少一个安装有EtherCAT从控制器的从站单元连接，从而提高了车载通信系统数据传输的效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以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精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于EtherCAT总线的车载信号传输系统，其特征在于，包括：
主安全平台、副安全平台和至少一个从站单元，所述主安全平台和副安全平台安装有EtherCAT主站设备，所述从站单元安装有EtherCAT从控制器，所述主安全平台、副安全平台与所有的从站单元根据预设的排列顺序依次相连以组成环形拓扑结构；其中，
所述主安全平台，用于在预设的周期内根据所述排列顺序向一侧连接的从站单元发送报文，所述报文至少包括一条与所述从站单元唯一对应的报文段，所述报文段包括与所述从站对应的报文头和数据段；
所述副安全平台，用于在所述主安全平台出现故障时，代替所述主安全平台继续执行相关操作；
所述从站单元，用于获取所述报文中对应的报文段的数据段，并根据预设的规则替换所述数据段中的内容，然后将更新后的报文发送给相连的下一个从站单元。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述从站单元还用于，若不存在相连的下一个从站单元，则将更新后的报文发送给上一个从站单元，依次传递，直到将更新后的报文发送给所述主安全平台。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述主安全平台若根据接收到的更新后的报文判定存在无法连接的从站单元时，则在下一个周期同时向两侧连接的从站单元发送新的报文。
4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述从站单元为ATP系统设备、ATO系统设备、TWC系统设备、或者各个传感器组件。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统采用FSoE协议进行所述报文的传输。
6.一种基于EtherCAT总线的车载信号传输方法，其特征在于，包括：
主安全平台在预设的周期内根据预设的排列顺序向一侧连接的从站单元发送报文，所述报文至少包括一条与所述从站单元唯一对应的报文段，所述报文段包括与所述从站对应的报文头和数据段；若所述主安全平台出现故障时，则由所述副安全平台代替所述主安全平台继续执行相关操作；
所述从站单元获取所述报文中对应的报文段的数据段，并根据预设的规则替换所述数据段中的内容，然后将更新后的报文发送给相连的下一个从站单元。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若所述从站单元判定不存在相连的下一个从站单元，则将更新后的报文发送给上一个从站单元，依次传递，直到将更新后的报文发送给所述主安全平台。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述主安全平台若根据接收到的更新后的报文判定存在无法连接的从站单元时，则在下一个周期同时向两侧连接的从站单元发送新的报文。
9.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述从站单元为ATP系统设备、ATO系统设备、TWC系统设备、或者各个传感器组件。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述系统采用FSoE协议进行所述报文的传输。
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