CN111884898B - 基于软、硬件融合的列车网络控制系统及融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于软、硬件融合的列车网络控制系统与融合方法，系统包括CPU板卡、MVB主卡、WTB板卡、总线背板；所述CPU板卡为主控板卡，通过所述总线背板同时与所述MVB主卡、WTB板卡连接，同时运行有MVB进程与WTB进程，所述MVB进程与WTB进程通过共享内存进行数据交互；所述MVB主卡用于MVB总线的网络管理和MVB数据通信功能；所述WTB板卡用于WTB总线的网络管理和WTB数据通信功能。本发明的列车网络控制系统，将中央控制单元和网关融合，MVB进程与WTB进程共享CPU，精简了网络系统结构，减少了设备之间的通信节点，实时性更强。同时，MVB进程与WTB进程通过共享内存进行信息交互，大大减少了数据传输时间，实时性更强。

Description

基于软、硬件融合的列车网络控制系统及融合方法

技术领域

本发明属于TCN列车通信网络技术领域，尤其涉及一种基于软、硬件融合的列车网络控制系统及融合方法。

背景技术

列车通信网络TCN定义了两级分层结构,分别对应为绞线式列车总线WTB和多功能车辆总线MVB。其中，中央控制单元和网关为现有列车控制网络中两个相互独立的核心系统部件，中央控制单元主要负责列车网络控制系统的MVB总线管理、逻辑控制、监视和故障诊断的功能，中央控制单元通过车辆总线和本牵引单元子系统进行通信，实现对MVB车载子系统的控制和诊断。网关采用MVB和WTB两种类型的总线形式实现列车信息的跨编组传输，负责MVB总线和WTB总线的通信协议数据转换和网络路由功能，具有WTB总线管理能力，能够实现列车网络的自动编组，具有自诊断和面向用户的下载配置和网络监视功能。

但在现有列车网络控制系统中，中央控制单元和网关为两个独立工作的设备，造成设计结构复杂，设备间的通信节点多，存在通信故障率增大的隐患。同时，在现有列车网络控制系统中，中央控制单元和网关通过MVB总线进行车辆关键控制信息和状态信息交互，MVB总线最小轮询周期为32ms，最大周期为1024ms，每个MVB端口最大传输大小为32字节，存在一定总线传输延时和数据包传输大小局限性，通信实时性较低，一次性数据交互信息量较小。

因此，本发明考虑将现有的列车网络控制系统进行改进，将两个相互独立的中央控制单元和网关进行融合，以解决现有中央控制单元和网关设备设计结构复杂和实时性差的问题。

发明内容

本发明在上述现有列车网络控制系统不足的基础上提供了一种基于软、硬件融合的列车网络控制系统及融合方法，将中央控制单元和网关融合，MVB进程与WTB进程共享CPU，通过共享内存进行信息交互，以精简网络系统结构，提高通信实时性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于软、硬件融合的列车网络控制系统，包括CPU板卡、MVB主卡、WTB板卡、总线背板；

所述CPU板卡为主控板卡，通过所述总线背板同时与所述MVB主卡、WTB板卡连接，同时运行有MVB进程与WTB进程，所述MVB进程与WTB进程通过共享内存进行数据交互；

所述MVB主卡用于MVB总线的网络管理和MVB数据通信功能；

所述WTB板卡用于WTB总线的网络管理和WTB数据通信功能；

所述总线背板用于CPU板卡与MVB主卡、WTB板卡之间的数据访问及数据交互。

优选的，所述CPU板卡、MVB主卡、WTB板卡分别包括2个互为冗余设计的板卡，各CPU板卡通过总线背板同时与每一MVB主卡、WTB板卡连接。

优选的，系统还包括电源板卡，所述电源板卡通过总线背板为所述CPU板卡、MVB主卡、WTB板卡供电。

优选的，所述MVB进程包括MVB共享内存数据处理与分配模块，所述MVB共享内存数据处理与分配模块读取共享内存访问互斥锁后，并将接收到的WTB进程发送的共享内存数据关联到对应的MVB端口数据中并进行MVB端口数据发送与接收，并将接收的MVB端口数据关联到对应的共享内存数据后，发送共享内存数据至WTB进程；

所述WTB进程包括WTB共享内存数据处理与分配模块，所述WTB共享内存数据处理与分配模块读取共享内存访问互斥锁后，将WTB数据关联到对应的共享内存数据中，并发送共享内存数据至MVB进程；同时接收MVB进程发送的共享内存数据，将接收到的共享内存数据关联到对应的WTB数据中。

优选的，所述MVB进程还包括MVB数据收发模块、任务调度模块；

所述MVB数据收发模块负责根据预定的数据轮询周期接收本地牵引单元的MVB数据和发送CPU逻辑处理的MVB数据，用于本地牵引单元数据信息的交互；

所述任务调度模块负责不同任务的周期调度执行，用于CPU内部不同任务之间的协同工作。

优选的，所述MVB进程还包括服务程序模块、监控程序模块、故障诊断模块；

所述服务程序模块负责对外提供变量监控服务，用于外部变量监控软件对协议变量变化进行实时监控；

所述监控程序模块负责监控列车网络控制系统各进程的工作状态；

所述故障诊断模块负责列车故障数据诊断以及列车网络控制系统各板卡故障诊断。

优选的，所述MVB进程还包括主冗余控制模块；所述主冗余控制模块负责列车网络控制系统的冗余工作模式，用于判断当前CPU板卡及与该CPU板卡通信的各板卡的激活状态。

优选的，所述WTB进程还包括WTB冗余控制模块；所述WTB冗余控制模块负责接收所述主冗余控制模块的冗余控制信号，根据冗余控制信号的激活和冗余指令，控制WTB板卡的工作状态。

优选的，所述WTB进程还包括WTB故障日志模块，所述WTB故障日志模块负责WTB板卡上电初始化记录、冗余状态记录和WTB板卡工作异常记录。

优选的，所述WTB进程还包括WTB数据收发模块、WTB地址运算模块；

所述WTB数据收发模块负责根据预定的数据轮询周期接收其他牵引单元WTB节点的WTB数据和发送本地牵引单元WTB节点的WTB数据，用于车辆不同牵引单元数据信息的交互；

所述WTB地址运算模块根据WTB数据配置信息对每个WTB节点的逻辑地址和物理地址进行运算，运算结果用于WTB数据配置。

本发明还提供了一种基于软、硬件融合的列车网络控制系统融合方法，采用所述的基于软、硬件融合的列车网络控制系统，包括：

(S1)、系统上电初始化后，判断系统冗余状态，若当前CPU板卡激活处于主工作模式下，MVB进程配置MVB端口主模式，WTB进程配置WTB板卡主模式，MVB进程和WTB进程进入主工作状态，执行以下步骤：

(S2)、MVB进程读取共享内存访问互斥锁后，将接收到的WTB进程发送的共享内存数据关联到对应的MVB端口数据中并进行MVB端口数据发送与接收，并将接收的MVB端口数据关联到对应的共享内存数据后，发送共享内存数据至WTB进程；

(S3)、WTB进程读取共享内存访问互斥锁后，将WTB数据关联到对应的共享内存数据中，并发送共享内存数据至MVB进程；同时接收MVB进程发送的共享内存数据，将接收到的共享内存数据关联到对应的WTB数据中并发送。

优选的，步骤(S1)中系统上电初始化后，若判断当前CPU板卡非激活处于从工作模式，则MVB进程配置MVB端口从模式，WTB进程配置WTB板卡从模式。

优选的，步骤(S2)的具体方法为：

MVB进程读取共享内存访问互斥锁，如果能访问，则互斥加锁，MVB进程接收WTB进程发送的共享内存数据，接收完成后，互斥解锁；MVB进程将接收的共享内存数据关联到对应的MVB端口数据中，并执行MVB端口发送函数进行端口数据发送，发送完成后，则MVB进程执行MVB端口接收函数进行端口数据接收，接收完成后，则MVB进程读取共享内存访问互斥锁，如果能访问，则互斥加锁，MVB进程将接收的MVB端口数据关联到对应的共享内存数据中，并发送共享内存数据至WTB进程，发送完成后，互斥解锁，重复执行读取共享内存访问互斥锁操作。

优选的，步骤(S3)的具体方法为：

WTB进程接收WTB数据，接收完成后，则WTB进程读取共享内存访问互斥锁，如果能访问，则互斥加锁，WTB进程将WTB数据关联到对应的共享内存数据中，并发送共享内存数据至MVB进程，并接收MVB进程发送的共享内存数据，并将接收到的共享内存数据关联到对应的WTB数据中，完成后，互斥解锁，WTB进程执行WTB数据发送，发送完成后，则重复执行接收WTB数据操作。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提供了一种基于软、硬件融合的列车网络控制系统与方法，对于系统硬件融合设计方面，通过设计CPU板卡、MVB主卡、WTB板卡，MVB主卡、WTB板卡共用一CPU板卡，使中央控制单元和网关两个相互独立的设备进行融合，精简了网络系统设计结构，减少了设备之间的通信节点，降低了通信故障发生的概率。对于系统软件融合设计方面，将MVB进程与WTB进程通过共享内存进行关键控制信息和状态信息交互，相比于MVB总线的数据传输方式，内存访问速度更快、数据实时性更强、一次交互数据量更大，大大减少了数据传输时间，实时性更强。

附图说明

图1为本发明的列车网络控制系统硬件融合设计拓扑结构；

图2为本发明列车网络控制系统软件融合设计功能框图；

图3为本发明列车网络控制系统软件融合方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明实施例针对现有列车网络控制系统中由于中央控制单元和网关独立设计，导致网络通信节点多、结构复杂，通信实时性差，故障率增大等问题，考虑对列车网络控制系统进行改进，将中央控制单元和网关融合为一整体设备，以简化设计结构，减少通信节点；同时，将融合后的中央控制单元和网关共享同一CPU平台，车辆关键控制信息和状态信息通过共享内存交叉访问的方式进行数据交互，以提高系统通信实时性与通信质量。该基于软、硬件融合的列车网络控制系统具体设计为：

对于系统硬件融合设计，如图1所示，系统硬件包括CPU板卡、MVB主卡、WTB板卡、CPCI总线背板、电源板卡，CPU板卡为主控板卡，通过CPCI总线背板同时与MVB主卡、WTB板卡连接。其中：CPU板卡负责应用初始化、MVB主卡初始化、车辆控制逻辑和MVB数据收发功能等、WTB板卡初始化、WTB数据收发、逻辑地址运算和数据转发功能等，MVB主卡用于MVB总线的网络管理和MVB数据通信功能，WTB板卡用于WTB总线的网络管理、WTB初运行、WTB数据通信功能。CPCI总线背板用于CPU板卡与MVB主卡、WTB板卡之间的数据访问及数据交互。电源板卡通过CPCI总线背板为CPU板卡、MVB主卡、WTB板卡供电。

本实施例中将中央控制单元和网关两个相互独立的设备进行融合，设计为CPU板卡、MVB主卡、WTB板卡，MVB主卡、WTB板卡共用CPU，精简了网络系统设计结构，减少了设备之间的通信节点，降低了通信故障发生的概率。同时，为保证故障时，系统仍能正常工作，减少系统的故障概率，提高系统可靠性，本实施例中列车网络控制系统硬件可采用主从冗余模式设计，将CPU板卡、MVB主卡、WTB板卡、电源板卡分别设计为2个互为冗余设计的板卡，各板卡分为主板卡与从板卡，各CPU板卡通过CPCI总线背板同时与每一MVB主卡、WTB板卡连接。

对于系统软件融合的设计，使用上述硬件融合，本实施例中将MVB进程与WTB进程共享CPU，CPU板卡同时运行有MVB进程与WTB进程。如图2所示，其中：

MVB进程主要负责MVB数据收发、任务调度、冗余控制、服务程序、监控程序、故障诊断等功能。MVB数据收发模块负责根据预定的数据轮询周期接收本地牵引单元的MVB数据和发送CPU逻辑处理的MVB数据，用于本地牵引单元数据信息的交互。任务调度模块负责CPU内工作台布置、定时器设定，以及不同任务的周期调度执行，用于CPU系统内部不同任务之间的协同工作。服务程序模块负责对外提供变量监控服务，用于外部变量监控软件对协议变量变化进行实时监控。监控程序模块负责监控列车网络控制系统关键进程的工作状态。故障诊断模块负责列车故障数据诊断、记录及列车网络控制系统各板卡自身故障诊断。主冗余控制模块负责列车网络控制系统的冗余工作模式判定，在系统启动和运行过程中，用于判断当前CPU板卡及与该CPU板卡通信的各板卡的激活状态。

WTB进程主要负责WTB数据收发、WTB地址运算、WTB冗余控制和WTB故障日志等功能。其中，WTB数据收发模块用于车辆不同牵引单元数据信息的交互，负责根据预定的数据轮询周期接收其他WTB节点的WTB数据和发送本WTB节点的WTB数据。WTB地址运算模块负责根据WTB总线数据配置信息对每个WTB节点的逻辑地址和物理地址进行运算，运算结果用于WTB数据处理功能。WTB冗余控制模块负责接收主冗余控制模块的冗余控制信号，根据冗余控制信号的激活和冗余指令，控制WTB板卡的工作状态。WTB故障日志模块负责WTB板卡上电初始化记录、冗余状态记录和WTB板卡工作异常记录。

同时，本实施例中将MVB进程与WTB进程通过共享内存进行数据交互，交互车辆关键信息，并提供共享内存应用控制逻辑进行逻辑处理和逻辑运算。其中，MVB进程设置了MVB共享内存数据处理与分配模块，WTB进程相应设置了WTB共享内存数据处理与分配模块，共享内存数据处理负责输入和输出状态数据、控制数据、内部数据和协议数据，用于网关程序进程与共享内存数据交互；数据分配负责将接收的MVB或WTB数据按照逻辑地址和物理地址分发到对应的共享内存区域。具体为：MVB共享内存数据处理与分配模块，在读取共享内存访问互斥锁后，并将接收到的WTB进程发送的共享内存数据关联到对应的MVB端口数据中并进行MVB端口数据发送与接收，并将接收的MVB端口数据关联到对应的共享内存数据后，发送共享内存数据至WTB进程。WTB共享内存数据处理与分配模块，在读取共享内存访问互斥锁后，将WTB数据关联到对应的共享内存数据中，并发送共享内存数据至MVB进程；同时接收MVB进程发送的共享内存数据，将接收到的共享内存数据关联到对应的WTB数据。参考图3所示，共享内存的应用控制逻辑即该共享内存的融合方法具体为：

系统上电各进程初始化后，判断系统冗余状态，若判断当前CPU板卡非激活处于从工作模式，则MVB进程配置MVB端口从模式，WTB进程配置WTB板卡从模式。若当前CPU板卡激活处于主工作模式下，MVB进程配置MVB端口主模式，WTB进程配置WTB板卡主模式，MVB进程和WTB进程进入主工作状态，并执行以下步骤：

MVB进程读取共享内存访问互斥锁，如果能访问，则互斥加锁，MVB进程接收WTB进程发送的共享内存数据，发送完成后，互斥解锁，MVB进程将共享内存数据关联到对应的MVB端口数据中，同时，MVB进程执行MVB端口发送函数进行端口数据发送，如果未发送完成，则继续执行此步操作，如果发送完成，则MVB进程执行MVB端口接收函数进行端口数据接收，如果未接收完成，则继续执行此步操作，如果接收完成，则MVB进程读取共享内存访问互斥锁，如果能访问，则互斥加锁，MVB进程将接收的MVB端口数据关联到对应的共享内存数据中，并发送共享内存数据至WTB进程，发送完成后，互斥解锁，重复执行读取共享内存访问互斥锁操作。

同时，WTB进程接收WTB数据，如果未接收完成，则继续执行此步操作，如果接收完成，则WTB进程读取共享内存访问互斥锁，如果能访问，则互斥加锁，WTB进程将WTB数据关联到对应的共享内存数据中，并发送共享内存数据至MVB进程，同时，接收MVB进程发送的共享内存数据，并将接收到的共享内存数据关联到对应的WTB数据中，关联完成后，互斥解锁，WTB进程执行WTB数据发送，如果未发送完成，则继续执行此步操作，如果发送完成，则重复执行接收WTB数据操作。

本实施例中将MVB进程与WTB进程共享CPU，CPU板卡同时运行有MVB进程与WTB进程，且MVB进程与WTB进程通过共享内存进行数据交互，使车辆关键控制信息和状态信息通过CPU板卡共享内存交叉访问的方式进行数据交互，相比于MVB总线的数据传输方式，内存访问速度更快、数据实时性更强、一次交互数据量更大。

综上，本发明提供的基于软、硬件融合的列车网络控制系统与方法，对于系统硬件融合设计，通过设计CPU板卡、MVB主卡、WTB板卡，MVB主卡、WTB板卡共用CPU板卡，使中央控制单元和网关两个相互独立的设备进行融合，精简了网络系统设计结构，减少了设备之间的通信节点，降低了通信故障发生的概率。对于系统软件融合设计，将MVB进程与WTB进程通过共享内存进行关键控制信息和状态信息交互，相比于MVB总线的数据传输方式，内存访问速度更快、数据实时性更强、一次交互数据量更大，大大减少了数据传输时间，实时性更强。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (13)

1.一种基于软、硬件融合的列车网络控制系统，其特征在于，包括CPU板卡、MVB主卡、WTB板卡、总线背板；

所述CPU板卡为主控板卡，通过所述总线背板同时与所述MVB主卡、WTB板卡连接，同时运行有MVB进程与WTB进程，所述MVB进程与WTB进程通过共享内存进行数据交互；

所述MVB主卡用于MVB总线的网络管理和MVB数据通信功能；

所述WTB板卡用于WTB总线的网络管理和WTB数据通信功能；

所述总线背板用于CPU板卡与MVB主卡、WTB板卡之间的数据访问及数据交互；

所述MVB进程包括MVB共享内存数据处理与分配模块，所述MVB共享内存数据处理与分配模块读取共享内存访问互斥锁后，并将接收到的WTB进程发送的共享内存数据关联到对应的MVB端口数据中并进行MVB端口数据发送与接收，并将接收的MVB端口数据关联到对应的共享内存数据后，发送共享内存数据至WTB进程；

所述WTB进程包括WTB共享内存数据处理与分配模块，所述WTB共享内存数据处理与分配模块读取共享内存访问互斥锁后，将WTB数据关联到对应的共享内存数据中，并发送共享内存数据至MVB进程；同时接收MVB进程发送的共享内存数据，将接收到的共享内存数据关联到对应的WTB数据中。

2.根据权利要求1所述的基于软、硬件融合的列车网络控制系统，其特征在于，所述CPU板卡、MVB主卡、WTB板卡分别包括2个互为冗余设计的板卡，各CPU板卡通过总线背板同时与每一MVB主卡、WTB板卡连接。

3.根据权利要求1所述的基于软、硬件融合的列车网络控制系统，其特征在于，系统还包括电源板卡，所述电源板卡通过总线背板为所述CPU板卡、MVB主卡、WTB板卡供电。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于软、硬件融合的列车网络控制系统，其特征在于，所述MVB进程还包括MVB数据收发模块、任务调度模块；

所述MVB数据收发模块负责根据预定的数据轮询周期接收本地牵引单元的MVB数据和发送CPU逻辑处理的MVB数据，用于本地牵引单元数据信息的交互；

所述任务调度模块负责不同任务的周期调度执行，用于CPU内部不同任务之间的协同工作。

5.根据权利要求1所述的基于软、硬件融合的列车网络控制系统，其特征在于，所述MVB进程还包括服务程序模块、监控程序模块、故障诊断模块；

所述服务程序模块负责对外提供变量监控服务，用于外部变量监控软件对协议变量变化进行实时监控；

所述监控程序模块负责监控列车网络控制系统各进程的工作状态；

所述故障诊断模块负责列车故障数据诊断以及列车网络控制系统各板卡故障诊断。

6.根据权利要求1所述的基于软、硬件融合的列车网络控制系统，其特征在于，所述MVB进程还包括主冗余控制模块；所述主冗余控制模块负责列车网络控制系统的冗余工作模式，用于判断当前CPU板卡及与该CPU板卡通信的各板卡的激活状态。

7.根据权利要求6所述的基于软、硬件融合的列车网络控制系统，其特征在于，所述WTB进程还包括WTB冗余控制模块；所述WTB冗余控制模块负责接收所述主冗余控制模块的冗余控制信号，根据冗余控制信号的激活和冗余指令，控制WTB板卡的工作状态。

8.根据权利要求7所述的基于软、硬件融合的列车网络控制系统，其特征在于，所述WTB进程还包括WTB故障日志模块，所述WTB故障日志模块负责WTB板卡上电初始化记录、冗余状态记录和WTB板卡工作异常记录。

9.根据权利要求1所述的基于软、硬件融合的列车网络控制系统，其特征在于，所述WTB进程还包括WTB数据收发模块、WTB地址运算模块；

所述WTB数据收发模块负责根据预定的数据轮询周期接收其他牵引单元WTB节点的WTB数据和发送本地牵引单元WTB节点的WTB数据，用于车辆不同牵引单元数据信息的交互；

所述WTB地址运算模块根据WTB数据配置信息对每个WTB节点的逻辑地址和物理地址进行运算，运算结果用于WTB数据配置。

10.一种基于软、硬件融合的列车网络控制系统融合方法，采用权利要求1-9任一项所述的基于软、硬件融合的列车网络控制系统，其特征在于，包括：

(S1)、系统上电初始化后，判断系统冗余状态，若当前CPU板卡激活处于主工作模式下，MVB进程配置MVB端口主模式，WTB进程配置WTB板卡主模式，MVB进程和WTB进程进入主工作状态，执行以下步骤：

(S2)、MVB进程读取共享内存访问互斥锁后，将接收到的WTB进程发送的共享内存数据关联到对应的MVB端口数据中并进行MVB端口数据发送与接收，并将接收的MVB端口数据关联到对应的共享内存数据后，发送共享内存数据至WTB进程；

(S3)、WTB进程读取共享内存访问互斥锁后，将WTB数据关联到对应的共享内存数据中，并发送共享内存数据至MVB进程；同时接收MVB进程发送的共享内存数据，将接收到的共享内存数据关联到对应的WTB数据中并发送。

11.根据权利要求10所述的基于软、硬件融合的列车网络控制系统融合方法，其特征在于，步骤(S1)中系统上电初始化后，若判断当前CPU板卡非激活处于从工作模式，则MVB进程配置MVB端口从模式，WTB进程配置WTB板卡从模式。

12.根据权利要求10所述的基于软、硬件融合的列车网络控制系统融合方法，其特征在于，步骤(S2)的具体方法为：

MVB进程读取共享内存访问互斥锁，如果能访问，则互斥加锁，MVB进程接收WTB进程发送的共享内存数据，接收完成后，互斥解锁；MVB进程将接收的共享内存数据关联到对应的MVB端口数据中，并执行MVB端口发送函数进行端口数据发送，发送完成后，则MVB进程执行MVB端口接收函数进行端口数据接收，接收完成后，则MVB进程读取共享内存访问互斥锁，如果能访问，则互斥加锁，MVB进程将接收的MVB端口数据关联到对应的共享内存数据中，并发送共享内存数据至WTB进程，发送完成后，互斥解锁，重复执行读取共享内存访问互斥锁操作。

13.根据权利要求10所述的基于软、硬件融合的列车网络控制系统融合方法，其特征在于，步骤(S3)的具体方法为：

WTB进程接收WTB数据，接收完成后，则WTB进程读取共享内存访问互斥锁，如果能访问，则互斥加锁，WTB进程将WTB数据关联到对应的共享内存数据中，并发送共享内存数据至MVB进程，并接收MVB进程发送的共享内存数据，并将接收到的共享内存数据关联到对应的WTB数据中，完成后，互斥解锁，WTB进程执行WTB数据发送，发送完成后，则重复执行接收WTB数据操作。

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