CN209218118U

CN209218118U - 一种便携式多功能列车网关设备

Info

Publication number: CN209218118U
Application number: CN201920217894.8U
Authority: CN
Inventors: 赵科
Original assignee: Dalian Jiaotong University
Current assignee: Dalian Jiaotong University
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2019-08-06
Anticipated expiration: 2029-02-20

Abstract

一种便携式多功能的列车网关设备，ZYNQ主控制器的PS模块和PL模块之间通过AXI4总线连接，PS模块的PCI接口通过PCI连接器连接PCI总线，UART端口通过通信接口连接通信总线，CAN端口通过CAN收发模块和CAN接口连接CAN总线；PL模块通过扩展I/O连接MVB协议控制器和WORLDFIP协议控制器，MVB协议控制器通过MVB收发管理器和MVB接口连接MVB总线；WORLDFIP协议控制器通过WORLDFIP总线收发器和WORLDFIP接口连接WORLDFIP总线；转换电路通过背板连接器连接背板总线。本实用新型采用ZYNQ作为主控制器，软硬件协同设计，集成度高，方便网关多总线数据转换，携带和安装方便；具有MVB、WORLDFIP、CAN、RS422和RS485通信功能；具有PCI连接器，可以安装到电脑PCI插槽方便测试和平台搭建，又可以通过背板连接器插入车载设备机箱进行在线运行。

Description

一种便携式多功能列车网关设备

技术领域

本实用新型涉及网络控制技术领域，尤其涉及铁路行业现场总线网络控制技术领域。

背景技术

现有列车通信总线主要有MVB、WORLDFIP、CAN、RS485和RS422等，而列车网络主要存在一种通信总线，对应不同总线类型的设备就需要通过网关进行数据转换。现阶段主要有MVB-CAN、CANOPEN-RS485、WORLDFIP-CAN和WORLDFIP-RS485等网关，只实现两种网络数据的转换，并且大多采取用主板叠加通信网卡的方式实现。

要实现多种数据转换就需要多个网关，大部分网关设计是在主板上通过PC104接口叠加通信板卡实现，在列车运行环境下容易松动且电磁兼容性不好。另外大多数网关不能同时具有背板总线和PCI总线接口。

实用新型内容

为了解决现有列车通信网关存在的上述问题，本实用新型提供了一种便携式多功能的列车网关设备。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种便携式多功能的列车网关设备，ZYNQ主控制器包括软件可编程的PS模块和硬件逻辑可编程的PL模块，PS模块和PL模块之间通过AXI4总线连接，PS模块设有PCI接口、UART端口、CAN端口，PCI接口通过PCI连接器连接PCI总线，UART端口通过通信接口连接通信总线，CAN端口通过CAN收发模块和CAN接口连接CAN总线；PL模块通过扩展I/O连接MVB协议控制器和WORLDFIP协议控制器，MVB协议控制器通过MVB收发管理器和MVB接口连接MVB总线；WORLDFIP协议控制器通过WORLDFIP总线收发器和WORLDFIP接口连接WORLDFIP总线；转换电路通过背板连接器连接背板总线。

所述ZYNQ主控制器的PS模块还包括DDR Controller控制器，DDR Controller控制器连接外部存储器。

所述UART端口为3路，分别连接RS485接口、RS422接口和用于串口调试的RS232接口，RS485接口连接RS485总线，RS422接口连接RS422总线。

所述ZYNQ主控制器采用XILINX公司的现场可编程门阵列FPGA器件。

所述PS模块为双硬核ARM9。

所述PS模块还设有用于对网关设备进行以太网下载和检测的以太网接口。

本实用新型的便携式多功能的列车网关设备，将CPU和各种通信芯片采用结构紧凑的方式集成在一块板卡上，提高网关的可靠性和电磁兼容性；具有PCI接口可以方便插入电脑PCI插槽方便调试、验证及各种网络测试平台设计；具有背板接口方便连接网络控制系统的背板总线进行网络通信，也可以直接连接相互转换的总线接口进行数据转换，实现了便携式多功能的特点；以ZYNQ作为主控制器构建软硬件协同设计的网关，灵活划分软件程序模块和硬件设计模块，充分发挥ZYNQ软硬件协同编程的优势，并通过ZYNQ的可编程逻辑部分进行软件算法硬件化的方法提高数据转换速度，同时采用可编程逻辑部分设计并行硬件电路实现多种数据的并行操作，代替以往通过软件的多进程方式实现并行处理，提高多种数据并行操作的速度；同时应用ZYNQ片内的AXI4总线，实现硬件设计和软件操作的协同运行，提高数据的吞吐量，加快数据处理和转换速度，提高实时处理能力，并且降低功耗。

附图说明

图1是本实用新型便携式多功能的列车网关设备原理图。

具体实施方式

本实用新型的便携式多功能的列车网关设备原理参见图1，主要包括ZYNQ主控制器、RS422接口、RS485接口、RS232接口、以太网接口、CAN收发、外部存储器、PCI连接器、MVB协议控制器、WORLDFIP协议控制器和背板连接器等。ZYNQ主控制器包括软件程序可编程的PS模块和硬件逻辑可编程的PL模块，PS模块嵌入了ARM9双硬核处理器、DDR Controller控制器以及一些MIO接口，如CAN端口、UART端口、ENET以太网接口和PCI接口等；RS422接口连接PS部分的MIO/UART和RS422总线；RS485接口连接PS部分的MIO/UART和RS485总线；RS232接口连接PS模块的MIO/UART用于串口调试；以太网接口连接PS模块的MIO/ENET用于对网关设备进行以太网下载和检测；CAN收发模块连接PS模块的MIO/CAN端口和CAN接口，CAN接口连接外部的CAN总线和CANOPEN总线；外部存储器连接PS模块的DDR Controller用于数据存储，PCI连接器连接PS模块的MIO/PCI和PCI总线。PL模块为硬件逻辑可编程部分，通过AXI4总线与ZYNQ主处理器的PS模块进行数据交换，PL模块有许多EMIO接口，通过硬件描述语言(HDL)对EMIO进行扩展I/O设计，连接MVB协议控制器和WORLDFIP协议控制器，通过硬件描述语言实现对相关网络协议控制器的寄存器配置、数据流处理及控制、MVB数据私有存储、WORLDFIP私有存储、和CANOPEN协议栈；通过硬件描述语言设计转换电路连接所述背板连接器，背板连接器连接列车网络系统的背板总线实现车载设备网络数据转换。所述MVB协议控制器通过连接MVB收发管理器(双通道冗余)实现对MVB接口的冗余管理，MVB接口连接MVB总线。所述WORLDFIP协议控制器通过连接WORLDFIP总线收发器(双通道冗余)实现对WORLDFIP接口的冗余管理，WORLDFIP接口连接WORLDFIP总线。

工作原理和工作过程：本专利实施例中，其中ZYNQ主控制器采用XILINX公司的现场可编程门阵列(FPGA)器件，可以实现软硬件协同设计。ZYNQ主控制器包括软件可编程的PS模块和硬件逻辑可编程的PL模块，PS部分通过内部AXI4总线读写PL模块。PS模块嵌入ARM9双硬核，通过移植实时嵌入式操作系统，在操作系统下开发相关通信模块的驱动程序和应用程序；PS模块具有DDR Controller控制器，连接外部存储器用于数据存储及输出显示使用等。PS部分具有许多MIO接口，通过配置可以实现相应的常用接口电路。配置1路ENET连接外部以太网接口实现对网关的网络调试和下载；配置3路UART分别与RS485接口、RS422接口和RS232接口相连，实现相应数据的传输；配置1路CAN与CAN收发相连，CAN收发连接CAN接口，通过CAN总线实现标准CAN数据通信，通过CANOPEN协议编写CAN应用层程序实现CANOPEN数据传输；配置1路PCI与PCI连接器相连，通过PCI连接器接入计算机的PCI总线方便调试和一些测试平台搭建。PL部分采用硬件描述语言(HDL)设计实现CANOPEN协议栈、设计MVB数据私有存储和WORLDFIP私有存储，可以通过硬件电路并行实现CANOPEN、MVB和WORLDFIP三种数据的并行运行，设计相关寄存器配置对各种通信数据进行参数设置，为实现对各种通信数据流的调制和解调等设计了数据流处理及控制，设计转换电路用于连接背板连接器，方便网关连接列车网络系统的背板总线；编程实现PL部分的EMIO接口，通过扩展I/O连接MVB协议控制器和WORLDFIP协议控制器。MVB总线数据通过MVB接口进入MVB收发管理器，并进行双通道冗余管理，实现数据冗余控制，提高数据传输的可靠性，最终通过MVB协议控制器对MVB数据进行处理控制并传输到ZYNQ主控制器，通过ZYNQ主控制器将数据再分发到各个接口；相反，ZYNQ主控制器将数据通过扩展I/O传输给MVB协议控制器，再通过MVB收发管理器及MVB接口进行数据冗余控制发送到MVB总线。WORLDFIP总线数据通过WORLDFIP接口进入WORLDFIP总线收发器，并进行双通道冗余管理，实现数据冗余控制，提高数据传输的可靠性，最终通过WORLDFIP协议控制器对WORLDFIP数据进行处理控制并传输到ZYNQ主控制器，通过ZYNQ主控制器将数据再分发到各个接口；相反，ZYNQ主控制器将数据通过扩展I/O传输给WORLDFIP协议控制器，再通过WORLDFIP总线收发器及WORLDFIP接口进行数据冗余控制发送到WORLDFIP总线。所述以太网接口用于跨平台交叉编译时的程序代码下载和操作系统内核下载等；外部存储器用于存放嵌入式操作系统、应用程序和数据等；RS232接口用于网关程序串口调试等；PCI连接器用于连接PC机的PCI总线方便网关设备测试以及搭建一些网络测试平台等；背板连接器用于连接列车网络控制系统的背板总线实现网关的在系统运行。

该网关采用ZYNQ主控制器进行软硬件协同设计，便于功能扩展，缩短开发时间，降低维护和升级成本；用ZYNQ作为主控制器，软硬件均可编程，且保密性好，可靠性高，采用硬件可编程实现原有的软件算法，大大提高设备运行速度；采用硬件描述语言(HDL)设计硬件电路，实现多功能网络数据的并行运行，提高设备性能；采用ZYNQ作为主控制器，软硬件协同设计，集成度高，方便网关多总线数据转换，设备小巧，携带和安装方便；同时具有MVB、WORLDFIP、CAN、RS422和RS485通信功能，设计新颖，软硬件均可在线升级和维护；同时具有PCI连接器和背板连接器，既可以安装到电脑PCI插槽方便测试和平台搭建，又方便连接网络系统背板总线进行车载运行，在铁路、地铁和轻轨领域具有很高的推广价值。

本实用新型是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种便携式多功能的列车网关设备，其特征在于：ZYNQ主控制器包括软件可编程的PS模块和硬件逻辑可编程的PL模块，PS模块和PL模块之间通过AXI4总线连接，PS模块设有PCI接口、UART端口、CAN端口，PCI接口通过PCI连接器连接PCI总线，UART端口通过通信接口连接通信总线，CAN端口通过CAN收发模块和CAN接口连接CAN总线；PL模块通过扩展I/O连接MVB协议控制器和WORLDFIP协议控制器，MVB协议控制器通过MVB收发管理器和MVB接口连接MVB总线；WORLDFIP协议控制器通过WORLDFIP总线收发器和WORLDFIP接口连接WORLDFIP总线；转换电路通过背板连接器连接背板总线。

2.根据权利要求1所述的一种便携式多功能的列车网关设备，其特征在于：所述ZYNQ主控制器的PS模块还包括DDR Controller控制器，DDR Controller控制器连接外部存储器。

3.根据权利要求1所述的一种便携式多功能的列车网关设备，其特征在于：所述UART端口为3路，分别连接RS485接口、RS422接口和用于串口调试的RS232接口，RS485接口连接RS485总线，RS422接口连接RS422总线。

4.根据权利要求1所述的一种便携式多功能的列车网关设备，其特征在于：所述ZYNQ主控制器采用XILINX公司的现场可编程门阵列FPGA器件。

5.根据权利要求1所述的一种便携式多功能的列车网关设备，其特征在于：所述PS模块为双硬核ARM9。

6.根据权利要求1所述的一种便携式多功能的列车网关设备，其特征在于：所述PS模块还设有用于对网关设备进行以太网下载和检测的以太网接口。