CN220964912U - 一种铁路tsn通信网关系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种包括，一主控制模块；分别独自连接于所述主控制模块的至少一RS232控制模块、一RS485控制模块、一CAN接口、一以太网控制模块；一以太网总线接口，连接于所述以太网控制模块，所述以太网总线接口包括至少五个千兆网口，且支持TSN协议，达到了帮助列车各子系统传输的消息转换成TSN消息发送给TCMS主机，同时将接收到TSN消息解码后转发给列车各子系统，采用本实用新型实施例能实现列车各子系统与TCMS主机的TSN通信，解决目前铁路TSN网关的空白问题的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及计算机网关系统配置领域，具体涉及一种铁路TSN通信网关系统。
背景技术
TSN技术标准起源于音视频行业，用于满足广播、直播、现场等公共媒体的高清视频及音频数据高实时、同步传输的高带宽网络应用需求，同时旨在用以太网取代家庭中的高清多媒体接口(HDMI)、扬声器和同轴电缆。虽然AVB任务组的研究成果没有广泛应用于家庭娱乐设备，但已经在工作室、体育和娱乐等场所得到推广。这一成功吸引了汽车界和工业界的关注。在汽车领域中，随着车载以太网在高级驾驶辅助系统方面的需求日益增加，而传统以太网的高延时及其不确定是无法满足无人驾驶或智能驾驶的车载音视频同步、安全和车联网交互等需求，因此极低延时的高带宽以太网传输技术应运而生。
铁路行业应用TSN网络最大的理由在于速度快、延时低、带宽高情况下稳定传输。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和数量的增加、车内显示器的大型化和高画质化等功能不断强化，数据传输占用了越来越多的带宽。除此之外，各种各样的安全、控制、检测子系统也越来越多，这些子系统要求的速度和延时更高。于是，作为能够实现速度快、延时低、带宽高下稳定传输技术的TSN通信成为了众望所归。
TSN是一项用于以太网的实时通信技术，旨在确保在各种应用场景中实现低延迟、低抖动和可靠的通信。TSN通过在以太网上定义一些机制来实现这一目标，其中包括：
时钟同步机制：TSN使用一个共同的主时钟来确保各个子系统的时间同步，以便在网络中传输消息时可以精确地计算延迟。
时间感知整形器机制：TSN定义了交换以太网中时间触发消息传递的标准，以确保消息能够按照预定的时间表发送和接收，从而实现时间关键型保留流量的确定性有限延迟。
时间敏感流转发与排队机制：TSN通过定义根据时间表传输消息的队列来保证各种流量类别和应用程序集成到单个基于标准的以太网网络中。
通过这些机制，TSN能够在以太网上实现严格的时间控制，从而满足各种实时应用的要求。TSN在信息技术(IT)核心(如工业4.0、网络物理系统和工业物联网(IIoT))中具有重要的作用，能够帮助企业实现数字化转型和智能制造。
而随着铁路行业的发展，TSN网络得到广泛的应用，但由于铁路通讯网络的专用性和针对性极强(主要应用于铁路和部分电力系统等一些特殊领域)，目前用于列车与各子系统完成TSN通信的TSN网关还处于一片空白的状态。而现有的转换方法是依赖以太网软核协议栈，实时性非常差，无法实现TSN通信的实时性、速度快、带宽高情况下稳定传输等要求。
因此开发新的一种铁路TSN通信网关系统就显得很有必要。
实用新型内容
为克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种铁路TSN通信网关系统，能实现铁路TSN通信的实时性、速度快、带宽高下稳定传输的要求，解决列车与各子系统TSN通信问题。
本实用新型通过以下的技术方案来实现：一种铁路TSN通信网关系统，包括，一主控制模块；分别独自连接于所述主控制模块的至少一RS232控制模块、一RS485控制模块、一CAN接口、一以太网控制模块；一以太网总线接口，连接于所述以太网控制模块，所述以太网总线接口包括至少五个千兆网口，且支持TSN协议。
进一步地，所述主控制模块为基于TI Sitara系列AM6442双核ARM Cortex-A53+四核Cortex-R5F+单核Cortex-M4F多核处理器设计的微处理器。
进一步地，所述以太网控制模块由2个千兆位工业通信子系统PRU_ICSSG组成，并且支持Profinet IRT、Profinet RT、以太网/IP、EtherCAT、时间敏感网络TSN，向后兼容10/100Mb PRU_ICSS。
进一步地，所述时间敏感网络TSN，包括802.1AS-Rev、802.1Qbv、802.1Qbu、802.1CB，且工作在OSI七层网络模型中的第二层—数据链路层。
进一步地，所述铁路TSN通信网关系统还包括系统初始化单元，用于接收RS232、RS485、CAN、网口中的配置参数信息，所述参数信息包括默认TSN网络的VLAN ID、TSN网络的QOS值、TCMS主机IP与端口、DNS主机IP与端口、模块IP网关与端口、接收COMID参数；PTP时钟同步单元，用于作为从时钟，列车TCMS主机作为主时钟，运行ptp4l程序向主时钟发出同步请求并接收更新网关时钟；TSN初始化单元，用于检测TCMS总线的TTDB列车网络拓扑的包，配置静态和动态列车网络拓扑参数，配置预先保存的各个参数；转发子系统信息单元，用于接收RS232、RS485、CAN、网口中的子系统信息，并将信息转换成TSN包发送给TCMS主机；转发TCMS主机信息单元，用于接收TCMS主机的TSN数据包，按协议解码成系统的识别的数据后转发给子系统。
相比于现有技术，本实用新型能达到的有益效果为：
本实用新型铁路TSN通信网关系统通过：主控制模块、RS232控制模块、RS485控制模块、CAN接口、以太网控制模块、以太网总线接口。主控制模块分别与RS232控制模块、RS485控制模块、CAN接口、以太网控制模块连接；以太网控制模块与以太网总线接口，达到了帮助列车各子系统传输的消息转换成TSN消息发送给TCMS主机，同时将接收到TSN消息解码后转发给列车各子系统，采用本实用新型实施例能实现列车各子系统与TCMS主机的TSN通信，解决目前铁路TSN网关的空白问题的目的。
附图说明
图1是本实用新型提供的铁路TSN通信网关系统的结构示意图；
图2是本实用新型提供的主控模块的一种实施例的电路结构图；
图3是本实用新型提供的的一种CPSW以太网通信实施例的结构示意图；
图4是本实用新型提供的的一种PRG以太网通信实施例的结构示意图；
图5是本实用新型提供了RS232控制模块的一种实施例的电路示意图；
图6是本实用新型提供了RS485控制模块的一种实施例的电路示意图；
图7是本实用新型提供了CAN接口的一种实施例的电路示意图；
图8是本实用新型提供了铁路TSN通信网关系统的一种实例的流程示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述。需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
参见图1，是本实用新型提供的铁路TSN通信网关系统的一种实施例的结构示意图。如图1所示，该铁路TSN通信网关系统包括：主控制模块、UART接口、CAN接口、以太网控制模块、以太网总线接口，以太网控制模块用于遵循TSN协议，对从RS232、RS485、CAN、网口接收的列车子系统数据和TSN数据信号的格式进行相互转换传输。其中，主控制模块分别与CAN接口、UART接口、以太网控制模块连接；以太网控制模块与以太网总线接口连接。
参见图2中的主控制模块各引脚设置如图2所示。在本实施例中，主控制模块是以TI Sitara系列AM6442微处理器为核心的主控制模块。TI Sitara AM6442是AM64x系列双核1GHz Arm Cortex-A53实时网络处理器的一部分，该处理器还集成了4个800MHzArmCortex-R5F CPU，一个400MHzArm Cortex-M4F MCU用于实现功能安全特性，以及两个可编程实时单元(PRU)，用于管理设备的以太网时间敏感网络启用(启用以太网TSN)工业通信子系统。由于这种计算融合，基于AM6422的系统能够平衡PLC、电机驱动器和工业机器人等平台的应用程序处理、实时控制和通信任务。
作为本实施例的一种举例，图3和图4是本实用新型提供的以太网的电路结构示意图。一共有五个原生千兆以太网接口，其中两个CPSW网口还可以可以实现交换机功能，满足工业网关多网口需求；
采用RGMII接口，支持EtherCAT、TSN协议；支持10/100/1000M网口配置；支持网络自适应。
相应地，参见图5和图6是本实用新型提供了一种铁路TSN通信网关系统的RS232/RS485控制模块示意图。RS232/RS485控制模块是型号为RSM485/RSM232的隔离收发器。RS232/RS485控制模块用于将列车各子系统和主控制模块之间的通信数据进行转换。RSM232/RSM485是隔离全功能RS-232/RS-485收发器是一款具备电源隔离、电气隔离的全功能RS-232/RS-485收发器，RSM232/RSM485可以提高系统稳定性、简化电路设计。电路完全符合EIA/TIA-232E、EIA/TIA-485E和ITU-TV.28规格，采用3.3V或5V电源供电，具有2500VDC的隔离电压，波特率可高达250kbps/500kbps，具有DC隔离功能。RSM232/RSM485隔离收发器满足EIA/TIA-232-F标准；满载最小数据速率120Kbps，具有热保护、电磁辐射EME低、电磁抗干扰EMS高、直接使用，无需外加任何组件，3.17～5.25V超宽工作电压范围。在以往的设计方案中需要光耦、DC/DC隔离、RS-232/RS-485收发器等其它元器件才能实现带隔离的RS-232/RS-485收发电路，本实用新型只采用一片RSM232P/RSM485P接口芯片就可以实现带隔离的全功能RS-232/RS-485收发电路，隔离电压可以达2500VDC，接口简单，使用方便，性价比高。
相应地，参见图7是本实用新型提供了一种铁路TSN通信网关系统的CAN接口示意图。CAN控制模块是型号为CTM1050T的隔离收发器。CTM1050T控制模块用于将列车各子系统和主控制模块之间的通信数据进行转换。CTM1050是一款带隔离的高速CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收、发器件，这些都被集成在不到3平方厘米的芯片上。芯片的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC2500V的隔离功能。该芯片符合ISO 11898标准，因此，它可以和其他遵从ISO 11898标准的CAN收发器产品互操作。CTM1050T是在CTM1050基础上而设计，并具有CAN-bus总线过电压保护作用。
相应地，参见图8是本实用新型提供了一种铁路TSN通信网关系统的数据处理方法的一种实施例的流程示意图。本实用新型的铁路TSN通信网关系统用于列车各子系统与TCMS主机进行TSN通信，具体包括以下步骤：
步骤A、系统初始化：接收RS232、RS485、CAN、网口中的配置参数信息；所述参数信息包括默认TSN网络的VLAN ID、TSN网络的QOS值、TCMS主机IP与端口、DNS主机IP与端口、本模块IP网关与端口、接收COMID等保存参数；
步骤B、PTP时钟同步：网关作为从时钟，列车TCMS主机作为主时钟，运行ptp4l程序向主时钟发出同步请求并接收更新网关时钟。
步骤C、TSN初始化：检测TCMS总线的TTDB列车网络拓扑的包，配置静态和动态列车网络拓扑参数；配置预先保存的各个参数。
步骤D、转发子系统信息：接收RS232、RS485、CAN、网口中的子系统信息，将信息转换成TSN包发送给TCMS主机。
步骤E、转发TCMS主机信息：接收TCMS主机的TSN数据包，按协议解码成系统的识别的数据后转发给子系统。
由上可见，本实用新型公开了一种铁路TSN通信网关系统，包括：主控制模块、RS232控制模块、RS485控制模块、CAN接口、以太网总线接口。本实用新型使用TSN硬件协议栈替代传统的软件协议栈，可以保证us级别的组播和广播接收，便于和主控TCMS连接通讯，对比使用其他列车通信网关的以太网通讯，本实用新型实施例实时性提高了10倍以上。采用本实用新型实施例能实现铁路TSN通信网关系统，解决目前铁路实时TSN以太网网关的空白问题。上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种铁路TSN通信网关系统，包括，其特征在于：
一主控制模块；
分别独自连接于所述主控制模块的至少一RS232控制模块、一RS485控制模块、一CAN接口、一以太网控制模块；
一以太网总线接口，连接于所述以太网控制模块，所述以太网总线接口包括至少五个千兆网口，且支持TSN协议。
2.如权利要求1所述的铁路TSN通信网关系统，其特征在于，所述主控制模块为基于TISitara系列AM6442双核ARM Cortex-A53+四核Cortex-R5F+单核Cortex-M4F多核处理器设计的微处理器。
3.如权利要求2所述的铁路TSN通信网关系统，其特征在于，所述以太网控制模块由2个千兆位工业通信子系统PRU_ICSSG组成，并且支持Profinet IRT、Profinet RT、以太网/IP、EtherCAT、时间敏感网络TSN，向后兼容10/100Mb PRU_ICSS。
4.如权利要求3所述的铁路TSN通信网关系统，其特征在于，所述时间敏感网络TSN，包括802.1AS-Rev、802.1Qbv、802.1Qbu、802.1CB，且工作在OSI七层网络模型中的第二层—数据链路层。
5.如权利要求1所述的铁路TSN通信网关系统，其特征在于，包括：
系统初始化单元，用于接收RS232、RS485、CAN、网口中的配置参数信息，所述参数信息包括默认TSN网络的VLAN ID、TSN网络的QOS值、TCMS主机IP与端口、DNS主机IP与端口、模块IP网关与端口、接收COMID参数；
PTP时钟同步单元，用于作为从时钟，列车TCMS主机作为主时钟，运行ptp4l程序向主时钟发出同步请求并接收更新网关时钟；
TSN初始化单元，用于检测TCMS总线的TTDB列车网络拓扑的包，配置静态和动态列车网络拓扑参数，配置预先保存的各个参数；
转发子系统信息单元，用于接收RS232、RS485、CAN、网口中的子系统信息，并将信息转换成TSN包发送给TCMS主机；
转发TCMS主机信息单元，用于接收TCMS主机的TSN数据包，按协议解码成系统的识别的数据后转发给子系统。
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