嚴　翔， 張　波

(中國鐵道科學(xué)研究院　機車車輛研究所, 北京 100081)

?

UIC網(wǎng)關(guān)硬件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

嚴翔， 張波

(中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所, 北京 100081)

UIC網(wǎng)關(guān)是實現(xiàn)動車組之間互聯(lián)、互通和互操作的關(guān)鍵設(shè)備，采用模塊化的設(shè)計，完成了UIC網(wǎng)關(guān)硬件平臺的設(shè)計及底層驅(qū)動的開發(fā)，搭建測試平臺分別完成了MVB和WTB的網(wǎng)絡(luò)測試，試驗結(jié)果證明了硬件平臺的有效性和可用性，為進一步的網(wǎng)關(guān)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

列車控制網(wǎng)絡(luò); 網(wǎng)關(guān); 初運行

列車控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代高速動車組和城軌車輛的關(guān)鍵技術(shù)之一，在世界各國得到廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)外高速動車組多數(shù)采用TCN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，包括正在試驗的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組，雖然額外鋪設(shè)了以太網(wǎng)做列車級通信，但列控網(wǎng)絡(luò)仍然采用TCN標(biāo)準(zhǔn)。TCN標(biāo)準(zhǔn)中將車載網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)分為兩級，分別為列車總線WTB(Wire Train Bus)和車輛總線MVB(Multifunction Vehicle Bus)。作為兩級網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的橋梁，TCN網(wǎng)關(guān)負責(zé)完成兩級總線之間過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的傳送和協(xié)議的轉(zhuǎn)換，屬于第5類設(shè)備，涵蓋TCN網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的全部內(nèi)容[1-2]；然而從應(yīng)用的角度，TCN網(wǎng)關(guān)并不能實現(xiàn)不同車輛之間的互操作。為了補充這部分功能，符合UIC 556協(xié)議的UIC網(wǎng)關(guān)應(yīng)運而生，它為TCN應(yīng)用層各種消息的發(fā)送與應(yīng)答提供了規(guī)范，從而可以滿足不同車型動車組之間的互聯(lián)、互通和互操作[3-5]。

雖然我國在動車組引進、消化、吸收、再創(chuàng)新的過程中對于列車控制網(wǎng)絡(luò)方面的研究取得了豐富的成果，相關(guān)科研單位也研制出一系列TCN網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)備，但是部分核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由外方控制，運用維護中參數(shù)的調(diào)整也受外方限制[6-7]；除此之外，我國在UIC網(wǎng)關(guān)的技術(shù)研究方面尚處于起步階段，相關(guān)的設(shè)計報告也很少，因此本文設(shè)計并實現(xiàn)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的UIC網(wǎng)關(guān)硬件平臺，為UIC網(wǎng)關(guān)的進一步完整開發(fā)打下基礎(chǔ)。

1　系統(tǒng)組成

采用模塊化的設(shè)計思想，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于CPCI的冗余WTB/MVB網(wǎng)關(guān)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。除了具備MVB總線主管理器和通信功能外，在列車編組發(fā)生變化時，系統(tǒng)可以自動重新配置WTB總線上的節(jié)點，完成TCN初運行；在這之上接著完成符合UIC 556協(xié)議的UIC初運行[8-9]。硬件采用3U機箱結(jié)構(gòu)，包含兩套獨立工作的冗余處理單元，每套處理單元又包含一個CPU模塊、一個MVB模塊、一個WTB模塊和一個電源模塊，背板采用CPCI總線通信，對外通信接口包括以太網(wǎng)、WTB、MVB以及RS232，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖1　UIC網(wǎng)關(guān)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2　處理單元結(jié)構(gòu)框圖

2　關(guān)鍵功能模塊設(shè)計

UIC網(wǎng)關(guān)的核心是MVB網(wǎng)絡(luò)通信和WTB初運行，分別對這兩部分設(shè)計進行詳細介紹。

2.1MVB通信板設(shè)計

MVB通信板是列車通信網(wǎng)關(guān)接入MVB網(wǎng)絡(luò)的入口，同時具有標(biāo)準(zhǔn)CPCI通信接口，可作為MVB網(wǎng)絡(luò)模塊接入標(biāo)準(zhǔn)CPCI控制機箱，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。MVB通信板的核心處理器是Altera公司的FPGA，采用SOPC技術(shù)實現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的MVBC軟核，將32位高性能軟核處理器、ROM、RAM、Traffic Memory、MVB總線訪問IP核集成在一片F(xiàn)PGA上。支持IEC 61375-1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、監(jiān)視數(shù)據(jù)及總線管理的功能，實現(xiàn)物理層信號的轉(zhuǎn)換，執(zhí)行數(shù)據(jù)鏈路層的通信規(guī)程；同時完成了對CPCI控制器的通信控制，實現(xiàn)與CPU板的CPCI總線高速數(shù)據(jù)交換。

圖3　MVB通信板原理圖

MVB通信板具有總線管理器功能，本身屬于TCN 4類設(shè)備，作為MVB主設(shè)備時需要提供更高層的服務(wù)，包括介質(zhì)訪問的分配(周期掃描表、基本周期以及宏周期的設(shè)定和修改)和報文定時(周期發(fā)送主幀、在報文定時內(nèi)完成主從幀通信)等多種功能。由于MVB的控制核心是自主研發(fā)的MVBC軟核，因此具有高度的配置靈活性，可突破TCN協(xié)議的限制，為實現(xiàn)多種優(yōu)化調(diào)度算法打下堅實基礎(chǔ)。

2.2WTB通信板設(shè)計

WTB通信板是列車通信網(wǎng)關(guān)接入WTB網(wǎng)絡(luò)的入

口，同時具有標(biāo)準(zhǔn)CPCI通信接口，可作為WTB網(wǎng)絡(luò)模塊接入標(biāo)準(zhǔn)CPCI控制機箱，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。WTB通信板的核心處理器同樣采用SOPC技術(shù)實現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的WTBC軟核，將32位高性能軟核處理器、ROM、RAM、Traffic Memory、WTB總線訪問IP核集成在一片F(xiàn)PGA上，同時外部加載了一片SRAM用于功能擴展，根據(jù)IEC 61375-1標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了WTB初運行、常規(guī)運行、鏈路層配置接口等功能，同時也完成了對CPCI控制器的通信控制，實現(xiàn)與CPU板的CPCI總線高速數(shù)據(jù)交換。

圖4　WTB通信板原理圖

WTB初運行是列車級總線通信的核心內(nèi)容。當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)編組發(fā)生變化或總線延長、縮短時，總線主節(jié)點通過配置總線上的其他節(jié)點，形成新的網(wǎng)絡(luò)編組，這個重新編組過程稱為WTB初運行，也叫做TCN初運行。初運行主要完成節(jié)點檢測、節(jié)點命名、拓撲分發(fā)等功能；初運行結(jié)束后，編組內(nèi)的所有節(jié)點將收到一個唯一的節(jié)點地址以及相對應(yīng)的拓撲信息，整個編組處于一種常規(guī)運行的狀態(tài)，節(jié)點之間通過周期相和偶發(fā)相的數(shù)據(jù)幀傳遞信息，并時刻監(jiān)測列車編組的變化情況，其流程如圖5所示。

圖5　標(biāo)準(zhǔn)初運行過程圖

WTB節(jié)點控制包括了WTB總線物理層和鏈路層的通信功能，即在通信板上電，且用戶進程尚未運行的情況下，可以自動初始化并運行初運行程序，完成在同一網(wǎng)絡(luò)下的與其他WTB節(jié)點的編組任務(wù)。在物理層，要實現(xiàn)介質(zhì)附件單元(Medium Attachment Unit，MAU)的數(shù)據(jù)收發(fā)、節(jié)點狀態(tài)設(shè)定、通道轉(zhuǎn)換等功能；在鏈路層，實現(xiàn)WTB數(shù)據(jù)幀的編碼和解碼功能、冗余控制、報文定時、介質(zhì)分配功能和初運行進程，以及向上層協(xié)議提供可用的鏈路層訪問接口。最終完成的UIC網(wǎng)關(guān)硬件實物如圖6所示，兩套熱備冗余單元集成在一個3U機箱內(nèi)，同時符合IEC 61375-1標(biāo)準(zhǔn)和UIC 556標(biāo)準(zhǔn)，通過了TCN一致性測試。

圖6　UIC網(wǎng)關(guān)硬件實物圖

3　平臺組網(wǎng)試驗

3.1列車控制網(wǎng)絡(luò)試驗平臺

為了驗證所設(shè)計UIC網(wǎng)關(guān)硬件平臺的可用性，以某型動車組網(wǎng)段配置為原型，在試驗室環(huán)境下，搭建基于TCN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的半實物仿真平臺，如圖7所示，擁有符合TCN標(biāo)準(zhǔn)的兩級總線及符合UIC 556標(biāo)準(zhǔn)的UIC網(wǎng)關(guān)，其中GW1、GW2為自主研制的網(wǎng)關(guān)，GW3為Unicontrol公司的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)關(guān)，列車總線采用WTB，通過UIC網(wǎng)關(guān)分別接入3個MVB子網(wǎng)，其中GW1下的MVB網(wǎng)絡(luò)包括一個車輛控制單元VCU，3個數(shù)字量采集模塊LCM，一個MVB仿真節(jié)點以及一個智能顯示單元IDU。

圖7　半實物仿真平臺

3.2MVB互聯(lián)試驗

以GW1下的MVB子網(wǎng)為例，首先將GW1配置為總線主，其次為各個設(shè)備配置相應(yīng)的設(shè)備地址和端口地址，其中端口地址的高四位代表功能碼，如表1所示，基本周期設(shè)置為1 ms，周期相比例因子取65%，VCU的兩個源端口特征周期為1 ms；UIC、IDU和仿真節(jié)點的源端口特征周期為2 ms；剩余3個端口特征周期分別為4 ms、8 ms和8 ms，因此宏周期包括8個基本周期，即8 ms。周期輪詢設(shè)計如圖8所示。在組網(wǎng)試驗中通過示波器獲取的實測波形如圖9所示，上半部分是兩個基本周期的波形，下半部分是放大了其中一幀報文的波形，實測結(jié)果表明，自主設(shè)計的UIC網(wǎng)關(guān)不僅能參與MVB網(wǎng)絡(luò)通信，還能完成總線管理功能，符合設(shè)計要求。

表1　網(wǎng)絡(luò)設(shè)備地址和端口分配表

圖8　宏循環(huán)結(jié)構(gòu)圖

圖9　周期輪詢實測結(jié)果

3.3WTB互聯(lián)試驗

WTB組網(wǎng)試驗不同于MVB之處，在于設(shè)備地址并非固定配置的，而是通過一系列地重連編組操作完成的。仍然按照圖7的互聯(lián)測試拓撲進行試驗，包括3個測試網(wǎng)關(guān)節(jié)點，每個網(wǎng)關(guān)都連接了一臺用于配置和狀態(tài)監(jiān)視的PC機，此時重點考察WTB的通信情況。

初始狀態(tài)各節(jié)點默認都為弱主，上電后3個節(jié)點都

會向外廣播檢測請求幀來搶奪總線主管理權(quán)，一旦搶主成功則該節(jié)點成為主節(jié)點，其他節(jié)點則成為從節(jié)點。假設(shè)GW1由弱主成為強主并繼續(xù)向總線發(fā)送檢測請求幀，GW2由弱主成為從節(jié)點發(fā)送檢測響應(yīng)幀作為握手；握手成功后，GW1向GW2發(fā)送命名請求，GW2被命名后，返回命名響應(yīng)幀。與此同時，GW2向GW2的另一方向發(fā)送檢測幀，檢測是否還存在其他WTB節(jié)點，當(dāng)GW2檢測到GW3的檢測響應(yīng)幀，則通過狀態(tài)響應(yīng)幀報告GW3的存在；GW1則會給GW2發(fā)送中間設(shè)定請求將GW2設(shè)置為中間節(jié)點；然后GW1繼續(xù)給GW3命名，在多次狀態(tài)檢測請求和響應(yīng)幀之后，確認遠端不存在其他的WTB節(jié)點，GW1開始分發(fā)總線拓撲。在總線拓撲分發(fā)完畢之后，編組也就完成了，總線進入常規(guī)運行模式。在GW1和GW2之間測得的WTB組網(wǎng)初運行實測波形如圖10所示，通信過程符合標(biāo)準(zhǔn)流程要求，自主研發(fā)的UIC網(wǎng)關(guān)不僅可以實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)間的通信，還可以和標(biāo)準(zhǔn)UIC網(wǎng)關(guān)完成通信，實現(xiàn)編組任務(wù)，結(jié)果符合設(shè)計要求。

圖10　3節(jié)點初運行過程中的幀波形

4　結(jié)束語

采用模塊化的設(shè)計，完成了UIC網(wǎng)關(guān)硬件平臺的設(shè)計及底層驅(qū)動的開發(fā)，并在半實物仿真平臺下得到驗證；除此之外，網(wǎng)關(guān)還搭載了實時性和可靠性方面十分適合列車控制網(wǎng)絡(luò)的VxWorks操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序可方便地以地址映射的方式實現(xiàn)對硬件設(shè)備的靈活訪問，完成對CPCI接口、MVB接口以及WTB接口的配置和管理。通過VxWorks提供的標(biāo)準(zhǔn)C語言庫，可進一步完成UIC 556協(xié)議棧的研發(fā)。

[1]International Electrotechnical Commission. IEC 61375-1, Part 1: Train Communication Network [S].Geneva: 1999.

[2]Juan C M, Eduardo L, and Jesús N. A Link-Layer Slave Device Design of the MVB-TCN Bus (IEC 61375 and IEEE 1473-T)[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2007, 56(6): 3457-3468.

[3]Schifers C, Hans G. IEC 61375-1 and UIC 556-international standards for train communication[C]. IEEE 51st Vehicular Technology Conference Proceedings. 2000: 1581-1585.

[4]李常賢, 劉洋, 張彤，等. 用于動車組間互聯(lián)、互通和互操作的UIC網(wǎng)關(guān)研究[J]. 中國鐵道科學(xué)， 2013, 34(6): 110-116.

[5]Fernandez D, Jimenez J, Andreu J, Cuadrado C. A TCN gateway emulator[C]. 2007 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Proceedings. 2007: 2911-2916.

[6]宋娟, 王立德, 嚴翔, 申萍. 基于SOPC技術(shù)的MVB網(wǎng)卡在分布式車載故障檢測記錄系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 機車電傳動. 2012,(2)：59-61,81.

[7]趙紅衛(wèi), 朱廣超, 黃根生. MVB通信網(wǎng)卡的研制與開發(fā)[J].鐵道機車車輛，2009, 29(4):30-33.

[8]嚴翔, 王立德, 楊寧，等. MVB-Ethernet網(wǎng)關(guān)設(shè)計與時延分析[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報, 2014, 38(2): 106-111.

[9]Jimenez J, Martin L, Bidarte U, Astarloa A, Zuloaga A. Design of a master device for the multifunction vehicle bus[J]. IEEE Transactions onVehicular Technology. 2007, 56(6): 3695-3708.

Design and Implementation of UIC Gateway Hardware Platform

YANXiang,ZHANGBo

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

UIC gateway is the key equipment to achieve interconnection, intercommunication, and interoperability between EMUs.Using modular design methord, the design of the UIC gateway hardware platform and the development of the underlying driver were completed. A UIC experiment platform was established, which comprises two-level field bus.The MVB and WTB network testing had been done. The experimental results provided the effectiveness and availability of the designed UIC hardware platform, which made the foundation for the further development of the gateway.

train control network; gateway; inauguration

1008-7842 (2016) 03-0138-05

男，助理研究員(

2015-12-18)

U284.48

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.31