王中堯

[摘 要]目前，已有列車通信網絡無法滿足傳輸信息的需求，在這樣的情況下，將同時共存工業(yè)以太網和CAN總線的方案提出來具有非常重要的作用?；诖?，本文對這種方案和列車通信網絡的組成進行了具體的研究與分析。

[關鍵詞]以太網技術；列車通信網絡；CAN總線

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.16.066

[中圖分類號]TP 393；U285.5 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2018）16-0-02

傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線已經無法滿足當前列車傳輸信息的要求，所以逐漸將工業(yè)現(xiàn)場總線應用在列車系統(tǒng)中，部分國內列車將CAN和RS485等現(xiàn)場總線在已有列車通信網絡的基礎上引入，但是由于以太網具有特殊的通信機制和復雜的列車環(huán)境，導致其應用并不廣泛。另外，傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場總線具有較高的實時性和抗干擾性，但依然存在許多問題，如較低的通信速率和較少的傳輸數(shù)據(jù)量、只支持單一的網絡拓撲，這會在很大程度上影響組網的靈活性，在數(shù)據(jù)交換中需要專門的網關設備等，這些問題都導致列車信息傳輸?shù)男枨鬅o法得到滿足。所以具體研究以太網技術在列車通信網絡中的應用具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 共存工業(yè)以太網與CAN現(xiàn)場總線的方案

1.1 比較工業(yè)以太網總線和CAN總線

應用在不同的工業(yè)信息化網絡領域，是工業(yè)以太網和CAN總線最明顯的差別。目前，主要在最上層的企業(yè)信息管理網絡和中間過程的監(jiān)控網絡中應用工業(yè)以太網，這些網絡終端設備之間具有相對較長的交換信息的報文和較大的數(shù)據(jù)吞吐量，所以這就需要很大的網絡寬帶，但是在實時性方面并沒有嚴格的要求，所以主要由工業(yè)以太網組成該部分。一般在底層現(xiàn)場設備層網絡應用CAN現(xiàn)場總線，其與工業(yè)以太網的要求正好相反，即嚴格要求通信具有實時性，但是并沒有嚴格的網絡傳輸?shù)耐掏铝恳螅移渚哂休^小的開發(fā)難度。信息是CAN總線協(xié)議的基礎，所以節(jié)點模塊容易被通信網絡增刪，不需要改動整個系統(tǒng)。多個節(jié)點可以同時收到一組報文信息，其是支持遠程工作的，節(jié)點可以向別的節(jié)點直接請求相應的數(shù)據(jù)，而且具有嚴重故障的節(jié)點可以從總線中自動退出，并不會影響總線上其他節(jié)點的正常工作。在實際的工藝控制現(xiàn)場中，一般控制信號只控制少量的信息，而通過對CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)進行合理應用，不但可以更好地實現(xiàn)實時傳輸?shù)哪繕?，而且具有很高的傳輸效率?/p>

1.2 車輛總線網的組成部分

工業(yè)底層控制的通信網絡主要是CAN總線，其性質和特點與車輛總線的通信要求非常相符，所以一般將CAN總線應用到車輛總線中，系統(tǒng)使用模擬量和數(shù)字量兩種方式監(jiān)控這些設備的控制量。

1.3 列車總線網的組成部分

列車編掛的數(shù)量往往大于18輛，整個系統(tǒng)需要監(jiān)控較多的對象，所以具有較大的網絡通信量。除此之外，由于會隨時調整列車的編組情況，所以要按照設定器中設定的車號和編組情況動態(tài)配置網絡監(jiān)控系統(tǒng)，其主要目的是可以與不同列車的編組情況相適應，而以太網技術可以滿足這樣的要求。

2 列車通信網絡的組成要素

在列車通信網絡系統(tǒng)中，底層通信網絡的通行方式主要以CAN總線為主，其主要是對車廂內的電氣控制設備進行連接，上層網絡與遠程監(jiān)控主機的連接是通過工業(yè)以太網實現(xiàn)的。CAN總線和工業(yè)以太網之間的協(xié)議轉換是通過CAN/以太網網關與CAN現(xiàn)場控制網絡和以太網監(jiān)控網絡實現(xiàn)的，通過以太網向監(jiān)控中心傳輸通信數(shù)據(jù)，使實時監(jiān)控的目標得以實現(xiàn)。

2.1 設計系統(tǒng)硬件

CAN以太網網關是工業(yè)以太網和CAN現(xiàn)場總線網絡互聯(lián)的主要依據(jù)，主要由CAN數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)和以太網接口電路兩部分構成硬件結構，其中前者主要包括DSP芯片、CAN總線控制器等，后者主要包括DSP芯片和以太網控制芯片。兩個電路的核心都以DSP芯片為主，由轉換以太網和CAN總線通信協(xié)議的嵌入式系統(tǒng)共同組成。在整個系統(tǒng)中，CAN總線控制器和以太網控制芯片收發(fā)數(shù)據(jù)的工作、整個系統(tǒng)的正常運行、CAN總線和TCP/IP協(xié)議等工作都是由微控制器統(tǒng)一負責的。在該系統(tǒng)中，微控制器主要使用的是TI公司的DSP處理器TMS320F206，以太網控制芯片主要使用的是RTL8019AS。

跳線模式、RT模式和PnP模式是RTL8019AS主要的接口模式，其中跳線模式是該系統(tǒng)主要使用的，向高電平直接連接JP，向低電平中連接IOS0-IOS3，300H為設置的I/O基地址，與ISA總線兼容是RTL8019AS總線接口所具備的特征之一，所以其可以直接連接DSP。

2.2 設計系統(tǒng)軟件

2.2.1 CAN以太網網關模型

CAN以太網網關模型主要包括兩個通信協(xié)議和完全不同結構的網絡，主要工作是接收封裝的信息傳輸格式，在這樣的情況下，網絡需要在開放系統(tǒng)互聯(lián)OSI的幾個層次上運行。國際標準化組織為了實現(xiàn)開放體系系統(tǒng)互聯(lián)的目標而建立的模型就是OSI，其主要目的是將共同的基礎和標準框架提供給異種計算機進行互聯(lián)是。應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數(shù)據(jù)鏈接層和物理層是OSI從上到下的層數(shù)情況，但是以太網和CAN模型只是支持OSI定義的7層結構中的某些層。對于OSI模型中的會話層和表示層，以太網的網絡模型中并沒有與此相對應的層次，而且其定義的數(shù)據(jù)鏈層也區(qū)別于OSI模型中所定義的，其主要是由兩個子層構成，即擴邏輯鏈路控制和介質訪問控制，其中封裝和拆裝數(shù)據(jù)是邏輯鏈路控制的主要功能，對訪問的傳輸介質進行控制是介質訪問控制的主要功能。從標準的CAN總線方面來說，其只是對OSI模型中的最低兩層進行支持，其總線的數(shù)據(jù)鏈路層與以太網相同，但是CAN總線中對于應用層并沒有定義，對于應用層中的協(xié)議需要自己定義。從網關方面來說，其需要具備以下幾點功能：一是能夠讀取和發(fā)送以太網和CAN網上的數(shù)據(jù)，因此以太網和CAN網絡模型的網絡層次是必須具備的；二是其需要重新封裝以太網和CAN數(shù)據(jù)，因此網關的應用層需要對管理協(xié)議進行定義。

2.2.2 協(xié)議轉換過程

操作軟件的流程如下所示：當連接在CAN總線上的設備將數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網以后，數(shù)據(jù)首先會被發(fā)送到網關，這是通過CAN接口電路實現(xiàn)的，之后通過對應用層中對應層序的合理應用，及時提取需要傳送的數(shù)據(jù)，然后在TCP和IP層所需要的信息中添加相應的數(shù)據(jù)。經過封裝的數(shù)據(jù)被DSP處理器發(fā)送到以太網控制芯片RTL8019AS，由于RTL8019AS是實現(xiàn)物理層和邏輯鏈路層的主要基礎，因此RTL8019AS會自動添加以太網物理層和邏輯鏈路層需要的相關信息，之后再傳送到以太網上，這個過程主要是通過物理接口實現(xiàn)的，這時通過網卡可以接收CAN總線設備傳遞過來的信息。反之，當監(jiān)控中心將控制信息發(fā)送到總線上時，其會先向控制器RTL8019AS發(fā)送數(shù)據(jù)，TMS320F206接收數(shù)據(jù)以后，會及時提取實際要傳送的數(shù)據(jù)取，之后進行封裝，使其與CAN總線數(shù)據(jù)格式相符合，最后通過CAN總線向網絡中的現(xiàn)場設備發(fā)送相關的數(shù)據(jù)。在這個過程中，CAN以太網的網關協(xié)議可以通過開源實時嵌入式操作系統(tǒng)來完成，也可以通過可裁減的1wIP來實現(xiàn)，從而不僅可以為系統(tǒng)的高實效性提供保障，同時可以有效提升網關設計的靈活性。另外，通過對擴展幀報文符進行重新定義，可以使CAN應用層協(xié)議得以實現(xiàn)，同時將提出的轉換協(xié)議根據(jù)地址進行轉換，可以實現(xiàn)維護協(xié)議轉換和網絡連接的目標。

3 結 語

共存工業(yè)以太網與CAN現(xiàn)場總線的方案，不僅具有成本低和快捷的優(yōu)點，同時也具有較高的可靠性，而且該方案能夠充分發(fā)揮工業(yè)以太網和CAN現(xiàn)場總線的優(yōu)勢，可以更好地實現(xiàn)列車通信網絡連接的目標。在研究中發(fā)現(xiàn)，這種方案不僅大大提升了設備底層通信中的靈活性、可靠性和實時性，同時可以滿足列車總線對大容量數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)男枨螅€具有非常方便的組網，同時也非常容易實現(xiàn)與地面以太網的連接，所以在實際工作中應該廣泛應用該方案。

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