工業(yè)以太網(wǎng)在列車網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用設(shè)計

黃 軼，胡鵬飛

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，1.碩士研究生；2.副教授，四川 成都 610031）

以太網(wǎng)技術(shù)的思想淵源最早可以追溯到1968年。以太網(wǎng)的核心思想是使用共享的公共傳輸信道。以太網(wǎng)是指遵循IEEE 802.3標準，可以在光纜和雙絞線上傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)也是當前主要應(yīng)用的一種局域網(wǎng)類型。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是商用以太網(wǎng)技術(shù)在控制網(wǎng)絡(luò)延伸的產(chǎn)物，前者源于后者但不同于后者。其在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（IEEE802.3標準）兼容，但材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度和適用性方面應(yīng)能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

工業(yè)以太網(wǎng)提供了針對控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)標準，有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、網(wǎng)絡(luò)帶寬、可操作性和實效性，完全滿足列車網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，同時克服了現(xiàn)有列車網(wǎng)絡(luò)總線傳輸速度低、組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)單一等缺點，非常適合在列車網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。為此，對其應(yīng)用設(shè)計進行相應(yīng)的研究。

1 應(yīng)用的可行性

1.1 以太網(wǎng)在列車網(wǎng)絡(luò)中具有優(yōu)勢目前，以太網(wǎng)技術(shù)在列車控制系統(tǒng)領(lǐng)域中還沒有得到充分應(yīng)用。而與其他現(xiàn)場總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)在列車網(wǎng)絡(luò)中具有突出優(yōu)勢。

1.1.l應(yīng)用廣泛 基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)是一種標準的開放式網(wǎng)絡(luò)，這種特性非常適合于解決列車設(shè)備兼容和互操作的問題。

1.1.2 數(shù)據(jù)傳輸率高 傳輸率可達到10～100 Mbps，能為列車網(wǎng)絡(luò)通信提供足夠的帶寬。

1.1.3 容易與信息網(wǎng)絡(luò)集成 集成后可有利于資源共享。

1.1.4 成本和費用低廉 以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，受到廣泛的技術(shù)支持，相對于目前使用的ARCNET，TCN等列車網(wǎng)絡(luò)，其硬件價格相對低廉得多。

1.1.5 可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?列車控制網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，可以與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相促進，共同發(fā)展，無需單獨投入研究資源。

1.1.6 支持多種的物理介質(zhì)和拓撲結(jié)構(gòu) 以太網(wǎng)支持多種傳輸介質(zhì)，支持總線型和星型拓撲結(jié)構(gòu)，可擴展性強，同時可采用多種冗余連接方式，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

1.1.7 軟硬件資源豐富 由于以太網(wǎng)在很多領(lǐng)域已應(yīng)用多年，人們對以太網(wǎng)的設(shè)計、應(yīng)用等方面有很多的經(jīng)驗，對其技術(shù)也十分熟悉〔1〕。

1.2 工業(yè)以太網(wǎng)可與現(xiàn)有現(xiàn)場總線相結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)在列車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用形式有2種，一種是工業(yè)以太網(wǎng)為主，全車使用以太網(wǎng)對列車進行控制。另外一種是工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)有現(xiàn)場總線相結(jié)合的應(yīng)用方式。但就現(xiàn)階段技術(shù)條件而言，以太網(wǎng)全面替代現(xiàn)有的列車網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線還存在大量問題，需要更深入地研究。因此，目前以太網(wǎng)技術(shù)在鐵路上的應(yīng)用主要是與現(xiàn)場總線相結(jié)合的方式〔2〕。

我國列車網(wǎng)絡(luò)大多采用CRH1/3/5的TCN標準，即WTB/MVB連接。其中MVB總線負責(zé)同一個車輛內(nèi)各個功能控制單元之間的數(shù)據(jù)通信，它是一種專用總線網(wǎng)絡(luò)，其適用范圍、供貨商、經(jīng)濟性均存在一定問題。因此，在保證原有的車輛MVB網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和主要功能不變的情況下，將工業(yè)以太網(wǎng)與MVB相結(jié)合，建立通信網(wǎng)關(guān)，在列車上增加以太網(wǎng)設(shè)備，部分替代MVB總線網(wǎng)絡(luò)的功能，是一種現(xiàn)實可行且有益的嘗試。

2 接口設(shè)計

要實現(xiàn)列車的以太網(wǎng)設(shè)備與MVB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要具有MVB-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及以太網(wǎng)接口。而MVB-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計在前期工作中已經(jīng)實現(xiàn)。因此，只需對列車中作為以太網(wǎng)節(jié)點的車輛設(shè)備接口進行設(shè)計。設(shè)計是基于單片機與以太網(wǎng)控制器進行的。

2.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)與MVB總線相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括MVB總線網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)2個子網(wǎng)。MVB總線作為列車的主控網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)列車的主要控制單元的運作。工業(yè)以太網(wǎng)進行一些輔助控制功能。

由于MVB總線與以太網(wǎng)是兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，要具體地實現(xiàn)車輛中的以太網(wǎng)中設(shè)備與MVB總線中設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，需要通過MVB-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和以太網(wǎng)接口，進行2個網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)和協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

通信過程如下：以太網(wǎng)車輛設(shè)備的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)接口及MVB-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MVB數(shù)據(jù)，并發(fā)送到MVB總線上的MVB設(shè)備中。反之亦然。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 以太網(wǎng)設(shè)備接口硬件設(shè)計以太網(wǎng)接口硬件的功能是由單片機和以太網(wǎng)芯片來實現(xiàn)的。利用單片機控制以太網(wǎng)控制器進行數(shù)據(jù)傳輸是最經(jīng)濟的以太網(wǎng)接口方案〔3〕?？紤]到實際使用環(huán)境和價格，選擇網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS與單片機芯片80C51來設(shè)計以太網(wǎng)接口電路。略去車輛設(shè)備中的其它數(shù)據(jù)采集和控制模塊。以太網(wǎng)接口電路框圖如圖2所示。

圖2 接口電路系統(tǒng)框圖

圖2中，80C51單片機是整個系統(tǒng)的主控芯片，用于控制網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送數(shù)據(jù)和對網(wǎng)絡(luò)控制器傳送過來的數(shù)據(jù)進行處理。與單片機連接的網(wǎng)絡(luò)控制器和RAM（隨機存取存儲器），分別完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送功能和通信數(shù)據(jù)存儲功能。由于電路和網(wǎng)絡(luò)中存在一定的干擾噪聲，需要隔離濾波器與網(wǎng)絡(luò)控制器相連，以提高網(wǎng)絡(luò)控制器接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的可靠性。而網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器則實現(xiàn)整個接口電路與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的物理連接。

接口電路的各個模塊具體介紹如下：

1）80C51單片機。80C51系列單片機是一種大規(guī)模集成電路芯片，將CPU，ROM，I/O接口和中斷系統(tǒng)結(jié)合于同一硅片的器件。它帶有非易失性Flash程序存儲器，可用于多機通信I/O擴展。

該系統(tǒng)中通過單片機控制以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)以太網(wǎng)接口的通信功能。

2）RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)控制器。以太網(wǎng)接口的網(wǎng)絡(luò)控制器采用臺灣Realtek公司生產(chǎn)的高集成度的全雙工以太網(wǎng)控制器芯片。它是低功耗CMOS芯片，可以與很少的外圍電路一起完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。

該系統(tǒng)中通過RTL8019AS實現(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)底層協(xié)議。

3）隨機存取存儲器RAM。用于擴展存儲通信的數(shù)據(jù)量，同時提高數(shù)據(jù)傳輸速度。

4）隔離濾波器與網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器。隔離濾波器LAN7236用于實現(xiàn)以太網(wǎng)上各節(jié)點的電氣隔離。網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器RJ45用于網(wǎng)絡(luò)控制器與非屏蔽雙絞線的連接。

2.3 以太網(wǎng)設(shè)備接口軟件設(shè)計要完成車輛設(shè)備以太網(wǎng)接口的網(wǎng)絡(luò)通信功能，還需要進行TCP/IP協(xié)議棧和相關(guān)的驅(qū)動程序設(shè)計。

2.3.1 驅(qū)動程序設(shè)計 驅(qū)動程序是一組子程序，用于屏蔽底層硬件處理細節(jié)，同時向上層軟件提供硬件無關(guān)接口。

以太網(wǎng)芯片驅(qū)動程序主要作用是，對以太網(wǎng)控制器中的各種寄存器進行配置，使數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的方式發(fā)送和接收。驅(qū)動程序的基本功能包括初始化和釋放，以及收發(fā)數(shù)據(jù)包?；玖鞒炭驁D如圖3所示。

圖3 驅(qū)動程序流程圖

要實現(xiàn)RTL8019AS的通信功能，首先需要對其進行初始化。初始化主要是對相關(guān)的寄存器進行配置。這些寄存器包括中斷使能寄存器，物理層配置和使能寄存器，配置寄存器，地址寄存器。

初始化可完成以太網(wǎng)的物理地址，以及發(fā)送緩沖區(qū)起始頁面地址寄存器的設(shè)置。當以太網(wǎng)絡(luò)中接收有數(shù)據(jù)時，自動將數(shù)據(jù)存入接收緩存寄存器，然后單片機讀取接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。

發(fā)送數(shù)據(jù)時，單片機將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包寫至RTL8019AS片內(nèi)發(fā)送緩沖區(qū)，并完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

現(xiàn)階段用于以太網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)大多是車輛設(shè)備狀態(tài)信息和控制指令，用查詢方式已經(jīng)可以完全滿足信息傳輸?shù)男枰?。如圖3中，CPU循環(huán)檢查以太網(wǎng)的狀態(tài)，響應(yīng)系統(tǒng)命令和中斷，從而保證數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。

2.3.2 TCP/IP協(xié)議 TCP/IP協(xié)議是一套把因特網(wǎng)上的各種系統(tǒng)互連起來的協(xié)議?！?〕。如圖4所示。其層次結(jié)構(gòu)有應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層。

由于該文中采用單片機控制網(wǎng)絡(luò)信息傳輸，因此TCP/IP協(xié)議棧無法與標準的TCP/IP協(xié)議棧一樣提供完整的協(xié)議體系，往往是根據(jù)具體的應(yīng)用提供不同的協(xié)議模塊〔5〕。下面對必要的協(xié)議模塊簡要描述如下：

1）ARP協(xié)議實現(xiàn)把IP地址轉(zhuǎn)換為物理地址。在實現(xiàn)ARP協(xié)議時，系統(tǒng)只需能夠響應(yīng)ARP請求并發(fā)送ARP響應(yīng)報文即可。

2）IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議棧中的核心協(xié)議，實現(xiàn)對要發(fā)送的分組尋找路徑，并傳送該分組模塊。主要用于同一網(wǎng)絡(luò)上IP報文的發(fā)送和接收〔6〕。

3）UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）是提供給用戶進程的無連接協(xié)議，用于傳送數(shù)據(jù)而不執(zhí)行正確性檢查〔7〕。

4）TCP（傳輸控制協(xié)議）是一種提供給用戶進程的、可靠的全雙工字節(jié)流面向連接的協(xié)議。它要為用戶進程提供虛電路服務(wù)，并為數(shù)據(jù)可靠傳輸建立檢查。大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)用戶程序使用TCP。對于列車中數(shù)據(jù)量小而精確的控制命令而言，利用TCP協(xié)議是最佳選擇。

3 結(jié)束語

工業(yè)以太網(wǎng)的出現(xiàn)，從技術(shù)上克服了現(xiàn)有列車網(wǎng)絡(luò)總線傳輸速度低、組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)單一等缺點，是列車網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展的必然趨勢。采用以太網(wǎng)對部分車載設(shè)備進行控制和通信，是降低列車控制系統(tǒng)的成本，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信的一個新的手段，并為將來全車使用以太網(wǎng)進行控制提供有益的經(jīng)驗。

上述以太網(wǎng)接口已經(jīng)在實驗?zāi)M的車輛設(shè)備中得到了初步驗證，說明所做的應(yīng)用設(shè)計是可行的。

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