UIC網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嚴(yán)　翔， 張　波

(中國鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所, 北京 100081)

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UIC網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嚴(yán)翔， 張波

(中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所, 北京 100081)

UIC網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(jì)，完成了UIC網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)及底層驅(qū)動(dòng)的開發(fā)，搭建測(cè)試平臺(tái)分別完成了MVB和WTB的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果證明了硬件平臺(tái)的有效性和可用性，為進(jìn)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(yùn)行

列車控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代高速動(dòng)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(dòng)車組多數(shù)采用TCN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，包括正在試驗(yàn)的中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組，雖然額外鋪設(shè)了以太網(wǎng)做列車級(jí)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(jí)，分別為列車總線WTB(Wire Train Bus)和車輛總線MVB(Multifunction Vehicle Bus)。作為兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的橋梁，TCN網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)完成兩級(jí)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?jī)?nèi)容[1-2]；然而從應(yīng)用的角度，TCN網(wǎng)關(guān)并不能實(shí)現(xiàn)不同車輛之間的互操作。為了補(bǔ)充這部分功能，符合UIC 556協(xié)議的UIC網(wǎng)關(guān)應(yīng)運(yùn)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(dòng)車組之間的互聯(lián)、互通和互操作[3-5]。

雖然我國在動(dòng)車組引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的過程中對(duì)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(yùn)用維護(hù)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(jì)報(bào)告也很少，因此本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的UIC網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)，為UIC網(wǎng)關(guān)的進(jìn)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(jì)思想，設(shè)計(jì)并實(shí)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(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)重新配置WTB總線上的節(jié)點(diǎn)，完成TCN初運(yùn)行；在這之上接著完成符合UIC 556協(xié)議的UIC初運(yùn)行[8-9]。硬件采用3U機(jī)箱結(jié)構(gòu)，包含兩套獨(dú)立工作的冗余處理單元，每套處理單元又包含一個(gè)CPU模塊、一個(gè)MVB模塊、一個(gè)WTB模塊和一個(gè)電源模塊，背板采用CPCI總線通信，對(duì)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(jì)

UIC網(wǎng)關(guān)的核心是MVB網(wǎng)絡(luò)通信和WTB初運(yùn)行，分別對(duì)這兩部分設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1MVB通信板設(shè)計(jì)

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(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)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(shí)現(xiàn)物理層信號(hào)的轉(zhuǎn)換，執(zhí)行數(shù)據(jù)鏈路層的通信規(guī)程；同時(shí)完成了對(duì)CPCI控制器的通信控制，實(shí)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(shí)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(bào)文定時(shí)(周期發(fā)送主幀、在報(bào)文定時(shí)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(shí)現(xiàn)多種優(yōu)化調(diào)度算法打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2WTB通信板設(shè)計(jì)

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(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)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(shí)外部加載了一片SRAM用于功能擴(kuò)展，根據(jù)IEC 61375-1標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了WTB初運(yùn)行、常規(guī)運(yùn)行、鏈路層配置接口等功能，同時(shí)也完成了對(duì)CPCI控制器的通信控制，實(shí)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(yùn)行是列車級(jí)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(zhǎng)、縮短時(shí)，總線主節(jié)點(diǎn)通過配置總線上的其他節(jié)點(diǎn)，形成新的網(wǎng)絡(luò)編組，這個(gè)重新編組過程稱為WTB初運(yùn)行，也叫做TCN初運(yùn)行。初運(yùn)行主要完成節(jié)點(diǎn)檢測(cè)、節(jié)點(diǎn)命名、拓?fù)浞职l(fā)等功能；初運(yùn)行結(jié)束后，編組內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)將收到一個(gè)唯一的節(jié)點(diǎn)地址以及相對(duì)應(yīng)的拓?fù)湫畔?，整個(gè)編組處于一種常規(guī)運(yùn)行的狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)之間通過周期相和偶發(fā)相的數(shù)據(jù)幀傳遞信息，并時(shí)刻監(jiān)測(cè)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(yùn)行過程圖

WTB節(jié)點(diǎn)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(jìn)程尚未運(yùn)行的情況下，可以自動(dòng)初始化并運(yùn)行初運(yùn)行程序，完成在同一網(wǎng)絡(luò)下的與其他WTB節(jié)點(diǎn)的編組任務(wù)。在物理層，要實(shí)現(xiàn)介質(zhì)附件單元(Medium Attachment Unit，MAU)的數(shù)據(jù)收發(fā)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)設(shè)定、通道轉(zhuǎn)換等功能；在鏈路層，實(shí)現(xiàn)WTB數(shù)據(jù)幀的編碼和解碼功能、冗余控制、報(bào)文定時(shí)、介質(zhì)分配功能和初運(yùn)行進(jìn)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(shí)物如圖6所示，兩套熱備冗余單元集成在一個(gè)3U機(jī)箱內(nèi)，同時(shí)符合IEC 61375-1標(biāo)準(zhǔn)和UIC 556標(biāo)準(zhǔn)，通過了TCN一致性測(cè)試。

圖6　UIC網(wǎng)關(guān)硬件實(shí)物圖

3　平臺(tái)組網(wǎng)試驗(yàn)

3.1列車控制網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)UIC網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)的可用性，以某型動(dòng)車組網(wǎng)段配置為原型，在試驗(yàn)室環(huán)境下，搭建基于TCN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的半實(shí)物仿真平臺(tái)，如圖7所示，擁有符合TCN標(biāo)準(zhǔn)的兩級(jí)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(gè)MVB子網(wǎng)，其中GW1下的MVB網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)車輛控制單元VCU，3個(gè)數(shù)字量采集模塊LCM，一個(gè)MVB仿真節(jié)點(diǎn)以及一個(gè)智能顯示單元IDU。

圖7　半實(shí)物仿真平臺(tái)

3.2MVB互聯(lián)試驗(yàn)

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(gè)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(gè)源端口特征周期為1 ms；UIC、IDU和仿真節(jié)點(diǎn)的源端口特征周期為2 ms；剩余3個(gè)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(gè)基本周期，即8 ms。周期輪詢?cè)O(shè)計(jì)如圖8所示。在組網(wǎng)試驗(yàn)中通過示波器獲取的實(shí)測(cè)波形如圖9所示，上半部分是兩個(gè)基本周期的波形，下半部分是放大了其中一幀報(bào)文的波形，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，自主設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)測(cè)結(jié)果

3.3WTB互聯(lián)試驗(yàn)

WTB組網(wǎng)試驗(yàn)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?qǐng)D7的互聯(lián)測(cè)試拓?fù)溥M(jìn)行試驗(yàn)，包括3個(gè)測(cè)試網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)關(guān)都連接了一臺(tái)用于配置和狀態(tài)監(jiān)視的PC機(jī)，此時(shí)重點(diǎn)考察WTB的通信情況。

初始狀態(tài)各節(jié)點(diǎn)默認(rèn)都為弱主，上電后3個(gè)節(jié)點(diǎn)都

會(huì)向外廣播檢測(cè)請(qǐng)求幀來搶奪總線主管理權(quán)，一旦搶主成功則該節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)則成為從節(jié)點(diǎn)。假設(shè)GW1由弱主成為強(qiáng)主并繼續(xù)向總線發(fā)送檢測(cè)請(qǐng)求幀，GW2由弱主成為從節(jié)點(diǎn)發(fā)送檢測(cè)響應(yīng)幀作為握手；握手成功后，GW1向GW2發(fā)送命名請(qǐng)求，GW2被命名后，返回命名響應(yīng)幀。與此同時(shí)，GW2向GW2的另一方向發(fā)送檢測(cè)幀，檢測(cè)是否還存在其他WTB節(jié)點(diǎn)，當(dāng)GW2檢測(cè)到GW3的檢測(cè)響應(yīng)幀，則通過狀態(tài)響應(yīng)幀報(bào)告GW3的存在；GW1則會(huì)給GW2發(fā)送中間設(shè)定請(qǐng)求將GW2設(shè)置為中間節(jié)點(diǎn)；然后GW1繼續(xù)給GW3命名，在多次狀態(tài)檢測(cè)請(qǐng)求和響應(yīng)幀之后，確認(rèn)遠(yuǎn)端不存在其他的WTB節(jié)點(diǎn)，GW1開始分發(fā)總線拓?fù)?。在總線拓?fù)浞职l(fā)完畢之后，編組也就完成了，總線進(jìn)入常規(guī)運(yùn)行模式。在GW1和GW2之間測(cè)得的WTB組網(wǎng)初運(yùn)行實(shí)測(cè)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(shí)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(shí)現(xiàn)編組任務(wù)，結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖10　3節(jié)點(diǎn)初運(yùn)行過程中的幀波形

4　結(jié)束語

采用模塊化的設(shè)計(jì)，完成了UIC網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)及底層驅(qū)動(dòng)的開發(fā)，并在半實(shí)物仿真平臺(tái)下得到驗(yàn)證；除此之外，網(wǎng)關(guān)還搭載了實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的靈活訪問，完成對(duì)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(jìn)一步完成UIC 556協(xié)議棧的研發(fā)。

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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