一種基于TRDP 協(xié)議列車以太網(wǎng)卡的研制*

孫振超，朱廣超,2,3，李申龍,2，閆迷軍，趙紅衛(wèi),2,3

（1 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081；3 動(dòng)車組和機(jī)車牽引與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

新時(shí)期軌道交通正在向高速化、舒適化和智能化方向發(fā)展，列車控制、監(jiān)視、故障診斷及乘客娛樂等網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)量也不斷增大。傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線 如TCN［1］、ARCNET、LonWorks 和CAN 等 網(wǎng) 絡(luò)因帶寬受限，難以滿足未來列車大容量數(shù)據(jù)通信的需求。與此同時(shí)，在IEC 61375-3-4-2014 中規(guī)定了列車通信網(wǎng)絡(luò)（Train Communication Network TCN）中以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Consist Network ECN）的標(biāo)準(zhǔn)［2-3］?；谝蕴W(wǎng)的車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線其傳輸速率大大提高，能夠很好的應(yīng)對(duì)未來多樣化和高帶寬的傳輸需求，而且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好。

近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)列車以太網(wǎng)的研究逐漸成為熱點(diǎn)［4］，2008 年加拿大龐巴迪公司首次在德國(guó)和荷蘭的區(qū)域性列車上配備了車載以太網(wǎng)系統(tǒng)。德國(guó)西門子于2017 年在ICE 4 高鐵列車配備了基于PROFINET 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的Sibas PN 控制系統(tǒng)。美國(guó)西蒙公司開發(fā)了基于Ethernet IP 的列車實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。在日本，日立、三菱等公司采用的是基于以太網(wǎng)改進(jìn)的ARCNET 總線列車網(wǎng)絡(luò)。杜根、阿密特等公司也相繼推出TRDP（Train Real-time Data Protocol）以太網(wǎng)卡產(chǎn)品。

文中重點(diǎn)介紹基于Xilinx SOC 芯片ZYNQ 7000 硬件平臺(tái)開發(fā)的列車TRDP 協(xié)議實(shí)時(shí)以太網(wǎng)卡的自主化研制，重點(diǎn)包括系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。結(jié)合以太網(wǎng)卡的功能需求進(jìn)行了功能測(cè)試和驗(yàn)證。該網(wǎng)卡通過以太網(wǎng)一致性測(cè)試，具有良好的實(shí)時(shí)性，支持多COMID 收發(fā)，滿足以太網(wǎng)控車的需求。

1 TRDP 以太網(wǎng)卡的功能需求

列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)協(xié)議TRDP 是由IEC 61375-2-3標(biāo)準(zhǔn)定義，位于TCP/UDP 傳輸層之上。列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)協(xié)議TRDP 規(guī)定了TCN 過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)在列車通信網(wǎng)絡(luò)中的通信流程。以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議棧為基礎(chǔ)，列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)協(xié)議在傳輸層與應(yīng)用層之間增加了TRDP 層，TRDP 協(xié)議層規(guī)定了報(bào)文的數(shù)據(jù)發(fā)送序列（SequenceCounter）、消息類型標(biāo)識(shí)（MsyType）、用戶數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)（COMID）、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、首部校驗(yàn)等重要協(xié)議層信息，如圖1 所示。使其能夠?yàn)榱熊嚲W(wǎng)絡(luò)中任意2 個(gè)設(shè)備之間的過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)通信提供有安全保障的端到端數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 TRDP 以太網(wǎng)協(xié)議棧

TRDP 網(wǎng)卡是列車以太網(wǎng)控車的關(guān)鍵設(shè)備，通過該網(wǎng)卡可以將終端設(shè)備連接到整車的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)控制信息和狀態(tài)信息的交互，TRDP 網(wǎng)卡主要有如下幾項(xiàng)功能特點(diǎn)：

（1）TRDP 網(wǎng)卡保證列車以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的通信，具有實(shí)時(shí)性和可靠性。

（2）支持雙網(wǎng)口獨(dú)立收發(fā)，以滿足列車控制的冗余功能，完成過程數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)以及消息數(shù)據(jù)等多種信息交互。

由于研制的TRDP 以太網(wǎng)卡是作為列車關(guān)鍵設(shè)備（中央控制單元、制動(dòng)控制單元、牽引控制單元等）的以太網(wǎng)通信接口網(wǎng)卡，既要滿足大容量、高帶寬的特性還要滿足不同實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)傳輸。因此在設(shè)計(jì)網(wǎng)卡時(shí)的平臺(tái)選型上既要滿足當(dāng)前任務(wù)，還要兼顧未來功能、服務(wù)的升級(jí)。另外，考慮到中央控制單元等上層設(shè)備的CPU 板卡要運(yùn)行自身的多種邏輯軟件，任務(wù)繁重，因此要求作為下層通信板卡的TRDP 以太網(wǎng)卡在功能設(shè)計(jì)上要盡量少占用上層CPU 板卡的資源，最大程度地減少上層CPU 的負(fù)擔(dān)。

2 TRDP 網(wǎng)卡的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上一節(jié)以太網(wǎng)卡功能需求分析，在硬件設(shè)計(jì)中采用Xillinx 公司的ZYNQ 系列可擴(kuò)展處理平臺(tái)。該芯片將高性能ARM Cortex-A9 系列處理器和高性能FPGA 在單芯片內(nèi)緊密結(jié)合，內(nèi)部ARM 處理器和FPGA 之間采用AXI 標(biāo)準(zhǔn)總線互聯(lián)，充分發(fā)揮ARM 處理器和FPGA 的性能優(yōu)勢(shì)。此外該芯片集成度高，將FPGA 和ARM 芯片集成在同一塊芯片中，節(jié)省硬件布線面積，省掉ARM和FPGA 中間通信總線的能量消耗。

文中開發(fā)的TRDP 以太網(wǎng)卡采以ZYNQ7020芯片為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)硬件架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 基于ZYNQ7020 的TRDP 以太網(wǎng)硬件板卡架構(gòu)

核心的ZYNQ7000 系列的芯片型號(hào)為XC7Z020-2CLG484，芯片可分成處理器系統(tǒng)部分Processor System（PS）和可編程邏輯部分Programmable Logic（PL）。PS 部 分 基 于ARM 雙 核CortexA-9 的 應(yīng) 用處理器，ARM-v7 架構(gòu)高達(dá)1 GHz，滿足網(wǎng)卡高速收發(fā)的應(yīng)用程序的運(yùn)行需要。外圍設(shè)計(jì)包括4 GB的EMMC 存儲(chǔ)芯片用于掛載驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序；1 GB 的DDR3 緩存用于存儲(chǔ)收發(fā)數(shù)據(jù)；32 MB 的QSPI flash 燒錄網(wǎng)卡的啟動(dòng)程序和硬件邏輯，另外還外留UART 接口用于板卡的監(jiān)控與調(diào)試。設(shè)計(jì)了RTC 模塊，完成掉電時(shí)間保持功能。PL 端引出2 個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)口（網(wǎng)口1 和網(wǎng)口2），用于列車實(shí)時(shí)以太網(wǎng)信息收發(fā)通道；PS 端引出以太網(wǎng)網(wǎng)口3，用作于板卡的調(diào)試、配置以及板卡運(yùn)行監(jiān)控。

TRDP 以太網(wǎng)的FPGA 邏輯基于Xilinx 公司的Vivado 工 具 進(jìn) 行 開 發(fā)，在ZYNQ 的PL 中 基 于IP 核結(jié)構(gòu)搭建2 個(gè)獨(dú)立的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包收發(fā)通路，細(xì)節(jié)框圖如圖3 所示。

圖3 TRDP 以太網(wǎng)卡FPGA 邏輯框圖

設(shè)計(jì)中，主要IP 核包括：以太網(wǎng)MAC 控制器、DMA 控制器、中斷連接器、ISA 總線交互模塊等。在各模塊之間通過AXI 總線連接器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。PL 端中各模塊控制接口通過AXI_lite 總線與PS 端的GP 接口連接，對(duì)各模塊的寄存器進(jìn)行讀寫，完成模塊的配置、控制與檢測(cè)等功能。

DMA 控制器啟動(dòng)S/G 傳輸模式，通過獨(dú)立的AXI S/G 通道從DDR 中獲取描述符信息，協(xié)調(diào)以太網(wǎng)和DDR 間的數(shù)據(jù)傳輸。在設(shè)計(jì)中，描述符和數(shù)據(jù)都是通過AXI_stream 型總線與HP 接口交互，數(shù)據(jù)方向分為存儲(chǔ)區(qū)到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流MM2S（Memory Mapped to Stream）和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流到存儲(chǔ) 區(qū)S2MM（Stream to Memory Mapped）。 利 用AXI_Stream 總線完成DDR 和DMA 之間網(wǎng)卡交互數(shù)據(jù)的搬運(yùn)，可以保證網(wǎng)卡信息高速率傳輸。

以太網(wǎng)MAC 控制模塊（Ethernet MAC Ctrl）主要完成以太網(wǎng)鏈路層報(bào)文封裝與解包、數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)以及通過MII 總線對(duì)PHY 芯片進(jìn)行配置和控制等功能。

ISA 總線交互模塊中例化RAM 和寄存器實(shí)現(xiàn)上層CPU 與網(wǎng)卡ZYNQ 的ARM 之間的網(wǎng)絡(luò)信息交互。此外，可以根據(jù)上層應(yīng)用CPU 不同的接口需求，充分利用ZYNQ 芯片的高擴(kuò)展性擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)SPI、LVDS、CAN 等串行總線接口，方便實(shí)現(xiàn)與上層CPU 之間的信息交互。

3 TRDP 以太網(wǎng)卡的軟件設(shè)計(jì)

TRDP 以太網(wǎng)卡的軟件設(shè)計(jì)分為2 部分：一是運(yùn)行在上層CPU 上的驅(qū)動(dòng)軟件；二是運(yùn)行在板卡ZYNQ PS 端ARM 上的嵌入式軟件。2 部分軟件相互配合，實(shí)現(xiàn)TRDP 以太網(wǎng)卡的各項(xiàng)通信功能，軟件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。運(yùn)行在上層CPU 上的軟件通過板卡背板ISA 總線的硬件接口和板卡ARM 軟件提供的軟件接口，完成板卡的啟動(dòng)、初始化配置、COMID 端口訂閱和發(fā)布，以及過程數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等功能。整個(gè)TRDP 以太網(wǎng)卡的軟件架構(gòu)基于QNX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，底層通過QNX BSP 驅(qū)動(dòng)完成對(duì)板卡硬件的控制，包括以太網(wǎng)物理接口、背板接口、串口以及狀態(tài)指示燈。通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)底層接口程序驅(qū)動(dòng)DMA 和以太網(wǎng)MAC 控制器完成報(bào)文數(shù)據(jù)搬運(yùn)。

圖4 TRDP 以太網(wǎng)卡的軟件結(jié)構(gòu)圖

板卡上電后，加載QNX 系統(tǒng)啟動(dòng)板卡應(yīng)用程序，完成網(wǎng)卡的初始化配置，開啟網(wǎng)口收發(fā)線程和背板交互線程，等待上層CPU 的命令。上層CPU的命令接口函數(shù)見表1。

表1 TRDP 以太網(wǎng)卡應(yīng)用程序主要接口函數(shù)

在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，上層CPU 通過接口程序下達(dá)發(fā)送數(shù)據(jù)命令，利用背板總線將數(shù)據(jù)寫入板卡緩存，同時(shí)該數(shù)據(jù)包的相關(guān)發(fā)送周期、COMID、超時(shí)時(shí)間等相關(guān)信息一同傳達(dá)給板卡，板卡上的過程數(shù)據(jù)應(yīng)用接口通過TCNopen 維護(hù)程序?qū)?shù)據(jù)添加TRDP 協(xié)議，按照發(fā)送周期將數(shù)據(jù)包傳遞給QNX操作系統(tǒng)自帶的UDP 發(fā)送程序，通過socket 函數(shù)將數(shù)據(jù)包傳遞給MAC 層發(fā)送模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)送。

同樣，當(dāng)有以太網(wǎng)幀到達(dá)時(shí)，網(wǎng)卡對(duì)數(shù)據(jù)包包頭進(jìn)行識(shí)別，如果該數(shù)據(jù)包不符合接收條件，則被丟棄；如果該數(shù)據(jù)包符合接收條件，程序?qū)?shù)據(jù)包進(jìn)行解包，將應(yīng)用數(shù)據(jù)填入板卡的緩存區(qū)，等待上層CPU 通過背板總線周期性提取。

雙網(wǎng)口雙通道的設(shè)計(jì)可以滿足以太網(wǎng)控車系統(tǒng)中的冗余功能，2 個(gè)通道可以發(fā)送不同VLAN 的數(shù)據(jù)，彼此互不影響，上層通過邏輯來取信其中一路數(shù)據(jù)，待取信路出現(xiàn)異常時(shí)，切換取信另一路。此外，除了PL 端搭建的用于傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的2 個(gè)以太網(wǎng)口外，在PS 端還引出1 個(gè)網(wǎng)口3，通過QNX操作系統(tǒng)內(nèi)部命令的設(shè)置，可以將網(wǎng)口3 的數(shù)據(jù)以橋接的方式轉(zhuǎn)接到PL 端的網(wǎng)口。在實(shí)車應(yīng)用中，將PS 端的網(wǎng)口3 連接到網(wǎng)卡所在的整機(jī)設(shè)備的維護(hù)接口，維護(hù)口的數(shù)據(jù)就可以共享控制網(wǎng)絡(luò)的線路通道。該功能可以實(shí)現(xiàn)列車網(wǎng)絡(luò)中的控制網(wǎng)和維護(hù)網(wǎng)的融合，雙網(wǎng)合一。

4 TRDP 以太網(wǎng)卡的測(cè)試與驗(yàn)證

研制的TRDP 以太網(wǎng)卡采用了標(biāo)準(zhǔn)的3U 板卡結(jié)構(gòu)，可以方便地集成在中央控制單元等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的機(jī)箱中，自主研制的TRDP 以太網(wǎng)卡實(shí)物如圖5 所示。

圖5 3U 標(biāo)準(zhǔn)的TRDP 以太網(wǎng)卡實(shí)物圖

4.1 一致性測(cè)試

列車以太網(wǎng)和傳統(tǒng)以太網(wǎng)除通信協(xié)議的差異外，主要區(qū)別在于需要考慮列車上更為復(fù)雜的電磁環(huán)境，以太網(wǎng)信號(hào)傳輸將受到更多的干擾。接入列車以太網(wǎng)的終端設(shè)備，必須通過其在復(fù)雜的電磁環(huán)境中保障數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的以太網(wǎng)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的符合性驗(yàn)證［5］，需要對(duì)TRDP 以太網(wǎng)卡的物理層信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。

為了驗(yàn)證研制板卡的以太網(wǎng)一致性功能，按照測(cè)試要求，在實(shí)驗(yàn)室的以太網(wǎng)一致性測(cè)試平臺(tái)上對(duì)研制的TRDP 以太網(wǎng)卡物理層信號(hào)及鏈路層通信進(jìn)行一致性測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)及結(jié)果見表2，眼圖的測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7 所示，阻抗回輸損耗的測(cè)試結(jié)果如圖8、圖9 所示。通過測(cè)試結(jié)果表明研制的TRDP 以太網(wǎng)卡符合以太網(wǎng)一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 眼圖測(cè)試結(jié)果（正面）

圖7 眼圖測(cè)試結(jié)果（反面）

圖8 阻抗回輸損耗測(cè)試結(jié)果（發(fā)送）

圖9 阻抗回輸損耗測(cè)試結(jié)果（接收）

表2 TRDP 以太網(wǎng)卡一致性測(cè)試結(jié)果

4.2 功能測(cè)試

列車實(shí)時(shí)以太網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性是最重要的特性之一。目前列車的實(shí)際應(yīng)用中，用到的最小發(fā)送周期為30 ms。為了驗(yàn)證TRDP 以太網(wǎng)卡的實(shí)時(shí)性功能，將研制的TRDP 插入中央控制單元主機(jī)中，中央控制單元模擬列車應(yīng)用，通過上層驅(qū)動(dòng)程序控制TRDP 以太網(wǎng)卡收發(fā)數(shù)據(jù)，利用電腦開啟wireshark 工具連接以太網(wǎng)網(wǎng)口進(jìn)行抓包監(jiān)視。

在測(cè)試中，TRDP 網(wǎng)卡可以成功連續(xù)發(fā)送30個(gè)不同COMID 的數(shù)據(jù)包，研制的TRDP 以太網(wǎng)卡滿足多COMID 收發(fā)功能。其中挑選發(fā)送周期為30 ms、COMID 為21304 的數(shù)據(jù)包進(jìn)行單獨(dú)觀測(cè)，其抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖10 所示。結(jié)果顯示周期為30 ms 的數(shù)據(jù)包的抖動(dòng)在±1.2 ms 以內(nèi)，滿足IEC 61375-3-4 標(biāo)準(zhǔn)中周期為30 ms 的報(bào)文抖動(dòng)在±10 ms 以內(nèi)的要求。

圖10 TRDP 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果

上述結(jié)果驗(yàn)證了所研制板卡滿足當(dāng)前的應(yīng)用需求，為了進(jìn)一步測(cè)試板卡的性能，進(jìn)行更高指標(biāo)的測(cè)試。經(jīng)測(cè)試TRDP 可以同時(shí)完成200 個(gè)COMID 的收發(fā)；縮小發(fā)送周期至10 ms，結(jié)果網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)包的抖動(dòng)在±1.5 ms 以內(nèi)。該結(jié)果顯示，研制的基于ZYNQ 平臺(tái)的TRDP 以太網(wǎng)卡具有良好的實(shí)時(shí)性，滿足大容量多通道數(shù)據(jù)的收發(fā)。

研制的TRDP 網(wǎng)卡進(jìn)行了一系列的功能測(cè)試，并通過了高低溫、振動(dòng)、電磁兼容等相關(guān)的型式試驗(yàn)，速度250 km/h 復(fù)興號(hào)動(dòng)車組裝車考核表明，TRDP 以太網(wǎng)卡設(shè)計(jì)方案可行，完全達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

TRDP 以太網(wǎng)卡是列車以太網(wǎng)控車網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵設(shè)備，文中介紹了基于Xilinx 公司ZYNQ 平臺(tái)研制的TRDP 以太網(wǎng)卡的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。該網(wǎng)卡通過了以太網(wǎng)一致性測(cè)試和實(shí)時(shí)性功能驗(yàn)證，并在速度250 km/h 復(fù)興號(hào)動(dòng)車組上實(shí)現(xiàn)了裝車應(yīng)用。研制TRDP 以太網(wǎng)卡對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)新型以太網(wǎng)控車技術(shù)具有重要意義。