王中堯

[摘 要]目前，已有列車通信網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡的組成進行了具體的研究與分析。

[關鍵詞]以太網(wǎng)技術；列車通信網(wǎng)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(jīng)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(nèi)列車將CAN和RS485等現(xiàn)場總線在已有列車通信網(wǎng)絡的基礎上引入，但是由于以太網(wǎng)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(wǎng)絡拓撲，這會在很大程度上影響組網(wǎng)的靈活性，在數(shù)據(jù)交換中需要專門的網(wǎng)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(wǎng)技術在列車通信網(wǎng)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(wǎng)與CAN現(xiàn)場總線的方案

1.1 比較工業(yè)以太網(wǎng)總線和CAN總線

應用在不同的工業(yè)信息化網(wǎng)絡領域，是工業(yè)以太網(wǎng)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(wǎng)絡和中間過程的監(jiān)控網(wǎng)絡中應用工業(yè)以太網(wǎng)，這些網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)組成該部分。一般在底層現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡應用CAN現(xiàn)場總線，其與工業(yè)以太網(wǎng)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(wǎng)絡傳輸?shù)耐掏铝恳?，而且其具有較小的開發(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(wǎng)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)哪繕耍揖哂泻芨叩膫鬏斝省?/p>

1.2 車輛總線網(wǎng)的組成部分

工業(yè)底層控制的通信網(wǎng)絡主要是CAN總線，其性質(zhì)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(wǎng)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(wǎng)絡通信量。除此之外，由于會隨時調(diào)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(wǎng)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(wǎng)技術可以滿足這樣的要求。

2 列車通信網(wǎng)絡的組成要素

在列車通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中，底層通信網(wǎng)絡的通行方式主要以CAN總線為主，其主要是對車廂內(nèi)的電氣控制設備進行連接，上層網(wǎng)絡與遠程監(jiān)控主機的連接是通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的。CAN總線和工業(yè)以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉換是通過CAN/以太網(wǎng)網(wǎng)關與CAN現(xiàn)場控制網(wǎng)絡和以太網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡實現(xiàn)的，通過以太網(wǎng)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(wǎng)網(wǎng)關是工業(yè)以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)控制芯片。兩個電路的核心都以DSP芯片為主，由轉換以太網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)網(wǎng)關模型

CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關模型主要包括兩個通信協(xié)議和完全不同結構的網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)的網(wǎng)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(zhì)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(zhì)進行控制是介質(zhì)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)和CAN網(wǎng)上的數(shù)據(jù)，因此以太網(wǎng)和CAN網(wǎng)絡模型的網(wǎng)絡層次是必須具備的；二是其需要重新封裝以太網(wǎng)和CAN數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)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(wǎng)以后，數(shù)據(jù)首先會被發(fā)送到網(wǎng)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(jīng)過封裝的數(shù)據(jù)被DSP處理器發(fā)送到以太網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)上，這個過程主要是通過物理接口實現(xiàn)的，這時通過網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)的網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡連接的目標。

3 結 語

共存工業(yè)以太網(wǎng)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(wǎng)和CAN現(xiàn)場總線的優(yōu)勢，可以更好地實現(xiàn)列車通信網(wǎng)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?，還具有非常方便的組網(wǎng)，同時也非常容易實現(xiàn)與地面以太網(wǎng)的連接，所以在實際工作中應該廣泛應用該方案。

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