工業以太網在列車網絡中的應用設計

黃 軼，胡鵬飛

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

以太網技術的思想淵源最早可以追溯到1968年。以太網的核心思想是使用共享的公共傳輸信道。以太網是指遵循IEEE 802.3標準，可以在光纜和雙絞線上傳輸的網絡。以太網也是當前主要應用的一種局域網類型。工業以太網技術是商用以太網技術在控制網絡延伸的產物，前者源于后者但不同于后者。其在技術上與商用以太網（IEEE802.3標準）兼容，但材質的選用、產品的強度和適用性方面應能滿足工業現場的需要。

工業以太網提供了針對控制網絡數據傳輸的以太網標準，有很高的網絡安全性、網絡帶寬、可操作性和實效性，完全滿足列車網絡的發展需求，同時克服了現有列車網絡總線傳輸速度低、組網拓撲結構單一等缺點，非常適合在列車網絡中應用。為此，對其應用設計進行相應的研究。

1 應用的可行性

1.1 以太網在列車網絡中具有優勢目前，以太網技術在列車控制系統領域中還沒有得到充分應用。而與其他現場總線相比，工業以太網在列車網絡中具有突出優勢。

1.1.l應用廣泛 基于TCP/IP協議的以太網是一種標準的開放式網絡，這種特性非常適合于解決列車設備兼容和互操作的問題。

1.1.2 數據傳輸率高 傳輸率可達到10～100 Mbps，能為列車網絡通信提供足夠的帶寬。

1.1.3 容易與信息網絡集成 集成后可有利于資源共享。

1.1.4 成本和費用低廉 以太網是目前應用最為廣泛的計算機網絡技術，受到廣泛的技術支持，相對于目前使用的ARCNET，TCN等列車網絡，其硬件價格相對低廉得多。

1.1.5 可持續發展潛力大 列車控制網絡采用以太網，可以與信息網絡技術互相促進，共同發展，無需單獨投入研究資源。

1.1.6 支持多種的物理介質和拓撲結構 以太網支持多種傳輸介質，支持總線型和星型拓撲結構，可擴展性強，同時可采用多種冗余連接方式，提高網絡的性能。

1.1.7 軟硬件資源豐富 由于以太網在很多領域已應用多年，人們對以太網的設計、應用等方面有很多的經驗，對其技術也十分熟悉〔1〕。

1.2 工業以太網可與現有現場總線相結合工業以太網在列車控制系統中的應用形式有2種，一種是工業以太網為主，全車使用以太網對列車進行控制。另外一種是工業以太網與現有現場總線相結合的應用方式。但就現階段技術條件而言，以太網全面替代現有的列車網絡現場總線還存在大量問題，需要更深入地研究。因此，目前以太網技術在鐵路上的應用主要是與現場總線相結合的方式〔2〕。

我國列車網絡大多采用CRH1/3/5的TCN標準，即WTB/MVB連接。其中MVB總線負責同一個車輛內各個功能控制單元之間的數據通信，它是一種專用總線網絡，其適用范圍、供貨商、經濟性均存在一定問題。因此，在保證原有的車輛MVB網絡結構和主要功能不變的情況下，將工業以太網與MVB相結合，建立通信網關，在列車上增加以太網設備，部分替代MVB總線網絡的功能，是一種現實可行且有益的嘗試。

2 接口設計

要實現列車的以太網設備與MVB設備之間的數據交換，網絡系統需要具有MVB-以太網網關及以太網接口。而MVB-以太網網關的設計在前期工作中已經實現。因此，只需對列車中作為以太網節點的車輛設備接口進行設計。設計是基于單片機與以太網控制器進行的。

2.1 網絡系統結構工業以太網與MVB總線相結合的網絡系統，包括MVB總線網絡和工業以太網網絡2個子網。MVB總線作為列車的主控網絡，調節列車的主要控制單元的運作。工業以太網進行一些輔助控制功能。

由于MVB總線與以太網是兩種異構網絡，要具體地實現車輛中的以太網中設備與MVB總線中設備之間的數據傳輸，需要通過MVB-以太網網關和以太網接口，進行2個網絡間數據和協議的轉換。

通信過程如下：以太網車輛設備的數據通過以太網接口及MVB-以太網網關將以太網數據轉換為MVB數據，并發送到MVB總線上的MVB設備中。反之亦然。整體結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2.2 以太網設備接口硬件設計以太網接口硬件的功能是由單片機和以太網芯片來實現的。利用單片機控制以太網控制器進行數據傳輸是最經濟的以太網接口方案〔3〕?？紤]到實際使用環境和價格，選擇網絡控制器RTL8019AS與單片機芯片80C51來設計以太網接口電路。略去車輛設備中的其它數據采集和控制模塊。以太網接口電路框圖如圖2所示。

圖2 接口電路系統框圖

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

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模集成電路芯片，將CPU，ROM，I/O接口和中斷系統結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。

該系統中通過單片機控制以太網控制器實現以太網接口的通信功能。

2）RTL8019AS網絡控制器。以太網接口的網絡控制器采用臺灣Realtek公司生產的高集成度的全雙工以太網控制器芯片。它是低功耗CMOS芯片，可以與很少的外圍電路一起完成網絡數據的發送和接收功能。

該系統中通過RTL8019AS實現以太網網絡底層協議。

3）隨機存取存儲器RAM。用于擴展存儲通信的數據量，同時提高數據傳輸速度。

4）隔離濾波器與網絡收發器。隔離濾波器LAN7236用于實現以太網上各節點的電氣隔離。網絡收發器RJ45用于網絡控制器與非屏蔽雙絞線的連接。

2.3 以太網設備接口軟件設計要完成車輛設備以太網接口的網絡通信功能，還需要進行TCP/IP協議棧和相關的驅動程序設計。

2.3.1 驅動程序設計 驅動程序是一組子程序，用于屏蔽底層硬件處理細節，同時向上層軟件提供硬件無關接口。

以太網芯片驅動程序主要作用是，對以太網控制器中的各種寄存器進行配置，使數據按照相應的方式發送和接收。驅動程序的基本功能包括初始化和釋放，以及收發數據包?；玖鞒炭驁D如圖3所示。

圖3 驅動程序流程圖

要實現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的物理地址，以及發送緩沖區起始頁面地址寄存器的設置。當以太網絡中接收有數據時，自動將數據存入接收緩存寄存器，然后單片機讀取接收緩沖區的數據。

發送數據時，單片機將需要發送的數據包寫至RTL8019AS片內發送緩沖區，并完成數據的發送。

現階段用于以太網通信的數據大多是車輛設備狀態信息和控制指令，用查詢方式已經可以完全滿足信息傳輸的需要。如圖3中，CPU循環檢查以太網的狀態，響應系統命令和中斷，從而保證數據的接受和發送。

2.3.2 TCP/IP協議 TCP/IP協議是一套把因特網上的各種系統互連起來的協議棧〔4〕。如圖4所示。其層次結構有應用層、傳輸層、網絡層和網絡接口層。

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

1）ARP協議實現把IP地址轉換為物理地址。在實現ARP協議時，系統只需能夠響應ARP請求并發送ARP響應報文即可。

2）IP協議是TCP/IP協議棧中的核心協議，實現對要發送的分組尋找路徑，并傳送該分組模塊。主要用于同一網絡上IP報文的發送和接收〔6〕。

3）UDP（用戶數據報協議）是提供給用戶進程的無連接協議，用于傳送數據而不執行正確性檢查〔7〕。

4）TCP（傳輸控制協議）是一種提供給用戶進程的、可靠的全雙工字節流面向連接的協議。它要為用戶進程提供虛電路服務，并為數據可靠傳輸建立檢查。大多數網絡用戶程序使用TCP。對于列車中數據量小而精確的控制命令而言，利用TCP協議是最佳選擇。

3 結束語

工業以太網的出現，從技術上克服了現有列車網絡總線傳輸速度低、組網拓撲結構單一等缺點，是列車網絡未來發展的必然趨勢。采用以太網對部分車載設備進行控制和通信，是降低列車控制系統的成本，實現高速數據通信的一個新的手段，并為將來全車使用以太網進行控制提供有益的經驗。

上述以太網接口已經在實驗模擬的車輛設備中得到了初步驗證，說明所做的應用設計是可行的。

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〔1〕高斐.基于以太網的嵌入式水情測報系統〔D〕.太原：太原理工大學，2007：3-4.

〔2〕劉婷婷.工業以太網在列車網絡系統中的應用前景〔J〕.內燃機車，2009（4）：41.

〔3〕張瑞瑞.以太網技術在機車中的應用研究〔D〕.北京：北京交通大學，2007：10.

〔4〕李明，康靜秋.嵌入式TCP/IP協議棧的研究與開發〔J〕.計算機工程與應用，2002（16）：118-121.

〔5〕李懷俊，張學習，章云.工業以太網中嵌入式TCP/IP協議應用技術分析〔J〕.廣東工業大學學報，2002（12）：25-29.

〔6〕張鳳琴.基于高速C8051單片機的以太網接口設計〔J〕.科學技術與工程，2009（9）：1298-1300.

〔7〕蔣東興，林鄂華，陳棋德，印敏，劉啟新.WINDOWS SOCKETS網絡程序設計大全〔M〕.北京：清華大學出版社，1999：3.