UIC網關硬件平臺的設計與實現

嚴　翔， 張　波

(中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所, 北京 100081)

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UIC網關硬件平臺的設計與實現

嚴翔， 張波

(中國鐵道科學研究院機車車輛研究所, 北京 100081)

UIC網關是實現動車組之間互聯、互通和互操作的關鍵設備，采用模塊化的設計，完成了UIC網關硬件平臺的設計及底層驅動的開發，搭建測試平臺分別完成了MVB和WTB的網絡測試，試驗結果證明了硬件平臺的有效性和可用性，為進一步的網關開發奠定基礎。

列車控制網絡; 網關; 初運行

列車控制網絡技術已經成為現代高速動車組和城軌車輛的關鍵技術之一，在世界各國得到廣泛應用。目前，國內外高速動車組多數采用TCN網絡標準，包括正在試驗的中國標準動車組，雖然額外鋪設了以太網做列車級通信，但列控網絡仍然采用TCN標準。TCN標準中將車載網絡的層次結構分為兩級，分別為列車總線WTB(Wire Train Bus)和車輛總線MVB(Multifunction Vehicle Bus)。作為兩級網絡互聯的橋梁，TCN網關負責完成兩級總線之間過程數據和消息數據的傳送和協議的轉換，屬于第5類設備，涵蓋TCN網絡通信技術的全部內容[1-2]；然而從應用的角度，TCN網關并不能實現不同車輛之間的互操作。為了補充這部分功能，符合UIC 556協議的UIC網關應運而生，它為TCN應用層各種消息的發送與應答提供了規范，從而可以滿足不同車型動車組之間的互聯、互通和互操作[3-5]。

雖然我國在動車組引進、消化、吸收、再創新的過程中對于列車控制網絡方面的研究取得了豐富的成果，相關科研單位也研制出一系列TCN網絡相關設備，但是部分核心網絡技術由外方控制，運用維護中參數的調整也受外方限制[6-7]；除此之外，我國在UIC網關的技術研究方面尚處于起步階段，相關的設計報告也很少，因此本文設計并實現了具有自主知識產權的UIC網關硬件平臺，為UIC網關的進一步完整開發打下基礎。

1　系統組成

采用模塊化的設計思想，設計并實現了一種基于CPCI的冗余WTB/MVB網關，整體結構如圖1所示。除了具備MVB總線主管理器和通信功能外，在列車編組發生變化時，系統可以自動重新配置WTB總線上的節點，完成TCN初運行；在這之上接著完成符合UIC 556協議的UIC初運行[8-9]。硬件采用3U機箱結構，包含兩套獨立工作的冗余處理單元，每套處理單元又包含一個CPU模塊、一個MVB模塊、一個WTB模塊和一個電源模塊，背板采用CPCI總線通信，對外通信接口包括以太網、WTB、MVB以及RS232，其結構框圖如圖2所示。

圖1　UIC網關整體結構圖

圖2　處理單元結構框圖

2　關鍵功能模塊設計

UIC網關的核心是MVB網絡通信和WTB初運行，分別對這兩部分設計進行詳細介紹。

2.1MVB通信板設計

MVB通信板是列車通信網關接入MVB網絡的入口，同時具有標準CPCI通信接口，可作為MVB網絡模塊接入標準CPCI控制機箱，其結構如圖3所示。MVB通信板的核心處理器是Altera公司的FPGA，采用SOPC技術實現具有自主知識產權的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FPGA上。支持IEC 61375-1標準中規定的過程數據、消息數據、監視數據及總線管理的功能，實現物理層信號的轉換，執行數據鏈路層的通信規程；同時完成了對CPCI控制器的通信控制，實現與CPU板的CPCI總線高速數據交換。

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類設備，作為MVB主設備時需要提供更高層的服務，包括介質訪問的分配(周期掃描表、基本周期以及宏周期的設定和修改)和報文定時(周期發送主幀、在報文定時內完成主從幀通信)等多種功能。由于MVB的控制核心是自主研發的MVBC軟核，因此具有高度的配置靈活性，可突破TCN協議的限制，為實現多種優化調度算法打下堅實基礎。

2.2WTB通信板設計

WTB通信板是列車通信網關接入WTB網絡的入

口，同時具有標準CPCI通信接口，可作為WTB網絡模塊接入標準CPCI控制機箱，其結構如圖4所示。WTB通信板的核心處理器同樣采用SOPC技術實現具有自主知識產權的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FPGA上，同時外部加載了一片SRAM用于功能擴展，根據IEC 61375-1標準實現了WTB初運行、常規運行、鏈路層配置接口等功能，同時也完成了對CPCI控制器的通信控制，實現與CPU板的CPCI總線高速數據交換。

圖4　WTB通信板原理圖

WTB初運行是列車級總線通信的核心內容。當列車網絡編組發生變化或總線延長、縮短時，總線主節點通過配置總線上的其他節點，形成新的網絡編組，這個重新編組過程稱為WTB初運行，也叫做TCN初運行。初運行主要完成節點檢測、節點命名、拓撲分發等功能；初運行結束后，編組內的所有節點將收到一個唯一的節點地址以及相對應的拓撲信息，整個編組處于一種常規運行的狀態，節點之間通過周期相和偶發相的數據幀傳遞信息，并時刻監測列車編組的變化情況，其流程如圖5所示。

圖5　標準初運行過程圖

WTB節點控制包括了WTB總線物理層和鏈路層的通信功能，即在通信板上電，且用戶進程尚未運行的情況下，可以自動初始化并運行初運行程序，完成在同一網絡下的與其他WTB節點的編組任務。在物理層，要實現介質附件單元(Medium Attachment Unit，MAU)的數據收發、節點狀態設定、通道轉換等功能；在鏈路層，實現WTB數據幀的編碼和解碼功能、冗余控制、報文定時、介質分配功能和初運行進程，以及向上層協議提供可用的鏈路層訪問接口。最終完成的UIC網關硬件實物如圖6所示，兩套熱備冗余單元集成在一個3U機箱內，同時符合IEC 61375-1標準和UIC 556標準，通過了TCN一致性測試。

圖6　UIC網關硬件實物圖

3　平臺組網試驗

3.1列車控制網絡試驗平臺

為了驗證所設計UIC網關硬件平臺的可用性，以某型動車組網段配置為原型，在試驗室環境下，搭建基于TCN網絡設備的半實物仿真平臺，如圖7所示，擁有符合TCN標準的兩級總線及符合UIC 556標準的UIC網關，其中GW1、GW2為自主研制的網關，GW3為Unicontrol公司的標準網關，列車總線采用WTB，通過UIC網關分別接入3個MVB子網，其中GW1下的MVB網絡包括一個車輛控制單元VCU，3個數字量采集模塊LCM，一個MVB仿真節點以及一個智能顯示單元IDU。

圖7　半實物仿真平臺

3.2MVB互聯試驗

以GW1下的MVB子網為例，首先將GW1配置為總線主，其次為各個設備配置相應的設備地址和端口地址，其中端口地址的高四位代表功能碼，如表1所示，基本周期設置為1 ms，周期相比例因子取65%，VCU的兩個源端口特征周期為1 ms；UIC、IDU和仿真節點的源端口特征周期為2 ms；剩余3個端口特征周期分別為4 ms、8 ms和8 ms，因此宏周期包括8個基本周期，即8 ms。周期輪詢設計如圖8所示。在組網試驗中通過示波器獲取的實測波形如圖9所示，上半部分是兩個基本周期的波形，下半部分是放大了其中一幀報文的波形，實測結果表明，自主設計的UIC網關不僅能參與MVB網絡通信，還能完成總線管理功能，符合設計要求。

表1　網絡設備地址和端口分配表

圖8　宏循環結構圖

圖9　周期輪詢實測結果

3.3WTB互聯試驗

WTB組網試驗不同于MVB之處，在于設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。仍然按照圖7的互聯測試拓撲進行試驗，包括3個測試網關節點，每個網關都連接了一臺用于配置和狀態監視的PC機，此時重點考察WTB的通信情況。

初始狀態各節點默認都為弱主，上電后3個節點都

會向外廣播檢測請求幀來搶奪總線主管理權，一旦搶主成功則該節點成為主節點，其他節點則成為從節點。假設GW1由弱主成為強主并繼續向總線發送檢測請求幀，GW2由弱主成為從節點發送檢測響應幀作為握手；握手成功后，GW1向GW2發送命名請求，GW2被命名后，返回命名響應幀。與此同時，GW2向GW2的另一方向發送檢測幀，檢測是否還存在其他WTB節點，當GW2檢測到GW3的檢測響應幀，則通過狀態響應幀報告GW3的存在；GW1則會給GW2發送中間設定請求將GW2設置為中間節點；然后GW1繼續給GW3命名，在多次狀態檢測請求和響應幀之后，確認遠端不存在其他的WTB節點，GW1開始分發總線拓撲。在總線拓撲分發完畢之后，編組也就完成了，總線進入常規運行模式。在GW1和GW2之間測得的WTB組網初運行實測波形如圖10所示，通信過程符合標準流程要求，自主研發的UIC網關不僅可以實現網關間的通信，還可以和標準UIC網關完成通信，實現編組任務，結果符合設計要求。

圖10　3節點初運行過程中的幀波形

4　結束語

采用模塊化的設計，完成了UIC網關硬件平臺的設計及底層驅動的開發，并在半實物仿真平臺下得到驗證；除此之外，網關還搭載了實時性和可靠性方面十分適合列車控制網絡的VxWorks操作系統，應用程序可方便地以地址映射的方式實現對硬件設備的靈活訪問，完成對CPCI接口、MVB接口以及WTB接口的配置和管理。通過VxWorks提供的標準C語言庫，可進一步完成UIC 556協議棧的研發。

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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