以太網技術在列車通信網絡中的應用探究

王中堯

[摘 要]目前，已有列車通信網絡無法滿足傳輸信息的需求，在這樣的情況下，將同時共存工業以太網和CAN總線的方案提出來具有非常重要的作用。基于此，本文對這種方案和列車通信網絡的組成進行了具體的研究與分析。

[關鍵詞]以太網技術；列車通信網絡；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

傳統的現場總線已經無法滿足當前列車傳輸信息的要求，所以逐漸將工業現場總線應用在列車系統中，部分國內列車將CAN和RS485等現場總線在已有列車通信網絡的基礎上引入，但是由于以太網具有特殊的通信機制和復雜的列車環境，導致其應用并不廣泛。另外，傳統工業現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據量、只支持單一的網絡拓撲，這會在很大程度上影響組網的靈活性，在數據交換中需要專門的網關設備等，這些問題都導致列車信息傳輸的需求無法得到滿足。所以具體研究以太網技術在列車通信網絡中的應用具有非常重要的現實意義。

1 共存工業以太網與CAN現場總線的方案

1.1 比較工業以太網總線和CAN總線

應用在不同的工業信息化網絡領域，是工業以太網和CAN總線最明顯的差別。目前，主要在最上層的企業信息管理網絡和中間過程的監控網絡中應用工業以太網，這些網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據吞吐量，所以這就需要很大的網絡寬帶，但是在實時性方面并沒有嚴格的要求，所以主要由工業以太網組成該部分。一般在底層現場設備層網絡應用CAN現場總線，其與工業以太網的要求正好相反，即嚴格要求通信具有實時性，但是并沒有嚴格的網絡傳輸的吞吐量要求，而且其具有較小的開發難度。信息是CAN總線協議的基礎，所以節點模塊容易被通信網絡增刪，不需要改動整個系統。多個節點可以同時收到一組報文信息，其是支持遠程工作的，節點可以向別的節點直接請求相應的數據，而且具有嚴重故障的節點可以從總線中自動退出，并不會影響總線上其他節點的正常工作。在實際的工藝控制現場中，一般控制信號只控制少量的信息，而通過對CAN現場總線系統進行合理應用，不但可以更好地實現實時傳輸的目標，而且具有很高的傳輸效率。

1.2 車輛總線網的組成部分

工業底層控制的通信網絡主要是CAN總線，其性質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，系統使用模擬量和數字量兩種方式監控這些設備的控制量。

1.3 列車總線網的組成部分

列車編掛的數量往往大于18輛，整個系統需要監控較多的對象，所以具有較大的網絡通信量。除此之外，由于會隨時調整列車的編組情況，所以要按照設定器中設定的車號和編組情況動態配置網絡監控系統，其主要目的是可以與不同列車的編組情況相適應，而以太網技術可以滿足這樣的要求。

2 列車通信網絡的組成要素

在列車通信網絡系統中，底層通信網絡的通行方式主要以CAN總線為主，其主要是對車廂內的電氣控制設備進行連接，上層網絡與遠程監控主機的連接是通過工業以太網實現的。CAN總線和工業以太網之間的協議轉換是通過CAN/以太網網關與CAN現場控制網絡和以太網監控網絡實現的，通過以太網向監控中心傳輸通信數據，使實時監控的目標得以實現。

2.1 設計系統硬件

CAN以太網網關是工業以太網和CAN現場總線網絡互聯的主要依據，主要由CAN數據收發系統和以太網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芯片和以太網控制芯片。兩個電路的核心都以DSP芯片為主，由轉換以太網和CAN總線通信協議的嵌入式系統共同組成。在整個系統中，CAN總線控制器和以太網控制芯片收發數據的工作、整個系統的正常運行、CAN總線和TCP/IP協議等工作都是由微控制器統一負責的。在該系統中，微控制器主要使用的是TI公司的DSP處理器TMS320F206，以太網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 設計系統軟件

2.2.1 CAN以太網網關模型

CAN以太網網關模型主要包括兩個通信協議和完全不同結構的網絡，主要工作是接收封裝的信息傳輸格式，在這樣的情況下，網絡需要在開放系統互聯OSI的幾個層次上運行。國際標準化組織為了實現開放體系系統互聯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是。應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈接層和物理層是OSI從上到下的層數情況，但是以太網和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，以太網的網絡模型中并沒有與此相對應的層次，而且其定義的數據鏈層也區別于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訪問控制，其中封裝和拆裝數據是邏輯鏈路控制的主要功能，對訪問的傳輸介質進行控制是介質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，其總線的數據鏈路層與以太網相同，但是CAN總線中對于應用層并沒有定義，對于應用層中的協議需要自己定義。從網關方面來說，其需要具備以下幾點功能：一是能夠讀取和發送以太網和CAN網上的數據，因此以太網和CAN網絡模型的網絡層次是必須具備的；二是其需要重新封裝以太網和CAN數據，因此網關的應用層需要對管理協議進行定義。

2.2.2 協議轉換過程

操作軟件的流程如下所示：當連接在CAN總線上的設備將數據發送到以太網以后，數據首先會被發送到網關，這是通過CAN接口電路實現的，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據，然后在TCP和IP層所需要的信息中添加相應的數據。經過封裝的數據被DSP處理器發送到以太網控制芯片RTL8019AS，由于RTL8019AS是實現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上，這個過程主要是通過物理接口實現的，這時通過網卡可以接收CAN總線設備傳遞過來的信息。反之，當監控中心將控制信息發送到總線上時，其會先向控制器RTL8019AS發送數據，TMS320F206接收數據以后，會及時提取實際要傳送的數據取，之后進行封裝，使其與CAN總線數據格式相符合，最后通過CAN總線向網絡中的現場設備發送相關的數據。在這個過程中，CAN以太網的網關協議可以通過開源實時嵌入式操作系統來完成，也可以通過可裁減的1wIP來實現，從而不僅可以為系統的高實效性提供保障，同時可以有效提升網關設計的靈活性。另外，通過對擴展幀報文符進行重新定義，可以使CAN應用層協議得以實現，同時將提出的轉換協議根據地址進行轉換，可以實現維護協議轉換和網絡連接的目標。

3 結 語

共存工業以太網與CAN現場總線的方案，不僅具有成本低和快捷的優點，同時也具有較高的可靠性，而且該方案能夠充分發揮工業以太網和CAN現場總線的優勢，可以更好地實現列車通信網絡連接的目標。在研究中發現，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據進行傳輸的需求，還具有非常方便的組網，同時也非常容易實現與地面以太網的連接，所以在實際工作中應該廣泛應用該方案。

主要參考文獻

[1]代嬌.基于工業以太網的地鐵列車通信網絡實時性及仿真研究[D].北京：北京交通大學，2016.

[2]余軍.基于以太網技術的列車網絡系統研究[J].數字技術與應用，2015（11）.

[3]王濤，王立德，周潔瓊，等.基于交換式以太網的列車通信網絡實時性研究[J].鐵道學報，2015（4）.

[4]周潔瓊，王立德，王濤，等.基于虛擬鏈路交換式以太網的列車通信網絡可靠性分析[J].鐵道學報，2014（2）.

[5]湯克.基于以太網的列車通信網絡仿真[D].成都：西南交通大學，2016.

[6]張建斌.基于工業以太網的列車通信網絡研究[D].北京：北京交通大學，2014.

[7]彭國平.嵌入式網關在列車通信網絡中的應用研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2015.

[8]田鵬.基于以太網和CAN總線控制的列車通信網絡研究[D].長沙：中南大學，2009.

[9]周潔瓊.基于交換式以太網的列車通信網絡實時通信技術研究[D].北京：北京交通大學，2014.

[10]苗劍，賀德強，丁超義.基于工業以太網的列車通信網絡及其仿真研究[J].計算機測量與控制，2010（10）.

[11]張玉琢，曹源，聞映紅.基于交換式以太網的列車通信網絡建模與性能分析[J].通信學報，2015（9）.

[12]邢震.基于交換式以太網列車通信網絡的研究[D].北京：北京交通大學，2013.

[13]臧悅.基于交換式以太網的列車通信網絡拓撲優化與初運行實現[D].北京：北京交通大學，2015.

[14]耿曉晗.基于實時以太網PowerLink的列車網絡的實現研究[D].北京：北京交通大學，2017.

[15]鄧文博.基于Zynq7010的列車以太網交換機硬件設計及實現[D].大連：大連理工大學，2016.