現代車輛以太網通信的軟硬件綜合仿真演示裝備

王志偉 劉晉 潘碩

摘 ?要 以太網是計算機網絡的核心內容，基于以太網的軌道車輛則是現代交通技術的重要應用。鑒于當前以太網仿真演示多采用單一電腦軟件或分散式硬件，效果難以貼近實際工程，提出一種聯合仿真演示系統裝備。該裝備基于工業板卡搭建硬件平臺，引入Multiprog、Python、MATLAB、PC軟件建立綜合仿真演示系統，具有更好的仿真演示功能和工程應用價值。

關鍵詞 以太網;軌道交通;綜合仿真裝備;Duagon;Python;Multiprog;MATLAB;Wireshark

中圖分類號：TP391.9 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）12-0028-04

Comprehensive Hardware and Software Simulation Equipment for Vehicle Ethernet Communication//WANG ZhiWei， LIU Jin， PAN Shuo， HU ZhengWei， CAO Yuan， LI Peng

Abstract Ethernet is the key equipment for modern computer inter-

nets. Ethernet-based rail vehicle is an important application of modern

transportation technology. Most Ethernet simulation systems use single PC software or distributed hardwares， whose simulation per-

formance can hardly meet real projects， so a comprehensive simula-tion and demonstration system is presented in this study. Industrial cards are adopted for hardware platform， while multiple softwares are included like Multiprog， Python， MATLAB， and PC softwares. The novel simulation system has superior merits for demonstration and engineering application.

Key words ethernet; rail transportation; comprehensive simulation equipment; Duagon; Python; Multiprog; MATLAB; Wireshark

1 引言

以太網是現代計算機網絡的核心技術。由于以太網技術理論抽象度高，演示難度較大，傳統的仿真和實驗方式已難以滿足現代通信的應用需求，因此，面向工程應用的軟硬件綜合仿真裝備十分必要[1-2]。

以太網技術應用廣泛，除了常見的局域網Internet技術，在工程尤其是軌道車輛中的應用愈發引起關注。然而，目前教學科研多采用PC軟件模擬以太網的原理和運行，優點是簡單易實現、成本低，但模擬效果過于簡化，而且純軟件模擬方式難以再現硬件的運行機理。為此，有機構采用實驗箱或分立元件集成方案來模擬，但該方式局限于硬件的組合模式，靈活性差，且分立元件的物理特性與實際工程差距甚大。綜上，亟待一種新的裝備模式來優化以太網的綜合實驗。

本文提出一種面向現代軌道交通的以太網軟硬件聯合仿真演示裝備。該裝備采用先進的瑞士Duagon板卡搭建硬件平臺，并引入Multiprog通信編程、Python數據處理、MATLAB科學計算、PC輔助監測，使該系統具有更強的綜合仿真演示功能。同時，由于Duagon板卡面向現代軌道交通應用背景研發，使得本裝備能夠面向實際工程應用，體現出較強的產學研價值潛力。

2 仿真演示裝備的總體架構

本文所設計的綜合仿真演示系統裝備如圖1所示，包括兩部分：以太網硬件平臺和多軟件模塊。

以太網硬件平臺 ?核心模塊采用先進的百兆以太網板卡Duagon i303，保證了工業級通用，且該板卡與大多數PLC的機理類同，為研究和實踐提供了便利。

軟件模塊1：基于PC機的平臺配置及監測 ?以太網硬件平臺的程序下載依托PC機進行配置。同時，數據包的通信過程依賴PC機預裝的軟件進行監測。該模塊在傳統通信系統中具有典型性。

軟件模塊2：基于Multiprog的以太網板卡編程 ?Mul-tiprog是面向Duagon板卡的專用編程軟件，采用功能圖編程，與大多PLC語言兼容。

軟件模塊3：基于Python的數據包處理 ?由于采用了百兆以太網板卡通信，因此短時間內的數據包量巨大?；赑ython軟件進行大數據預處理，可高效完成數據包格式解析。

軟件模塊4：基于MATLAB的通信性能計算 ?MATLAB是當代科學計算主流軟件，用于裝備數據包的后處理，尤其涉及通信性能如丟包率和延遲率的計算。

3 仿真演示裝備的硬件平臺

硬件平臺的核心是瑞士Duagon板卡i303[3]。該系列板卡由于高性能和強穩定性，占據了軌道交通大部分板卡市場份額。因此，基于本板卡的硬件平臺適用于實際工程，具有較強的潛在市場價值。硬件平臺包括兩部分。

1）穩壓供電模塊（圖2），為Duagon模塊提供穩定直流供應。注意到網絡通信性能對電壓的穩定性要求較高，而傳統的開關電源雖然成本低，但穩定性差，故此處采用連續可調穩壓電源。

2）Duagon以太網模塊（圖3），其組成模塊包括i012（電源板卡）、i101（CPU板卡）、i306（MVB通信板卡）、i303（以太網板卡）以及i202、i213、i211（模數端子）。其中i303（以太網板卡）是本裝備的核心模塊。

穩壓電源提供DC 90～110 V的裝備供電。采用兩臺同樣的Duagon模塊模擬以太網的兩個通信節點，CPU通過RJ45連接PC，完成程序配置、下載和監控，兩臺Duagon通過M12接口互聯通信，同時受PC端軟件監測。

上述硬件平臺建立，綜合利用了穩壓電源、PLC配置、以太網接口規范等計算機網絡核心技術。

4 仿真演示裝備的軟件模塊

如前所述，本文所提出的綜合仿真演示系統裝備由四部分軟件模塊組成。

軟件模塊1：基于PC機的平臺配置及監測 ?如圖4所示，由直流穩壓電源連接Duagon設備的i012模塊，提供100 V直流電;i101模塊連接第一臺PC機，通過PC機中安裝的Multiprog軟件編程、下載、啟動，完成一系列指令;i303模塊連接第二臺PC機，通過PC機中安裝的網絡調試助手解析或發送UDP數據包。

為實現監控，利用安裝在PC上的Wireshark軟件抓取UDP數據包的IP地址、端口號、目標IP、目標端口號等信息，如圖5所示。此外，通過常用的網絡調試助手軟件，可以進一步解析或發送UDP數據包，從而檢測數據的收發是否失真。至此，在PC機端可以實現數據包通信的配置和監測。

軟件模塊2：基于Multiprog的以太網板卡編程 ?Mul-

tiprog軟件是用于Duagon板卡平臺的專用軟件，其編程模式與傳統PLC的功能圖模式類似，因此可以在此基礎上進行編程研究探索。本文所用到的Multiprog軟件主要包括以太網配置、發送、接收三類模塊，如圖6所示。

利用Multiprog編程主要步驟如下：

1）調用功能塊i303_ETH_Configure配置i303模塊的IP地址、端口編號以及對應的子網掩碼、網關;

2）調用功能塊i303_ETH_Get_Config用來檢測程序是否成功配置i303模塊;

3）調用i303_UDP_Sender_Array配置目標IP地址、目標端口編號、發送數據類型等，調用i303_UDP_Receiver_

Array配置相應的IP地址、端口編號、接收數據類型;

4）測試接收數據功能，由PC發送數據到Duagon設備以太網i303模塊，或從i303模塊發送數據到PC。

此外，通過Wireshark和網絡調試助手軟件，監測數據發送接收情況，驗證以太網通信的連通性。

軟件模塊3：基于Python的數據包處理 ?Python是大數據分析常用的技術語言[4]。由于本平臺所采用的以太網為百兆帶寬，通信測試的數據包數量巨大，因此采用Python

輔助進行數據包分析。首先，將Wireshark軟件捕獲到的數據包導出為txt格式，如圖7所示?？梢?，數據包格式復雜，無法直觀得到關鍵信息。

為此，使用Python編寫代碼對捕獲到的數據包進行解析，即對捕獲到的數據包進行預處理，刪除與發送數據無關的內容，如mac地址、IP地址等，得到解析的十六進制數據如圖8所示?？梢?，經過Python處理，可以將難以挖掘規律的數據包提煉成僅含實質信息的數據包，從而為接下來的通信性能分析（如丟包、延遲）奠定基礎。這也充分展示了Python語言在處理大數據信息方面的優勢。

軟件模塊4：基于MATLAB的通信性能計算 ?MATLAB為數據的深度計算和分析提供了便利，是當前教學科研最常用的編程語言[5]。為了對搭建的以太網平臺進行性能分析，需要MATLAB編程處理，主要分兩步：一是將Python處理輸出的十六進制txt數據文件轉換為十進制xls文件;二是編寫MATLAB代碼計算丟包率，如圖9所示，通過分析數據包的序號，判斷是否連續。若連續，則說明數據包收發成功，即無丟包;若出現序號缺失，則說明部分數據包丟失。

實驗表明，電壓波動尤其欠電壓是影響數據丟包率的重要因素，這也對穩壓電源模塊提出更高要求。

5 結語

針對現有以太網實驗設備僅限于PC軟件或分立元件模擬，難以面向實際工程項目、拓展性差的缺點，本文介紹一種軟硬件綜合仿真演示裝備。該裝備的創新點包括：

1）采用先進的以太網板卡搭建平臺，直接對接工業級應用，具有項目驅動特性;

2）采用PC軟件輔助分析，綜合利用MATLAB、Python、

Wireshark等軟件進行多方位的分析;

3）平臺的軟硬件以現代軌道交通為背景，平臺的需求源于實踐又具有較強的產學研轉化潛力。

經過筆者團隊多組本科創新和研究生實驗證明，本平臺裝備雖然模塊眾多，但方案明確、流程清晰、易上手，且多種軟件融合使用，緊貼交通工程熱點，仿真演示效果良好，值得進一步探討和推廣。

參考文獻

[1]張宏升，鄒寧，王瀟.基于仿真技術的民辦院校計算機網絡課程教學模式創新研究[J].中國教育技術裝備，2016（21）：

8-9，12.

[2]趙秀麗.項目教學法在計算機網絡教學中的應用研究[J].中國教育技術裝備，2014（19）：66-67.

[3]杜根中國.Duagon產品技術手冊.[2019-01-15].https：//

www.duagon.com/cn/.

[4]嵩天，禮欣，黃天羽.Python語言程序設計基礎[M].高等教育出版社，2017.

[5]趙海濱，劉沖，陸志國.MATLAB/Simulink軟件在機器人實驗教學中的應用[J].中國教育技術裝備，2018（12）：1-4.