一種基于TRDP 協議列車以太網卡的研制*

孫振超，朱廣超,2,3，李申龍,2，閆迷軍，趙紅衛,2,3

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081；3 動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室，北京100081）

新時期軌道交通正在向高速化、舒適化和智能化方向發展，列車控制、監視、故障診斷及乘客娛樂等網絡信息數據量也不斷增大。傳統現場總線 如TCN［1］、ARCNET、LonWorks 和CAN 等 網 絡因帶寬受限，難以滿足未來列車大容量數據通信的需求。與此同時，在IEC 61375-3-4-2014 中規定了列車通信網絡（Train Communication Network TCN）中以太網通訊網絡（Ethernet Consist Network ECN）的標準［2-3］。基于以太網的車輛網絡控制系統相比于傳統現場總線其傳輸速率大大提高，能夠很好的應對未來多樣化和高帶寬的傳輸需求，而且網絡拓撲靈活，系統的可擴展性好。

近年來，國內外對列車以太網的研究逐漸成為熱點［4］，2008 年加拿大龐巴迪公司首次在德國和荷蘭的區域性列車上配備了車載以太網系統。德國西門子于2017 年在ICE 4 高鐵列車配備了基于PROFINET 實時工業以太網的Sibas PN 控制系統。美國西蒙公司開發了基于Ethernet IP 的列車實時以太網控制系統。在日本，日立、三菱等公司采用的是基于以太網改進的ARCNET 總線列車網絡。杜根、阿密特等公司也相繼推出TRDP（Train Real-time Data Protocol）以太網卡產品。

文中重點介紹基于Xilinx SOC 芯片ZYNQ 7000 硬件平臺開發的列車TRDP 協議實時以太網卡的自主化研制，重點包括系統的硬件設計、軟件設計。結合以太網卡的功能需求進行了功能測試和驗證。該網卡通過以太網一致性測試，具有良好的實時性，支持多COMID 收發，滿足以太網控車的需求。

1 TRDP 以太網卡的功能需求

列車實時數據協議TRDP 是由IEC 61375-2-3標準定義，位于TCP/UDP 傳輸層之上。列車實時數據協議TRDP 規定了TCN 過程數據和消息數據在列車通信網絡中的通信流程。以標準以太網協議棧為基礎，列車實時數據協議在傳輸層與應用層之間增加了TRDP 層，TRDP 協議層規定了報文的數據發送序列（SequenceCounter）、消息類型標識（MsyType）、用戶數據標識（COMID）、數據長度、首部校驗等重要協議層信息，如圖1 所示。使其能夠為列車網絡中任意2 個設備之間的過程數據和消息數據通信提供有安全保障的端到端數據傳輸。

圖1 TRDP 以太網協議棧

TRDP 網卡是列車以太網控車的關鍵設備，通過該網卡可以將終端設備連接到整車的以太網網絡中，實現控制信息和狀態信息的交互，TRDP 網卡主要有如下幾項功能特點：

（1）TRDP 網卡保證列車以太網數據的通信，具有實時性和可靠性。

（2）支持雙網口獨立收發，以滿足列車控制的冗余功能，完成過程數據、維護數據以及消息數據等多種信息交互。

由于研制的TRDP 以太網卡是作為列車關鍵設備（中央控制單元、制動控制單元、牽引控制單元等）的以太網通信接口網卡，既要滿足大容量、高帶寬的特性還要滿足不同實時性要求的數據傳輸。因此在設計網卡時的平臺選型上既要滿足當前任務，還要兼顧未來功能、服務的升級。另外，考慮到中央控制單元等上層設備的CPU 板卡要運行自身的多種邏輯軟件，任務繁重，因此要求作為下層通信板卡的TRDP 以太網卡在功能設計上要盡量少占用上層CPU 板卡的資源，最大程度地減少上層CPU 的負擔。

2 TRDP 網卡的硬件設計

根據上一節以太網卡功能需求分析，在硬件設計中采用Xillinx 公司的ZYNQ 系列可擴展處理平臺。該芯片將高性能ARM Cortex-A9 系列處理器和高性能FPGA 在單芯片內緊密結合，內部ARM 處理器和FPGA 之間采用AXI 標準總線互聯，充分發揮ARM 處理器和FPGA 的性能優勢。此外該芯片集成度高，將FPGA 和ARM 芯片集成在同一塊芯片中，節省硬件布線面積，省掉ARM和FPGA 中間通信總線的能量消耗。

文中開發的TRDP 以太網卡采以ZYNQ7020芯片為基礎，設計硬件架構如圖2 所示。

圖2 基于ZYNQ7020 的TRDP 以太網硬件板卡架構

核心的ZYNQ7000 系列的芯片型號為XC7Z020-2CLG484，芯片可分成處理器系統部分Processor System（PS）和可編程邏輯部分Programmable Logic（PL）。PS 部 分 基 于ARM 雙 核CortexA-9 的 應 用處理器，ARM-v7 架構高達1 GHz，滿足網卡高速收發的應用程序的運行需要。外圍設計包括4 GB的EMMC 存儲芯片用于掛載驅動和應用程序；1 GB 的DDR3 緩存用于存儲收發數據；32 MB 的QSPI flash 燒錄網卡的啟動程序和硬件邏輯，另外還外留UART 接口用于板卡的監控與調試。設計了RTC 模塊，完成掉電時間保持功能。PL 端引出2 個以太網網口（網口1 和網口2），用于列車實時以太網信息收發通道；PS 端引出以太網網口3，用作于板卡的調試、配置以及板卡運行監控。

TRDP 以太網的FPGA 邏輯基于Xilinx 公司的Vivado 工 具 進 行 開 發，在ZYNQ 的PL 中 基 于IP 核結構搭建2 個獨立的以太網數據包收發通路，細節框圖如圖3 所示。

圖3 TRDP 以太網卡FPGA 邏輯框圖

設計中，主要IP 核包括：以太網MAC 控制器、DMA 控制器、中斷連接器、ISA 總線交互模塊等。在各模塊之間通過AXI 總線連接器進行數據交互。PL 端中各模塊控制接口通過AXI_lite 總線與PS 端的GP 接口連接，對各模塊的寄存器進行讀寫，完成模塊的配置、控制與檢測等功能。

DMA 控制器啟動S/G 傳輸模式，通過獨立的AXI S/G 通道從DDR 中獲取描述符信息，協調以太網和DDR 間的數據傳輸。在設計中，描述符和數據都是通過AXI_stream 型總線與HP 接口交互，數據方向分為存儲區到以太網數據流MM2S（Memory Mapped to Stream）和以太網數據流到存儲 區S2MM（Stream to Memory Mapped）。 利 用AXI_Stream 總線完成DDR 和DMA 之間網卡交互數據的搬運，可以保證網卡信息高速率傳輸。

以太網MAC 控制模塊（Ethernet MAC Ctrl）主要完成以太網鏈路層報文封裝與解包、數據幀的校驗以及通過MII 總線對PHY 芯片進行配置和控制等功能。

ISA 總線交互模塊中例化RAM 和寄存器實現上層CPU 與網卡ZYNQ 的ARM 之間的網絡信息交互。此外，可以根據上層應用CPU 不同的接口需求，充分利用ZYNQ 芯片的高擴展性擴展實現SPI、LVDS、CAN 等串行總線接口，方便實現與上層CPU 之間的信息交互。

3 TRDP 以太網卡的軟件設計

TRDP 以太網卡的軟件設計分為2 部分：一是運行在上層CPU 上的驅動軟件；二是運行在板卡ZYNQ PS 端ARM 上的嵌入式軟件。2 部分軟件相互配合，實現TRDP 以太網卡的各項通信功能，軟件結構如圖4 所示。運行在上層CPU 上的軟件通過板卡背板ISA 總線的硬件接口和板卡ARM 軟件提供的軟件接口，完成板卡的啟動、初始化配置、COMID 端口訂閱和發布，以及過程數據的發送和接收等功能。整個TRDP 以太網卡的軟件架構基于QNX 實時操作系統，底層通過QNX BSP 驅動完成對板卡硬件的控制，包括以太網物理接口、背板接口、串口以及狀態指示燈。通過實時以太網底層接口程序驅動DMA 和以太網MAC 控制器完成報文數據搬運。

圖4 TRDP 以太網卡的軟件結構圖

板卡上電后，加載QNX 系統啟動板卡應用程序，完成網卡的初始化配置，開啟網口收發線程和背板交互線程，等待上層CPU 的命令。上層CPU的命令接口函數見表1。

表1 TRDP 以太網卡應用程序主要接口函數

在發送數據時，上層CPU 通過接口程序下達發送數據命令，利用背板總線將數據寫入板卡緩存，同時該數據包的相關發送周期、COMID、超時時間等相關信息一同傳達給板卡，板卡上的過程數據應用接口通過TCNopen 維護程序將數據添加TRDP 協議，按照發送周期將數據包傳遞給QNX操作系統自帶的UDP 發送程序，通過socket 函數將數據包傳遞給MAC 層發送模塊進行實時發送。

同樣，當有以太網幀到達時，網卡對數據包包頭進行識別，如果該數據包不符合接收條件，則被丟棄；如果該數據包符合接收條件，程序對數據包進行解包，將應用數據填入板卡的緩存區，等待上層CPU 通過背板總線周期性提取。

雙網口雙通道的設計可以滿足以太網控車系統中的冗余功能，2 個通道可以發送不同VLAN 的數據，彼此互不影響，上層通過邏輯來取信其中一路數據，待取信路出現異常時，切換取信另一路。此外，除了PL 端搭建的用于傳輸實時數據的2 個以太網口外，在PS 端還引出1 個網口3，通過QNX操作系統內部命令的設置，可以將網口3 的數據以橋接的方式轉接到PL 端的網口。在實車應用中，將PS 端的網口3 連接到網卡所在的整機設備的維護接口，維護口的數據就可以共享控制網絡的線路通道。該功能可以實現列車網絡中的控制網和維護網的融合，雙網合一。

4 TRDP 以太網卡的測試與驗證

研制的TRDP 以太網卡采用了標準的3U 板卡結構，可以方便地集成在中央控制單元等網絡設備的機箱中，自主研制的TRDP 以太網卡實物如圖5 所示。

圖5 3U 標準的TRDP 以太網卡實物圖

4.1 一致性測試

列車以太網和傳統以太網除通信協議的差異外，主要區別在于需要考慮列車上更為復雜的電磁環境，以太網信號傳輸將受到更多的干擾。接入列車以太網的終端設備，必須通過其在復雜的電磁環境中保障數據傳輸質量的以太網傳輸標準的符合性驗證［5］，需要對TRDP 以太網卡的物理層信號進行測試。

為了驗證研制板卡的以太網一致性功能，按照測試要求，在實驗室的以太網一致性測試平臺上對研制的TRDP 以太網卡物理層信號及鏈路層通信進行一致性測試。測試項點及結果見表2，眼圖的測試結果如圖6、圖7 所示，阻抗回輸損耗的測試結果如圖8、圖9 所示。通過測試結果表明研制的TRDP 以太網卡符合以太網一致性測試標準。

圖6 眼圖測試結果（正面）

圖7 眼圖測試結果（反面）

圖8 阻抗回輸損耗測試結果（發送）

圖9 阻抗回輸損耗測試結果（接收）

表2 TRDP 以太網卡一致性測試結果

4.2 功能測試

列車實時以太網卡發送數據和接收數據的實時性是最重要的特性之一。目前列車的實際應用中，用到的最小發送周期為30 ms。為了驗證TRDP 以太網卡的實時性功能，將研制的TRDP 插入中央控制單元主機中，中央控制單元模擬列車應用，通過上層驅動程序控制TRDP 以太網卡收發數據，利用電腦開啟wireshark 工具連接以太網網口進行抓包監視。

在測試中，TRDP 網卡可以成功連續發送30個不同COMID 的數據包，研制的TRDP 以太網卡滿足多COMID 收發功能。其中挑選發送周期為30 ms、COMID 為21304 的數據包進行單獨觀測，其抖動測試結果如圖10 所示。結果顯示周期為30 ms 的數據包的抖動在±1.2 ms 以內，滿足IEC 61375-3-4 標準中周期為30 ms 的報文抖動在±10 ms 以內的要求。

圖10 TRDP 以太網數據包發送抖動測試結果

上述結果驗證了所研制板卡滿足當前的應用需求，為了進一步測試板卡的性能，進行更高指標的測試。經測試TRDP 可以同時完成200 個COMID 的收發；縮小發送周期至10 ms，結果網卡發送數據包的抖動在±1.5 ms 以內。該結果顯示，研制的基于ZYNQ 平臺的TRDP 以太網卡具有良好的實時性，滿足大容量多通道數據的收發。

研制的TRDP 網卡進行了一系列的功能測試，并通過了高低溫、振動、電磁兼容等相關的型式試驗，速度250 km/h 復興號動車組裝車考核表明，TRDP 以太網卡設計方案可行，完全達到預期設計要求。

5 結束語

TRDP 以太網卡是列車以太網控車網絡中關鍵設備，文中介紹了基于Xilinx 公司ZYNQ 平臺研制的TRDP 以太網卡的硬件設計和軟件設計。該網卡通過了以太網一致性測試和實時性功能驗證，并在速度250 km/h 復興號動車組上實現了裝車應用。研制TRDP 以太網卡對于我國實現新型以太網控車技術具有重要意義。