一种铁路实时以太网TRDP网关的制作方法

本发明涉及车辆和铁路列车技术领域，尤其涉及一种铁路实时以太网TRDP网关。

背景技术：

过去的铁路用的网络技术最快仅为数Mbit/秒，随着监控并记录车辆和装备的情况、配备客户使用的无线LAN等通信功能、车内监控摄像头像素的增加、车内显示器的大型化和高画质化等功能的不断强化，数据传输速度已经无法满足了，于是，作为能够实现10Mbit/秒以上的数据传输技术，以太网成为了众望所归。而目前实时以太网的列车车辆总线国际标准为IEC61375-2-3，新标准会逐步应用到中国轨道交通领域。

随着铁路行业的发展，实时的以太网会得到广泛的应用，但由于铁路通讯网络的专用性和强针对性(主要应用于铁路和部分电力系统等一些特殊领域)，用于实现TRDP(Train Real-time Data Protocol，简称TRDP)协议转换成其他数据形式，如TRDP转换成UART等数据形式的实时以太网关还是一片空白。现有的数据转换形式主要是依赖以太网软核协议栈，协议栈是指网络中各层协议的总和，其形象反映了一个网络中文件的传输过程：由上层协议到底层协议，再由底层协议到上层协议。目前使用最广泛的是英特网协议栈，由上到下的协议分别是：1、应用层(HTTP，FTP，TFTP，TELNET，DNS，EMAIL等)；2、运输层(TCP，UDP)；3、网络层(IP)；4、链路层(WI-FI，以太网，令牌环等)；5、物理层(MAC)。

而现有的铁路以太网主要是通过MCU实现的，需要外设物理层以太网控制芯片，芯片内部还需要撰写TCP/IP协议栈的上层协议命令，属于软件协议栈。如果现有的系统是使用低端单片机，那么整个系统结构，包括主单片机都需要更换，才能实现以太网功能。另外，由于MCU不仅要实现以太网功能，还需要对车辆的其他功能进行控制，以太网的数据转换占用了MCU大量资源，导致内存成本增加，而且软件协议栈的实时性较差，无法满足铁路以太网对实时性的要求。

技术实现要素：

本发明实施例提出一种铁路实时以太网TRDP网关，通过硬件化TCP/IP协议栈芯片独立于MCU运作，优化了MCU的网络结构，满足铁路以太网对实时性的要求。

本发明实施例提供一种铁路实时以太网TRDP网关，包括：UART接口、主控制模块、以太网硬核协议栈模块和以太网总线接口；

其中，所述主控制模块分别与所述以太网硬核协议栈模块、UART接口连接；

所述以太网硬核协议栈模块与所述以太网总线接口连接；

所述以太网硬核协议栈模块用于根据TCP/IP协议，实现车载设备和列车通信网的数据传输。

进一步的，所述以太网硬核协议栈模块用于根据TCP/IP协议，实现车载设备和列车通信网的数据传输，具体为：

所述以太网硬核协议栈模块根据所述TCP/IP协议，将所述主控制模块发送过来的通信信号转换成IP数字信号，再通过所述以太网总线接口发送给所述列车通信网；其中，所述通信信号由所述车载设备发送，并由所述UART接口接收；

以及，所述以太网硬核协议栈模块根据所述TCP/IP协议，将所述以太网总线接口接收的IP数字信号转换成并行数据信号，再依次通过所述主控制模块、UART接口发送给所述车载设备。

进一步的，所述以太网硬核协议栈模块是型号为W5300的芯片。

进一步的，所述主控制模块包括LPC177x微处理器和硬件看门狗CAT706。

进一步的，所述主控制模块与所述以太网硬核协议栈模块连接，具体为：

所述型号为W5300的芯片的数据线和地址线分别与所述LPC177x微处理器连接。

进一步的，所述的铁路实时以太网TRDP网关还包括：网络隔离变压器；

所述网络隔离变压器连接在所述以太网硬核协议栈模块和以太网总线接口之间。

进一步的，所述网络隔离变压器由型号为MS10232NL的芯片组成。

进一步的，所述主控制模块用于系统初始化、TRDP以太网和UART数据交换，具体步骤为：

接收UART网络的TRDP配置参数信息；参数信息包括默认TCMS主机IP、DNS主机IP、本模块IP与端口；

检测TRDP总线的TTDB列车网络拓扑包，配置静态和动态列车网络拓扑参数；

发送DNS请求包，获得实际编组下的TCMS的IP地址；

根据所述静态和动态列车网络拓扑参数和所述实际编组下的TCMS的IP地址，实现接收TCMS组播信息和发送给TCMS单播通信的数据交换。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例提供的一种铁路实时以太网TRDP网关，包括UART接口、主控制模块、以太网硬核协议栈模块和以太网总线接口。其中，主控制模块分别与以太网硬核协议栈模块、UART接口连接；以太网硬核协议栈模块与以太网总线接口连接；以太网硬核协议栈模块用于根据TCP/IP协议，实现车载设备和列车通信网的数据传输。相比于现有技术依赖于MCU实现的软件协议栈，本发明的以太网硬核协议模块能够独立于MCU运作，信息的进栈/出栈，封包/解包等网络数据处理全部在全硬核协议栈中进行，卸载了MCU对于以太网庞大数据处理的负载，不占用MCU资源，保证了MCU高速稳定的通信速率。

另外，硬核协议栈模块优化了MCU的网络功能，使得低端单片机结构的系统无需更换单片机和增加软件开发成本，缩短了产品开发时间，便于产品更新。

附图说明

图1是本发明提供的铁路实时以太网TRDP网关的一种实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的主控制模块的一种实施例的电路结构图；

图3是本发明提供的以太网硬核栈协议模块的一种实施例的电路示意图；

图4是本发明提供的铁路实时以太网TRDP网关的另一种实施例的结构示意图；

图5是本发明提供的网络隔离变压器器的一种实施例的电路结构示意图；

图6是本发明提供的以太网接口的一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明提供的铁路实时以太网TRDP网关的一种实施例的结构示意图。如图1所示，该以太网TRDP网关包括：UART接口101、主控制模块102、以太网硬核协议栈模块103和以太网总线接口104。

其中，主控制模块102分别与以太网硬核协议栈模块103、UART接口101连接。太网硬核协议栈模块103与以太网总线接口104连接。以太网硬核协议栈模块103用于根据TCP/IP协议，实现车载设备和列车通信网的数据传输。

在本实施例中，UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，简称UART)，用于异步通信，本发明的UART接口101与外部车载设备连接，用于接收和发送并行数据信号。

在本实施例中，主控制模块102包括LPC177x微处理器和硬件看门狗CAT706。LPC177x微处理器是恩智浦推出集成LCD图像控制器，高达512KB的片上闪存程序存储器，具有系统编程(ISP)和在应用中编程(IAP)功能，96KB的片上SRAM，4KB的片上EEPROM。主控制模块1包括LPC177x微处理器、时钟电路、复位电路、滤波电路、JTAG下载电路和CPU电源管理芯片。为了更好的说明本发明，参见图2，图2是本发明提供的主控制模块的一种实施例的电路结构图。图2中的LPC177x微处理器为LPC1778，其各引脚设置如图2所示，在此不再赘述。

在本实施例中，以太网硬核协议栈模块103用于根据TCP/IP协议，实现车载设备和列车通信网的数据传输，具体为：以太网硬核协议栈模块103根据TCP/IP协议，将主控制模块102发送过来的通信信号转换成IP数字信号，再通过以太网总线接口104发送给列车通信网；其中，通信信号由车载设备发送，并由UART接口101接收；以及，以太网硬核协议栈模块103根据TCP/IP协议，将以太网总线接口104接收的IP数字信号转换成并行数据信号，再依次通过主控制模块102、UART接口101发送给车载设备。

在本实施例中，以太网硬核协议栈模块103是型号为W5300的芯片，负责对以太网各种信息按TCN标准进行编解码，并将相关信息转换成并行数据，并和主控制器模块102通讯。参见图3，图3是本发明提供的以太网硬核栈协议模块的一种实施例的电路示意图。

W5300是一款0.18μm CMOS工艺的单芯片器件，内部集成10/100M以太网控制器，MAC和TCP/IP协议栈。W5300特别适用于IPTV，IP机顶盒和数字电视等大流量多媒体数据的传输。通过一个集成有TCP/IP协议和10/100M的以太网MAC和PHY的单芯片可以非常简单和快捷地实现Internet连接。W5300的通信数据存储器扩展到128K字节，与MCU的接口支持16位数据总线。可以使用8个独立的端口进行高速数据通信。每一个端口的通信数据存储器可以分配0-64K字节。可以根据不同的应用更灵活地分配存储空间，还可以通过集中高性能的配置而使系统具有更高的性能。

W5300的性能具体如下：支持固件TCP/IP协议：TCP，UDP，ICMP，IPv4，ARP，IGMP，PPPoE，Ethernet；支持8个独立端口同时工作；高速网络数据传输，速率可达到50Mbps；支持混合网络TCP/IP协议栈(软件/硬件TCP/IP协议栈)；支持ADSL连接(支持带PAP/CHAP认证模式的PPPoE协议)；内部128K字节存储器用于数据通信(内部TX/RX存储器)；根据端口通信数据吞吐量动态调整内部TX/RX存储器的分配；支持存储器到存储器的DMA功能(只有16位数据总线宽度才支持，从模式)；内嵌10BaseT/100BaseTX的以太网物理层；

支持自动握手功能(全双工，半双工)；支持自动MDI/MDIX(信号线极性交叉)；支持LED网络指示(TX，RX，全双工/半双工，IP地址冲突，网络连接和网络速度)；支持第三方物理(PHY)接口；支持8/16位数据总线；支持2种主机接口模式(直接访问模式和间接访问模式)；外部25MHz工作频率(给内部锁相环逻辑电路，周期40ns)；内部锁相环时钟输出150MHz(锁相环时钟，周期大约为6.67ns)；网络工作频率：25MHz(100BaseTX)或2.5MHz(10BaseT)；3.3V工作电压，I/O口可承受5V电压；内部带1.8V电压调整器；0.18um的CMOS工艺；LQFP-100，14x14mm无铅封装。

在本实施例中，W5300是通过寄存器的设置实现实时以太网的连接，W5300根据协议类型(TCP、UDP、IPRAW和MACRAW)实现网络通信，步骤如下：初始化、侦听、建立连接。

W5300的初始化分三个步骤：主机接口设置，网络信息设置和内部TX/RX存储器的分配。

第1步：设置主机接口

1.设置数据总线宽度，主机接口模式和时序(参考MR寄存器)

2.设置主机中断(参考IMR)

第2步：设置网络信息

1.设置数据通信的基本网络信息(参考：SHAR、GAS、SBUR和SIPR)

2.设置重复发送的时间间隔和重复发送的次数，用于数据包发送失败时的重复发送(参考RTR和RCR)

本机硬件地址通过SHAR设置，这是一个以太网设备的唯一的硬件地址(以太网的MAC地址)，应用于以太网的MAC层；由IEEE分配和管理MAC地址。生产厂商需要从IEEE申请网络设备的MAC地址。

第3步：分配SOCKETn的内部TX/RX存储器空间

1.定义内部TX/RX存储器大小(参考MYTPER)

2.定义SOCKETn的TX/RX存储器大小(参考TMR和RMSR)

W5300内部包含16个8K字节的存储单元。这些存储单元依次映射在128K字节的存储器空间。128K存储器分为发送存储器(TX)和接收存储器(RX)。内部TX和RX存储器以8K字节为单元分布在128K字节空间。内部TX/RX存储器可以在0～64K字节空间以1K字节为单元从新分配给每个SOCKET。

当第3步初始化设置完成后，就可以使用W5300通过以太网传输数据了。这时，W5300可以响应Ping请求(自动Ping响应)。

数据通信编辑完成初始化设置以后，W5300可以以TCP、UDP、IPRAW或MACRAW的方式打开SOCKET发送或接收数据。W5300支持8个SOCKET同时且独立地工作。本实施例以TCP协议为例，进行简单说明，TCP是一种连接通信的协议。在TCP模式时，首先要根据IP地址和端口号与对端建立SOCKET连接，通过连接的SOCKET发送和接收数据。

建立SOCKET的连接有“TCP服务器”和“TCP客户端”之分。区分它们的方法是谁首先发送连接请求(SYS数据包)。“TCP服务器”等待对端的连接请求，当收到连接请求时建立SOCKET连接(被动打开)。“TCP客户端”主动发出连接请求，与对端建立连接(主动打开)。

SOCKET初始化

为了实现TCP通信，需要对SOCKET进行初始化设置并打开SOCKET。为了打开SOCKET，选择其中的一个SOCKET(被选择的SOCKET称之为SOCKETn)，通过Sn_MR(P3:P0)和Sn_PORTR分别设置通信协议和本机端口号(在TCP服务器模式，称之为侦听端口号)，然后执行OPEN命令。执行完OPEN命令后，如果Sn_SSR改变为SOCK_INIT，则SOCKET的初始化设置完成。在TCP服务器和TCP客户端模式，SOCKET初始化的过程都是相同的。下面的方法是将SOCKET初始化为TCP模式。

{

START:

Sn_MR＝0x0001；/*sets TCP mode*/

Sn_PORTR＝source_port；/*sets source port number*/

Sn_CR＝OPEN；/*sets OPEN command*/

/*wait until Sn_SSR is changed to SOCK_INIT*/

if(Sn_SSR！＝SOCK_INIT)Sn_CR＝CLOSE；goto START；

}

如果接收到对端的数据字节数为偶数，Sn_MR(ALIGN)置‘1’。当Sn_MR(ALIGN)＝1时，W5300不需要增加TCP模式的PACKET-INFO，而只将数据保存在SOCKETn的内部RX存储器。这样将减少主机对SOCKET_INFO的额外处理，提高系统性能。(在前面的代码中，Sn_MR＝0x0101可能会被Sn_MR＝0x0001取代)

侦听

运行LISTEN命令将W5300设置为TCP服务器模式

{

/*listen SOCKET*/

Sn_CR＝LISTEN；

/*wait until Sn_SSR is changed to SOCK_LISTEN*/

If(Sn_SSR！＝SOCK_LISTEN)Sn_CR＝CLOSE；goto START；

}

建立连接

当Sn_SSR改变为SOCK_LISTEN状态时，如果收到SYN数据包，那么Sn_SSR将改变为SOCK_SYNRECV。发送了SYN/ACK数据包后，SOCKETn就建立了连接。SOCKETn建立连接以后就可以进行数据通信。有两种方法可以检验是否建立SOCKETn的连接。

第1种方法

{

if(Sn_IR(CON)＝＝‘1’)Sn_IR(CON)＝‘1’；goto ESTABLISHED stage；

/*In this case,if the interrupt of SOCKETn is activated,interrupt occurs.Refer to IR,IMR

Sn_IMR and Sn_IR.*/

}

第二种方法

{

if(Sn_SSR＝＝SOCK_ESTABLISHED)goto ESTABLISHED stage；

}

在本实施例中，在建立连接后，在遇到以下情况时，可根据实际情况进行处理，如：接收数据处理、发送数据/发送处理、接收到FIN、断开连接/断开连接处理、关闭端口和超时等，在此不再赘述。

如图3所示，型号为W5300的芯片的数据线和地址线分别与LPC177x微处理器连接。W5300的48、49、50、51、52、53、54、55、56、57十个管脚与图2中LPC177x微处理器的91、88、84、78、74、72、68、58、55、52十个管脚分别连接，用作以太网硬核协议栈模块103的主芯片W5300与主控制模块102的主芯片LPC1778之间的地址总线；W5300的45、44、43、42、41、40、39、38八个管脚与图2中LPC177x微处理器的19、16、12、9、2、144、140、137八个脚分别连接，用作以太网硬核协议栈模块103的主芯片W5300与主控制模块102的主芯片LPC1778之间的数据总线。

作为本实施例的一种举例，参见图4，图4是本发明提供的铁路实时以太网TRDP网关的另一种实施例的结构示意图。图4与图1的区别在于，该网关还包括网络隔离变压器401。网络隔离变压器401连接在以太网硬核协议栈模块103和以太网总线接口104之间。

参见图5，图5是本发明提供的网络隔离变压器器的一种实施例的电路结构示意图。如图所示的网络隔离变压器401由型号为MS10232NL的芯片组成，对以太网总线通信有信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离等作用；可以增强信号，使其传输距离更远；使芯片端与外部隔离，抗干扰能力大大增强，而且对芯片增加了很大的保护作用(如雷击)；当接到不同电平(如有的PHY芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V)的网口时，不会对彼此设备造成影响。

参见图6，图6是本发明提供的以太网接口的一种实施例的结构示意图。如图6所示，该结构示意图定义了以太网接口104的各个引脚。

在本实施例中，主控制模块102用于系统初始化、TRDP以太网和UART数据交换，具体步骤为：

A、接收UART网络的TRDP配置参数信息；参数信息包括默认TCMS主机IP、DNS主机IP、本模块IP与端口；

B、检测TRDP总线的TTDB列车网络拓扑包，配置静态和动态列车网络拓扑参数；

C、发送DNS请求包，获得实际编组下的TCMS的IP地址；

D、根据所述静态和动态列车网络拓扑参数和所述实际编组下的TCMS的IP地址，实现接收TCMS组播信息和发送给TCMS单播通信的数据交换。

由上可见，本发明实施例提供的一种铁路实时以太网TRDP网关，包括UART接口101、主控制模块102、以太网硬核协议栈模块103和以太网总线接口104。其中，主控制模块102分别与以太网硬核协议栈模块103、UART接口101连接；以太网硬核协议栈模块103与以太网总线接口104连接；以太网硬核协议栈模块103用于根据TCP/IP协议，实现车载设备和列车通信网的数据传输。相比于现有技术依赖于MCU实现的软件协议栈，本发明的以太网硬核协议模块能够独立于MCU运作，信息的进栈/出栈，封包/解包等网络数据处理全部在全硬核协议栈中进行，卸载了MCU对于以太网庞大数据处理的负载，不占用MCU资源，即使8位低端单片机也能达到数Mbps的数据吞吐率，保证了MCU高速稳定的通信速率。

另外，硬核协议栈模块优化了MCU的网络功能，使得低端单片机结构的系统无需更换单片机和增加软件开发成本，缩短了产品开发时间，便于产品更新。

进一步的，本发明的TRDP网关支持PD模式、DNS、TTDB，本发明使用硬核TRDP协议栈替代传统的软件协议栈，可以保证us级别的组播广播接收，便于和主控TCMS连接通讯，对比使用linux和Windows操作系统的软件协议栈的以太网通讯，本发明实施案例的实时性提高了10倍以上。采用本发明实施例能实现铁路实时TRDP以太网，解决目前铁路实时以太网网关的空白问题。

进一步的，本发明采用以太网硬核协议模块的硬件协议栈，能避免软核协议栈所面临的病毒入侵、网络瘫痪等隐患，网络攻击不会对MCU中的主程序产生影响，增加了MCU工作的安全性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。