专利名称：一种基于arm7的wtb-usb网关及其工作方法
技术领域：
本发明涉及铁路列车、地铁列车和城市轨道交通车辆的计算机通讯网络控制系统 的数据转换设备，特别是一种基于ARM7的WTB-USB网关及其工作方法。
背景技术：
随着铁路跨越式发展的需要，CRH5、CRH2、HXD1等动车组列车在国内主干线路上广 泛地应用，国外先进的TCN网络控制技术已引入国内。同时我国的电力机车车辆也开始陆 续采用TCN技术，即通过TCN网络解决现场所有信号的采集与控制等问题。IEC61375-1《列车通信网络》，简称TCN标准，是一项国际标准，也是我国铁路行业 标准TB/T3035-2002。TCN标准定义了多功能车辆总线MVB和绞线式列车总线WTB两种形 式，是为铁路行业这一特殊应用领域设计的现场总线标准，它制定了一个开放的通信系统， 从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂、不同厂商的设备能够互联。USB总线是工业现场普遍应用的现场总线之一，USB2. 0标准是它的国际标准。USB 总线标准遵循IS0/0SI模型，采用了其中的物理层、数据链路层、传输层、会话层、表示层和 应用层。USB总线是一种有效支持分布式控制和实时控制系统的串行通信网络，具有突出的 可靠性、实时性和灵活性。由于国内第三方USB接口设备的服务要求，需要通过USB接口，将列车运行数据传 送到列车网络控制系统中，方便于列车行车安全及维护。于是WTB-USB网关便成为TCN网 络控制系统必需的关键设备，使得USB总线与WTB网络达到无缝地结合。但目前国内还没 有应用于机车车辆行业的具有自主知识产权的WTB-USB网关，而现有的基于WTB总线的网 关又不能直接使用。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种基于ARM7的WTB-USB 网关及其工作方法，主要应用于铁路列车、地铁列车和城市轨道交通行业的WTB网络控制 系统中，连接USB总线接口的网络设备，使之既具有WTB过程数据功能、消息数据功能和总 线管理功能，也具有USB链路层管理功能和应用层功能。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下一种基于ARM7的WTB-USB网关，包括WTB板卡、USB板卡、CPU板卡、电源板卡和背 板，所述的WTB板卡、USB板卡和CPU板卡通过背板总线与背板双向连接，所述的电源板卡 通过电源线分别与WTB板卡、USB板卡和CPU板卡连接；所述的WTB板卡负责WTB总线设备 的数据采集和传输；所述的USB板卡负责USB设备的数据采集和控制；所述的WTB板卡包括MCU控制电路、FPGA编解码处理器和WTB总线驱动器，所述的 FPGA编解码处理器分别与MCU控制电路、WTB总线驱动器和背板双向连接，所述的MCU控制 电路通过背板总线与背板双向连接，所述的WTB总线驱动器与WTB总线双向连接；所述的USB板卡包括USB协议控制器，所述的USB协议控制器分别与背板总线和USB总线双向连接；所述的CPU板卡包括中央处理器、FLASH存储器、SDRAM存储器、电源管理电路、复 位电路和非易失性存贮单元，所述的中央处理器分别与FLASH存储器、SDRAM存储器、电源 管理电路、复位电路、非易失性存贮单元和背板双向连接。本发明所述的中央处理器是32位ARM7处理器NET+50芯片，所述的MCU控制电路 包括以8位处理器和ESCC控制器为核心的WTB协议控制电路IS62C1024芯片，所述的FPGA 编解码处理器包括FPGA器件，所述的WTB总线驱动器包括RS485协议控制器和MOSFET器 件，所述的USB协议控制器包括USB协议MAX3420芯片。本发明所述的WTB板卡、USB板卡和CPU板卡集成在背板上、通过背板总线与背板 双向连接。一种基于ARM7的WTB-USB网关的工作方法，包括WTB总线数据转换为USB总线数 据和USB总线数据转换为WTB总线数据，具体包括以下步骤A、WTB总线数据转换为USB总线数据WTB板卡中的WTB总线驱动器接收WTB总线上传输的设备数据，经FPGA编解码处 理器传送到MCU控制电路；CPU板卡中的ARM7处理器NET+50芯片通过16根数据线、19根 地址线和控制线互锁机制，优先访问MCU控制电路的IS62C1024芯片，并取得设备数据；再 经USB板卡中的USB协议控制器MAX3420芯片转化为串行数据，传送到USB总线；B、USB总线数据转换为WTB总线数据USB板卡中的USB协议控制器接收USB总线上传输的设备数据，通过4根串行数据 线经CPU板卡中的ARM7处理器传送到SDRAM存储器；ARM7处理器NET+50芯片通过32根 数据线和14根地址线同步访问SDRAM存储器取得USB设备数据；USB设备数据流再经FPGA 编解码处理器允许，传入MCU控制电路转化为HDLC格式报文，传送到FPGA编解码处理器生 成曼彻斯特信号，再通过WTB总线驱动器进行信号调整，传送到WTB总线上去。本发明所述的MCU控制电路以查询方式读取WTB过程数据、消息数据或监视数据， 转化为HDLC报文格式，传入FPGA编解码处理器中组成曼彻斯特码信号，或者将来自FPGA 编解码处理器的曼彻斯特码信号，经过处理解析为标准并行信号数据，传入MCU控制电路。与现有技术相比较，由于本发明通过基于ARM7处理器的CPU板卡、WTB板卡和USB 板卡构成数据转换装置，解决了专用绞线式列车总线WTB和通用USB总线的数据通讯问题， 使本发明既具有WTB过程数据功能、消息数据功能和总线管理功能，又具有了 USB链路层管 理功能和应用层功能。本发明具有设计新颖、高可靠性、高灵活性和成本低廉的特点，在机 车车辆行业以及相关领域具有广泛的应用前景。本发明的研制成功，标志着全部WTB-USB 转换技术已经攻克，填补了国内这一领域的空白，使我国的TCN网络控制技术上了一个新 台阶，对于国内铁路机车车辆行业的技术创新具有现实意义。
本发明共有附图8张，其中图1为本发明的结构框图；图2为本发明的WTB板卡结构框图；图3为本发明的USB板卡结构框图4为本发明的CPU板卡结构框图；图5为本发明的CPU板卡中ARM7处理器及其外围电路接口电路图；图6为本发明的USB板卡中USB协议控制器的电路连接图；图7为本发明的WTB总线板卡中MCU控制电路的电路连接图；图8为本发明的网络拓扑图。图中1、WTB板卡，2、USB板卡，3、CPU板卡，4、电源板卡，5、背板，6、MCU控制电路， 7、FPGA编解码处理器，8、WTB总线驱动器，9、USB协议控制器，10、中央处理器，11、FLASH存 储器，12、SDRAM存储器，13、电源管理电路，14、复位电路，15、非易失性存贮单元。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-8所示，一种基于ARM7的 WTB-USB网关，包括WTB板卡1、USB板卡2、CPU板卡3、电源板卡4和背板5，所述的WTB板 卡1、USB板卡2和CPU板卡3通过背板总线与背板5双向连接，所述的电源板卡4通过电 源线分别与WTB板卡1、USB板卡2和CPU板卡3连接；所述的WTB板卡1负责WTB总线设 备的数据采集和传输；所述的USB板卡2负责USB设备的数据采集和控制；所述的WTB板 卡1包括MCU控制电路6、FPGA编解码处理器7和WTB总线驱动器8，所述的FPGA编解码处 理器7分别与MCU控制电路6、WTB总线驱动器8和背板5双向连接，所述的MCU控制电路 6通过背板总线与背板5双向连接，所述的WTB总线驱动器8与WTB总线双向连接；所述的 USB板卡2包括USB协议控制器9，所述的USB协议控制器9分别与背板总线和USB总线双 向连接；所述的CPU板卡3包括中央处理器10、FLASH存储器11、SDRAM存储器12、电源管 理电路13、复位电路14和非易失性存贮单元15，所述的中央处理器10分别与FLASH存储 器11、SDRAM存储器12、电源管理电路13、复位电路14、非易失性存贮单元15和背板5双 向连接。所述的中央处理器10是32位ARM7处理器NET+50芯片，所述的MCU控制电路6 包括以8位处理器和ESCC控制器为核心的WTB协议控制电路IS62C1024芯片，所述的FPGA 编解码处理器7包括FPGA器件，所述的WTB总线驱动器8包括RS485协议控制器和MOSFET 器件，所述的USB协议控制器9包括USB协议MAX3420芯片。所述的WTB板卡1、USB板卡 2和CPU板卡3集成在背板5上、通过背板总线与背板5双向连接。一种基于ARM7的WTB-USB网关的工作方法，包括WTB总线数据转换为USB总线数 据和USB总线数据转换为WTB总线数据，具体包括以下步骤A、WTB总线数据转换为USB总线数据WTB板卡1中的WTB总线驱动器8接收WTB总线上传输的设备数据，经FPGA编解 码处理器7传送到MCU控制电路6 ；CPU板卡3中的ARM7处理器NET+50芯片通过16根数 据线、19根地址线和控制线互锁机制，优先访问MCU控制电路6的IS62C1024芯片，并取得 设备数据；再经USB板卡2中的USB协议控制器9MAX3420芯片转化为串行数据，传送到USB 总线；B、USB总线数据转换为WTB总线数据USB板卡2中的USB协议控制器9接收USB总线上传输的设备数据，通过4根串行 数据线经CPU板卡3中的ARM7处理器传送到SDRAM存储器12 ；ARM7处理器NET+50芯片通 过32根数据线和14根地址线同步访问SDRAM存储器12取得USB设备数据；USB设备数据流再经FPGA编解码处理器7允许，传入MCU控制电路6转化为HDLC格式报文，传送到FPGA 编解码处理器7生成曼彻斯特信号，再通过WTB总线驱动器8进行信号调整，传送到WTB总 线上去。本发明所述的MCU控制电路6以查询方式读取WTB过程数据、消息数据或监视数 据，转化为HDLC报文格式，传入FPGA编解码处理器7中组成曼彻斯特码信号，或者将来自 FPGA编解码处理器7的曼彻斯特码信号，经过处理解析为标准并行信号数据，传入MCU控制 电路6。本发明每个板卡与板卡之间的连接为背板总线，该背板总线遵循了标准的外存访 问总线，背板总线插座是将上述板卡连接起来的物理结构，它将板卡间的信号安照特殊的 要求进行走线和电平匹配，同时提供了整个WTB-USB网关的24V外电源供电接口。所述的 背板5设计是根据铁路行业现场电气环境的特点设计的，背板总线信号具有高的可靠性、 良好灵活性能和可扩展性能；电源板卡4采用的是模块化设计的方法，使用的核心电源模 块为瑞士 VACON公司生产电源模块芯片，目的是将+24V电压转换为+5V电源，供给机箱内 板卡使用，是一个十分稳定的电源，。由上述四块板卡所构建的WTB-USB网关，与列车内部USB网络设备相连接，这样 USB网络设备上的列车信息可以和WTB网络进行数据流的交换。如果列车内需要更多的USB 网络，那么每个USB网络内就需要一套这样的设备。典型系统构架图如图8所示，由WTB板 卡1、USB板卡2以及CPU板卡3组成的WTB-USB网关，同时连接WTB网络和USB网络。USB 网络还包括带有USB接口的现场IO设备。IO设备将现场数据交给USB板卡2，生成USB数 据格式报文，然后由CPU板卡3和WTB板卡1传送到WTB总线上的其他设备上。同时反过 来也可以将WTB网络其他设备的数据发送到IO设备。整个系统的数据流如上所述。当然， 根据USB系统的要求还可以带很多其他设备，比如智能显示单元、列车监控单元等。
权利要求
一种基于ARM7的WTB USB网关，其特征在于包括WTB板卡(1)、USB板卡(2)、CPU板卡(3)、电源板卡(4)和背板(5)，所述的WTB板卡(1)、USB板卡(2)和CPU板卡(3)通过背板总线与背板(5)双向连接，所述的电源板卡(4)通过电源线分别与WTB板卡(1)、USB板卡(2)和CPU板卡(3)连接；所述的WTB板卡(1)负责WTB总线设备的数据采集和传输；所述的USB板卡(2)负责USB设备的数据采集和控制；所述的WTB板卡(1)包括MCU控制电路(6)、FPGA编解码处理器(7)和WTB总线驱动器(8)，所述的FPGA编解码处理器(7)分别与MCU控制电路(6)、WTB总线驱动器(8)和背板(5)双向连接，所述的MCU控制电路(6)通过背板总线与背板(5)双向连接，所述的WTB总线驱动器(8)与WTB总线双向连接；所述的USB板卡(2)包括USB协议控制器(9)，所述的USB协议控制器(9)分别与背板总线和USB总线双向连接；所述的CPU板卡(3)包括中央处理器(10)、FLASH存储器(11)、SDRAM存储器(12)、电源管理电路(13)、复位电路(14)和非易失性存贮单元(15)，所述的中央处理器(10)分别与FLASH存储器(11)、SDRAM存储器(12)、电源管理电路(13)、复位电路(14)、非易失性存贮单元(15)和背板(5)双向连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于ARM7的WTB-USB网关，其特征在于所述的中央处 理器(10)是32位ARM7处理器NET+50芯片，所述的MCU控制电路(6)包括以8位处理器 和ESCC控制器为核心的WTB协议控制电路IS62C1024芯片，所述的FPGA编解码处理器(7) 包括FPGA器件，所述的WTB总线驱动器(8)包括RS485协议控制器和MOSFET器件，所述的 USB协议控制器(9)包括USB协议MAX3420芯片。
3.根据权利要求1所述的一种基于ARM7的WTB-USB网关，其特征在于所述的WTB板 卡(1)、USB板卡⑵和CPU板卡(3)集成在背板(5)上、通过背板总线与背板(5)双向连 接。
4.一种基于ARM7的WTB-USB网关的工作方法，其特征在于包括WTB总线数据转换为 USB总线数据和USB总线数据转换为WTB总线数据，具体包括以下步骤A、WTB总线数据转换为USB总线数据WTB板卡(1)中的WTB总线驱动器(8)接收WTB总线上传输的设备数据，经FPGA编解 码处理器⑵传送到MCU控制电路(6) ；CPU板卡(3)中的ARM7处理器NET+50芯片通过 16根数据线、19根地址线和控制线互锁机制，优先访问MCU控制电路(6)的IS62C1024芯 片，并取得设备数据；再经USB板卡(2)中的USB协议控制器(9)MAX3420芯片转化为串行 数据，传送到USB总线；B、USB总线数据转换为WTB总线数据USB板卡(2)中的USB协议控制器(9)接收USB总线上传输的设备数据，通过4根串 行数据线经CPU板卡(3)中的ARM7处理器传送到SDRAM存储器(12) ；ARM7处理器NET+50 芯片通过32根数据线和14根地址线同步访问SDRAM存储器(12)取得USB设备数据；USB 设备数据流再经FPGA编解码处理器(7)允许，传入MCU控制电路(6)转化为HDLC格式报 文，传送到FPGA编解码处理器(7)生成曼彻斯特信号，再通过WTB总线驱动器(8)进行信 号调整，传送到WTB总线上去。
5.根据权利要求4所述的一种基于ARM7的WTB-USB网关的工作方法，其特征在于所述的MCU控制电路(6)以查询方式读取WTB过程数据、消息数据或监视数据，转化为HDLC 报文格式，传入FPGA编解码处理器(7)中组成曼彻斯特码信号，或者将来自FPGA编解码处 理器(7)的曼彻斯特码信号，经过处理解析为标准并行信号数据，传入MCU控制电路(6)。
全文摘要
本发明公开了一种基于ARM7的WTB-USB网关及其工作方法，所述的网关包括WTB板卡、USB板卡、CPU板卡、电源板卡和背板，所述的WTB板卡、USB板卡和CPU板卡通过背板总线与背板双向连接；所述的WTB板卡负责WTB总线设备的数据采集和传输；所述的USB板卡负责USB设备的数据采集和控制；所述的工作方法，包括WTB总线数据转换为USB总线数据和USB总线数据转换为WTB总线数据。本发明解决了专用绞线式列车总线WTB和通用USB总线的数据通讯问题，使本发明既具有WTB过程数据功能、消息数据功能和总线管理功能，又具有了USB链路层管理功能和应用层功能。
文档编号H04L12/56GK101938393SQ20101024755
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月5日 优先权日2010年8月5日
发明者于跃, 夏福坤, 姜悦礼, 张晓玲, 牟岩 申请人:中国北车股份有限公司大连电力牵引研发中心