一种高速列车控制网络半实物仿真系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种高速列车控制网络的半实物仿真系统，其包括若干NetFPGA模块和若干计算机模块，所述NetFPGA模块作为列车网络仿真接口，负责转发列车网络数据报文；各NetFPGA模块通过千兆以太网口构成线性的网络拓扑结构，并构建冗余的数据报文传输网络；所述计算机模块按照高速列车车载设备的通信要求，接收各车载设备的通信数据，并将该通信数据通过所述NetFPGA模块定时发送到目的地址的车载设备。本发明能够实现以太列车骨干网协议IEC61375 2-5，能够对高速列车的控制网络的数据通信的性能和功能进行仿真。
【专利说明】一种高速列车控制网络半实物仿真系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于列车尤其是高速列车控制网络系统仿真领域，具体涉及一种高速列车 控制网络半实物仿真系统。
【背景技术】
[0002] 高速列车的控制网络是高速列车的大脑中枢，涉及列车的各个子系统，高速列车 网络控制系统包括中央控制单元、牵引控制单元、制动控制单元、辅助电源控制单元等控制 模块，对包含上述模块的高速列车网络控制系统半实物仿真环境的构建是半实物仿真平台 和网络控制系统分析、评估、诊断、测试功能实现的基础和技术难点。
[0003] 高速列车网络通信协议是联系列车控制系统和受控系统的关键，也是半实物仿真 与联调联试平台各功能模块之间联系的基础和关键。对高速列车网络通信协议建模与仿真 是网络控制系统仿真、分析、评估、诊断、测试真实性的基础和技术难点。
[0004] 要研制我国具有自主知识产权的高速列车控制网络系统，首先就要对控制网络进 行性能和功能仿真，为我国自主设计高速列车网络控制系统提供指导和参考。半实物仿真 系统是研制高速列车控制网络的关键的一步。
[0005] 当前国内外对于高速列车的控制网络仿真研究一般是基于0ΡΝΕΤ的纯软件仿真， 在我国高速列车的控制网络半实物仿真还处于起步阶段。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种高速列车控制网络的半实物仿真系统，该系统能够对高 速列车的控制网络的数据通信的性能和功能进行仿真。
[0007] 本发明采用的技术方案是：
[0008] -种高速列车控制网络半实物仿真系统，其包括若干NetFPGA模块和若干计算机 模块，
[0009] 所述NetFPGA模块作为列车网络仿真接口，负责转发列车网络数据报文；各 NetFPGA模块通过千兆以太网口构成线性的网络拓扑结构，并构建冗余的数据报文传输网 络；
[0010] 所述计算机模块按照高速列车车载设备的通信要求，接收各车载设备的通信数 据，并将该通信数据通过所述NetFPGA模块定时发送到目的地址的车载设备。
[0011] 进一步地，所述数据报文传输网络为线性型的双网络，其中一个为工作网络，另一 个为备用网络。备用网络在检测到工作网络出现故障时，能自动切换。
[0012] 进一步地，每个NetFPGA模块具有4个千兆以太网口，利用其中两个千兆以太网口 搭建线性的网络拓扑，其余两个千兆以太网口用于实现冗余切换功能。
[0013] 进一步地，所述NetFPGA模块中实现IEC613752-5以太列车骨干网协议。
[0014] 进一步地，所述计算机模块中构建了车载设备的数据通信模型，所述车载设备包 括牵引设备、制动设备、空调设备、辅助电源设备、显示指南设备等。其中牵引设备、制动设 备的数据对实时性有严格的要求，属于过程数据，而其他的数据主要是状态数据，实时性要 求要低些。
[0015] 进一步地，所述计算机模块通过PCI总线将各车载设备的通信数据传输至所述 NetFPGA模块中。
[0016] 进一步地，通过寄存器对NETFPGA模块进行访问，寄存器的接口以管道方式连接。
[0017] 进一步地，采用8个NetFPGA模块和8个计算机模块构建4动4拖的高速列车控 制网络仿真系统，或者6动2拖的高速列车控制网络仿真系统。
[0018] 进一步地，网络仿真软件包采用包-组件-模块的分解策略。
[0019] 进一步地，网络仿真软件包分为4个组件：路由器底层管理组件、列车初运行组 件、路由器协议管理组件和路由器初始化软件管理组件。
[0020] 本发明的高速列车控制网络半实物仿真系统能够实现以太列车骨干网协议 IEC61375 2-5,能实现8车编组和16车编组的控制网络，传输的数据报文符合IEC613752-5 协议。该系统能仿真各种车载设备的数据报文，仿真各种车载设备的通信模型。本发明的 仿真系统为以太列车骨干网在我国下一代列车的应用提供了指导和参考。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是本发明的列车以太网节点拓扑连接示意图。
[0022] 图2是本发明的NetFPGA管道图。
[0023] 图3是本发明的网络仿真软件包UML组件图。
[0024] 图4是本发明的软件包流程图。
[0025] 图5是本发明的路由器底层管理组件模块分解示意图。
[0026] 图6是本发明的路由器协议管理组件UML图。
[0027] 图7是本发明的路由器仿真平台初始化管理组件UML图。
[0028] 图8是本发明的以太网列车骨干网络底层包转发流程图。
[0029] 图9是本发明的TTDP协议包转发流程图。
[0030] 图10是本发明的以太网列车骨干网络带冗余的TTDP协议包转发流程图。
【具体实施方式】
[0031] 下面通过具体实施例和附图，对本发明做详细的说明。
[0032] 本实施例的高速列车控制网络半实物仿真系统，分为硬件平台和软件实现两个方 面。下面重点介绍硬件部分，本领域技术人员可以对采用不同的软件实现方式，因此对软件 部分只做简略介绍。
[0033] 此系统的硬件是基于线性的网络拓扑结构，由八个骨干网节点线性连接而组成， 图1是其中任意两个节点之间的连接拓扑示意图，其中ETB是指以太列车骨干网（Ethernet Train Backbone) ;ETBN 是指以太列车骨干网节点（Ethernet Train Backbone Node) ;ED 是指列车上的终端设备（Ending Device) ;"CN，〈〈subnet id>>" 是子网 ID 号，CN(Consist Network Subnet)，指组成子网。
[0034] 每一个骨干网节点是一个NetFPGA模块，其在硬件上面的构造成为了一个路由 器，NetFPGA是由美国斯坦福大学开发设计的一个低成本的可重用硬件平台，设计者可以在 硬件级别的开发环境上搭建Gb/s级高性能网络系统模型，从而进行网络系统的研究和测 试。该路由器的功能可以由Fedora操作系统下编写的verilog代码来实现。每个NetFPGA 模块对应一个计算机模块，NetFPGA模块连接在计算机模块上，通过PCI总线通信。
[0035] NetFPGA模块包含一个Xilinx Virtex2-PR050FPGA进行编程与用户定义的逻辑， 有一个核心运行在125MHz的时钟。NetFPGA平台还包含一个Xilinx的Spartan II FPGA 持有的PCI接口的主机处理器，实现控制逻辑的逻辑。
[0036] NetFPGA模块拥有两个18Mbit的外部SRAM，同时还配置了一块DDR2 SDRAM。存储 器使用独立的200MHz时钟的上下沿，具有12800Mbits/秒的带宽。
[0037] 本发明中，NetFPGA模块作为网络接口卡，组成各个车辆网络仿真接口，负责转发 列车网络数据报文。NetFPGA模块拥有四个千兆以太网口和四个千兆以太网媒体访问控制 器（MAC)，正常通信情况下可以使用其中的0 口和1 口搭建线性的网络拓扑，同时剩余的两 个网口为冗余切换功能的实现提供了硬件支持。也就是说，利用千兆以太网口构成线性的 网络拓扑结构，构建冗余的数据报文传输网络。该网络为线性型的双网络，其中一个为工作 网络，另一个为备用网络(冗余备份网络)。备用网络在检测到工作网络出现故障时，能自动 切换。
[0038] 图2为NetFPGA的工作原理示意图，其中：MAC RxQ表示链路层接收信号；CPU RxQ 表示CPU接收信号；MAC TxQ表示MAC输出信号；CPU TxQ表示CPU输出信号。输入仲裁模 块（Input Arbiter)实现输入队列的调度；输出端口查找模块（Output Port Lookup)实现 数据包头检查和路由查找功能；输出队列模块（Output Queues)实现输出信号的选择和数 据包缓冲功能。NetFPGA的流水线工作原理为：Mac每个网口都能接收到MAC和CPU的调制 信号，由于NetFPGA拥有四个网口，因此一共有8个不同的调制信号需要进行处理。四个网 口的MAC和CPU调制型号需要进行输入仲裁，这个输入仲裁模块中包含了两个文件，分别是 一个使用Round-Robin轮流处理8个接口的数据包处理模块，另外一个则是实现了该模块 的寄存器实现。进行了仲裁处理之后，这8个信号的输出信号进入输出队列，然后按照正确 的顺序输出对应网口的MAC信号和CPU信号。
[0039] NetFPGA模块中实现IEC 613752-5以太列车骨干网协议。IEC61375-2-5协议中 主要规定了以太列车骨干网组成的标准，网络配置等。
[0040] 举例来说，如果有一个NETFPGA模块i想把一个数据包传递给模块i+Ι。当i+Ι准 备好了接收数据以后，它会设置RDY信号，然后模块i通过设置CTRL信号，就会把这个数据 包的数据通过数据总线传送给i+Ι，这时WR信号为高。如果i+Ι模块不能再接受数据的时 候，它会在至少一个时钟周期前重置RDY信号。
[0041] 每个报文可以在包头有选择增加一个64位字数据包，包含处理结果或修改已经 存在的一个字。管道中后面的模块可以使用自定义的模块头（S)的信息，对数据包做进一 步处理。
[0042] 通过各种寄存器对NETFPGA模块进行访问。这些寄存器的接口是以管道方 式来连接的，并没有使用星型或者其他机制。32位宽的寄存器管道用来各种数据的进 入如：REG_REQ_IN，REG_ACK_IN，REG_RD_WR_L_IN，REG_ADDR_IN (23-bits)，REG_DATA_ IN(32-bits)，REG_SRC_IN(2-bits)。
[0043] 下面介绍本实施例的高速列车控制网络半实物仿真系统的软件实现部分。
[0044] 软件实现的功能主要是：移植路由协议，实现以太网络的通信；列车初始化协议， 实现列车的编组，不但可以实现列车控制数据的传输，同时也可以对列车的多媒体数据进 行传输。具体来说，软件系统包括操作系统、软件接口的驱动程序、实现各种硬件功能的逻 辑代码、执行控制功能的软件程序、系统测试的脚本程序，以及计算机辅助设计软件工具。
[0045] 本实施例的以太网列车骨干网网络仿真软件包采用包-组件-模块的分解策略， 组件的分解依赖于各自完成的功能。该以太网列车骨干网网络仿真软件包分为4个组件 ： 路由器底层管理组件、列车初运行组件、路由器协议管理组件和路由器初始化软件管理组 件，如图3所示。此UML组件图描述了此软件包各个组件之间相互依存的关系，路由器底层 管理组件是被其他三个组件所需要的，所以此软件包的第一步就是路由器底层管理组件的 启动运行，根据IEC61375-2-5协议，接下来就是对列车初运行进行配置，对列车进行编组， 即运行列车拓扑发现协议。而路由器协议管理组件的功能正常运行又是依赖于路由器初始 化软件管理组件，而此软件包流程图如图4所示。
[0046] 图4的软件包流程图揭示了该软件各个组件的运行的顺序，路由器的底层管理组 件主要是使底层能够顺利的完成收发网口接收到的数据包的工作，而列车初运行组件则是 完成列车在上电，连挂或者解挂时候的，列车车辆之间的编组和通信，在编组成功以后就会 分配IP地址，进而运行路由器初始化软件管理组件和路由器协议管理组件，使得整个列车 通信网络顺畅的运行。
[0047] 下面对图3中各组件分别进行说明。
[0048] 1.路由器底层管理组件
[0049] 路由器底层管理组件主要完成四个方面的功能：1.线程的初始化；2.内存的初始 化；3.内存栈的管理的初始化；4.对数据包进行管理。
[0050] 路由器底层管理组件分解按照功能模块分解的策略，分为4个功能模块，如图5， 表1所示。
[0051] 图5显示数据包管理模块依赖于其他模块模块，在列车网络运行期间网口初始 化、ARP模块初始化、PW0SPF协议初始化都由此模块来完成。线程初始化模块是负责创建一 个线程链表，用来管理所有即将要开启的线程，内存初始化模块负责管理内存，内存栈初始 化模块也是完成相关栈的初始化工作。
[0052] 表1路由器底层管理组件的功能模块列表
[0053]
【权利要求】
1. 一种高速列车控制网络半实物仿真系统，其特征在于，包括若干NetFPGA模块和若 干计算机模块； 所述NetFPGA模块作为列车网络仿真接口，负责转发列车网络数据报文；各NetFPGA模 块通过千兆以太网口构成线性的网络拓扑结构，并构建冗余的数据报文传输网络； 所述计算机模块按照高速列车车载设备的通信要求，接收各车载设备的通信数据，并 将该通信数据通过所述NetFPGA模块定时发送到目的地址的车载设备。
2. 如权利要求1所述的高速列车控制网络半实物仿真系统，其特征在于：所述冗余的 数据报文传输网络为线性型的双网络，其中一个为工作网络，另一个为备用网络。
3. 如权利要求2所述的高速列车控制网络半实物仿真系统，其特征在于：每个NetFPGA 模块具有4个千兆以太网口，利用其中两个千兆以太网口搭建线性的网络拓扑，其余两个 千兆以太网口用于实现冗余切换功能。
4. 如权利要求1所述的高速列车控制网络半实物仿真系统，其特征在于：所述NetFPGA 模块中实现IEC 61375 2-5以太列车骨干网协议。
5. 如权利要求1所述的高速列车控制网络半实物仿真系统，其特征在于：所述计算机 模块通过PCI总线将各车载设备的通信数据传输至所述NetFPGA模块中。
6. 如权利要求1所述的高速列车控制网络半实物仿真系统，其特征在于：通过寄存器 对NETFPGA模块进行访问，寄存器的接口以管道方式连接。
7. 如权利要求1所述的高速列车控制网络半实物仿真系统，其特征在于：采用8个 NetFPGA模块和8个计算机模块构成4动4拖或者6动2拖的高速列车控制网络仿真系统。
8. 如权利要求1所述的高速列车控制网络半实物仿真系统，其特征在于：其网络仿真 软件包采用包-组件-模块的分解策略。
9. 如权利要求8所述的高速列车控制网络半实物仿真系统，其特征在于：所述网络仿 真软件包分为4个组件：路由器底层管理组件、列车初运行组件、路由器协议管理组件和路 由器初始化软件管理组件。
10. 如权利要求9所述的高速列车控制网络半实物仿真系统，其特征在于：所述路由 器底层管理组件包括线程初始化模块、内存初始化模块、内存栈管理初始化模块和数据包 管理模块；所述列车初运行组件包括接收管理模块和发送管理模块；所述路由器协议管 理组件包括初始化模块、ARP数据模块、PTOSPF_hello数据模块、PWOSPF_lsu数据模块和 PWOSPF_lSU_time〇Ut数据模块；所述路由器初始化软件管理组件包括路由器初始化模块、 路由器数据处理管理模块和路由表初始化管理模块。
【文档编号】H04L12/26GK104243536SQ201310252841
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月24日 优先权日:2013年6月24日
【发明者】武斌, 戴小文, 郭亮, 侯玮玮, 朱懿 申请人:中国科学院软件研究所