机车车载通用数据通信网关的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种机车车载通用数据通信网关，其包括主控制器板卡、网络扩展板卡、总线转换板卡、电源板卡；主控制器板卡通过PC104总线和以太网总线分别同网络扩展板卡和总线转换板卡连接，用于实现将各种机车总线数据进行监测、捕捉、处理及转换并将上述机车数据信息进行实时存储；网络扩展板卡配置有PC104和PCI两种总线接口，用于实现与多种机车总线网卡的扩展兼容；总线转换板卡用于将主控制器板卡的数据通过RS232和RS485串口总线、以太网通信总线、CAN通信总线输出。本发明实现了将机车多种通信数据的监测、转换处理和本地存储等功能，同时，也实现了以CAN通信总线、RS232和RS485串口通信总线、以太网通信总线中的一种或多种方式通过数据通信接口输出。
【专利说明】机车车载通用数据通信网关
【技术领域】
[0001]本发明涉及机车车载网关领域，尤其涉及一种可应用于多种机车通信总线的车载通用数据通信网关。
【背景技术】
[0002]车载控制网络技术作为现代机车的关键技术，在世界范围内得到了越来越广泛的应用。目前世界上主要列车电气部件供应商都推出了基于网络的控制系统，比如SIEMENS的SIBAS32铁路自动化通信和控制系统、Bombardier公司的MITRAC列车通信和控制系统、ALSTOM公司的A-GATE控制系统以及日本三菱、东芝公司的TCMS列车控制监视系统等。于此同时，随着用户对车载控制网络的开放性和性价比等要求的提高，以及基于网络的远程诊断与维护、旅客信息与舒适性支持等新需求的提出，TCN列车通信网络、WorldFIP,Lonworks, CAN、工业以太网以及无线网络等技术都在车载控制系统中找到了它们最合适的应用场合，控制网络在列车上的应用将呈现出多种技术并存、相互竞争和融合的局面。但现阶段不同型号机车采用总线方式和数据交互方式的差异，以及实际需求中对于通信交互接口的特殊要求，又对这种需求的实现增加了难度。因此，对于一种将多种机车网络总线转换成其它通信总线接口的通用性网关设备的开发变得非常迫切。
【发明内容】
[0003]鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种机车车载通用数据通信网关，该网关应用于车载通信总线为WorldFIP、MVB、HDLC, CAN的机车上，实现将机车多种通信数据的监测、转换处理和本地存储等功能，同时，也能够实现了以CAN通信总线、RS232和RS485串口通信总线、以太网通信总线中的一种或多种方式通过数据通信接口输出，达到了双向交互和端口可配置的设计目的。
[0004]为了实现上述目的，本发明的技术方案:
[0005]机车车载通用数据通信网关，其特征在于:
[0006]包括主控制器板卡、网络扩展板卡、总线转换板卡、电源板卡；
[0007]所述主控制器板卡通过PC104总线和以太网总线分别同网络扩展板卡和总线转换板卡连接，其用于实现将各种机车总线数据进行监测、捕捉、处理及转换，并将上述机车数据信息进行实时存储；
[0008]所述网络扩展板卡配置有PC104和PCI两种总线接口，用于实现与多种机车总线网卡的扩展兼容；
[0009]所述总线转换板卡用于将主控制器板卡的数据通过RS232和RS485串口总线、以太网通信总线、CAN通信总线输出。
[0010]所述主控制器板卡采用多进程、多线程的框架结构和并发处理方式，以实现将各种机车总线数据进行监测、捕捉、处理及转换，并将上述机车数据信息进行实时存储。
[0011]所述多进程、多线程的框架结构和并发处理方式是指所述主控制器板卡包括主进程控制模块，该模块用于进行进程资源的分配和调度即接收并监测各种机车总线数据后在主进程中按照用户需要创建多种类型的子进程，并按照子进程类型完成相应的机车总线数据的捕捉、处理、转换中一种或者多种组合任务，同时将上述机车数据信息进行实时存储；同时各个子进程在进行数据处理时采用动态线程池的线程构建和销毁方式，保证了机车数据监测、数据捕捉、数据整理、数据备份记录实现过程中的并发性、实时性。
[0012]所述主控制器板卡还包括守护进程模块，用于实时监测指定进程名、进程号的主进程以及其它子进程的生命信号和数据交互情况，一旦发现生命或数据异常立即重新启动主进程进行资源再分配，防止主进程出现故障。
[0013]为了实现上述多进程和多线程的框架结构和并发处理方式，设置相应硬件板级支持包，即构建硬件支持平台，实现最上层应用对于FPGA门阵列的逻辑处理应用；即为实现对FPGA芯片资源的管理和调配任务，在其内部控制单元设置独立的三个软核处理器:ADC接口控制单元、FIFO控制单元以及接口控制输出单元。所述网络扩展板卡包括总线线路驱动器、线路升压器和冗余管理器；所述总线线路驱动器和线路升压器用于通过对所述网络扩展板卡内置总线的功率和电压匹配、调制解调实现网络扩展板卡对机车总线的对接；所述冗余管理器用于实现所述网络扩展板卡与机车总线对接后的信号多路冗余处理。
[0014]进一步的，所述网络扩展板卡预留有多个对外输入接口，用于同时提供WorldFIP、MVB、HDLC、CAN多种机车总线的连接和数据输入并将输入的数据实时传输给主控制器板卡的接口。
[0015]所述总线转换板卡集成有RS232和RS485串口驱动管理模块、CAN总线驱动管理模块、以太网总线驱动管理模块，用于将主控制器板卡的数据通过RS232和RS485串口总线、CAN通信总线、以太网通信总线输出。
[0016]进一步的，所述总线转换板卡还设置有DB9接口、RJ45网络接口、D编码M12接口、USB2.0多种外围数据通信接口。
[0017]所述电源板卡设置有过流电路、过压电路、欠压电路、防雷击浪涌保护电路和稳压电路。
[0018]与现有产品技术相比较，本发明的有益效果是:
[0019](I)接入机车总线网络中不会对机车总线网络通信产生任何不良影响；
[0020](2)具有控制器数据位数和大小开端方式可选择性，中断输出和源宿端口可配置性，端口状态可实时查询。
[0021](3)实现了对基于PC104和PCI总线接口的WorldFIP、MVB、HDLC、CAN多种机车通信总线板卡的通用连接。
[0022](4)实现了对多种不同机车总线所有数据的监测和采集功能；
[0023](5)能够将采集的数据进行转换处理并以多种不同总线通信接口输出。
[0024](6)该通信网关输出支持CAN、RS232、RS485、以太网。
[0025](7)能够将所有的机车数据信息进行实时本地保存，为实现数据准确溯源分析提供保障。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明的结构示意图；
[0027]图2为本发明实例结构示意图一；
[0028]图3为本发明实例结构示意图二；
[0029]图4为本发明实例所述主控制器板卡任务流程结构示意图。
【具体实施方式】
[0030]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
[0031]本发明设计初衷是鉴于:现有的适用于机车的通信网关多为一种输入和一种输出结构网关结构，其只能在一种机车上使用、且以一种固定方式输出；但是为了适应现有机车高速发展的需求，迫切需要开发一种可以在多种机车上使用、多种输出方式的多种输入和多种输出结构的网关。
[0032]因此，本发明所述的机车车载通用数据通信网关，如图1所示，其包括主控制器板卡、网络扩展板卡、总线转换板卡以及电源板卡；本数据通信网关摒弃原有网关总线扩展结构方式，各板卡均为采用独立处理器的智能板卡，板卡间通过背板总线进行数据通信交互，很大程度上提升了系统的稳定性、可扩展性和故障冗余性。
[0033]其中:所述主控制器板卡通过PC104总线和以太网总线分别同网络扩展板卡和总线转换板卡连接，如图2所示，所述主控制器板卡优选采用FPGA芯片作为中央处理器，同时具有PC104总线接口。所述主控制器板卡还可以与其他模块如状态采集电路、温度保护电路、复位电路以及时钟电路、FLASH等连接，用以对机车总线数据诸如实时数据、非实时数据、消息事件及报警信息等数据进行监测、捕捉、处理及转换功能，并将机车数据信息进行实时存储。
[0034]为了实现上述功能，所述主控制器板卡包括主进程控制模块，该模块用于进行进程资源的分配和调度即接收并监测各种机车总线数据后在主进程中按照用户需要创建多种类型的子进程，并按照子进程类型完成相应的机车总线数据的捕捉、处理、转换中一种或者多种组合任务，同时将上述机车数据信息进行实时存储。同时设置守护进程模块，用于实时监测指定进程名、进程号的主进程以及其它子进程的生命信号和数据交互情况，一旦发现生命或数据异常立即重新启动主进程进行资源再分配，防止主进程出现故障。
[0035]进一步的，所述主控制器板卡可在软件实现上采用多进程和多线程的框架结构和并发处理方式。主进程模块用于实现对系统资源分配和调度并创建多种类型的子进程，如图4所示的实例为三种子进程，分别为进程1、进程2、进程3。其中，进程I用于对机车总线数据进行捕捉任务，进程2用于对机车总线数据进行及时的数据备份以及转储(数据存储及日志记录等)；进程3用于完成机车总线数据进行捕捉任务后进行相应的数据处理后再进行及时的数据备份以及转储，同时各个子进程在进行数据处理时采用动态线程池的线程构建和销毁方式，保证了机车数据监测、数据捕捉、数据整理、数据备份记录实现过程中的并发性、实时性，进而实现主处理器的处理速度和系统资源的有效利用。同时，为防止主进程故障，特别地为主进程模块开发了专属守护进程模块，以时刻监测指定进程名、进程号的主进程以及其它进程的生命信号和数据交互情况，一旦发现生命或数据异常立即重新启动主进程进行资源再分配，如进程3出现异常后，为了避免机车数据通信中断，守护进程模块立即重新启动主进程进行资源再分配。
[0036]对应的为了实现上述多进程和多线程的框架结构和并发处理方式，可设置相应硬件板级支持包，即构建硬件支持平台，实现最上层应用对于FPGA门阵列的逻辑处理应用。即为实现对FPGA芯片资源的管理和调配任务，在其内部控制单元的设置独立的三个软核处理器:ADC接口控制单元、FIFO控制单元以及接口控制输出单元。
[0037]ADC接口控制单元用于通过使用基于序列化的可编程方法实现FPGA芯片的采样数据收集任务，每个采样序列均为一系列程序化的连续采样过程，这种方式使得本接口控制单元可以从多个输入源中收集机车总线数据，而无需控制器对它进行重新配置或处理，在提高芯片数据处理速度的同时增加了可靠性和稳定性。
[0038]FIFO控制单元用于实现先进先出方式的高速储存数据缓冲器，不但能够更加高效地满足不同速度模块之间的数据交互和传递，同时也会使得整个网关的兼容性大大提高，从而防止了数据交互和传递过程中的数据丢失、覆盖等问题。
[0039]以及接口控制输出单元用于将FPGA内核数据处理任务的工作状态、各模块的数据交互情况进行对外输出，并实现该系统的软件监测、软件更新和参数调整设定等。
[0040]所述网络扩展板卡配置有PC104和PCI两种总线接口，能够同时连接具有PC104或PCI总线的多种机车网络设备，用于实现与多种机车总线网卡的扩展兼容；该网络扩展板卡是在现有网关单一总线输入接口基础上，增加了 WorldFIP、MVB、HDLC、CAN等多种机车总线输入接口功能，实现在多种不同总线机车上兼容使用；所述网络扩展板卡还包括总线线路驱动器、线路升压器和冗余管理器；所述总线线路驱动器和线路升压器用于相互配合，通过对所述网络扩展板卡内置总线的功率和电压匹配、调制解调实现网络扩展板卡对机车总线的对接；所述冗余管理器用于实现所述网络扩展板卡与机车总线对接后的信号多路冗余处理。
[0041]进一步的，所述网络扩展板卡预留有多个对外输入接口，用于同时提供WorldFIP、MVB、HDLC、CAN多种机车总线的连接和数据输入并将输入的数据实时传输给主控制器板卡，可支持具有PC104或PCI总线的WorldFIP、MVB、HDLC、CAN多种机车总线网卡设备，具有极高的通用性和可扩展性。
[0042]所述总线转换板卡用于将主控制器板卡的数据通过RS232和RS485串口总线、以太网通信总线、CAN通信总线输出。该总线转换板卡在现有网关单一总线输出接口基础上，增加了 CAN通信总线、RS232和RS485串口通信总线、以太网通信总线的多种通信总线输出接口功能，实现机车总线数据的多种总线方式输出。
[0043]本总线转换板卡开发了以主处理器为管理调度中心的多智能处理器结构，针对串口总线、以太网通信总线、CAN通信总线等多种输出形式的不同而为每种总线处理制定一个处理器来实现。即所述总线转换板卡集成有RS232和RS485串口驱动管理模块、CAN总线驱动管理模块、以太网总线驱动管理模块，用于将主控制器板卡的数据通过RS232和RS485串口总线、CAN通信总线、以太网通信总线输出，如图3所示。
[0044]进一步的，所述总线转换板卡还设置有DB9接口、RJ45网络接口、D编码M12接口、USB2.0多种外围数据通信接口。多种外围数据通信接口，能够将主控制器板卡处理的数据转换成CAN、RS232、RS422、RS485、以太网总线中的一种或多种并通过外围数据通信接口实现双向交互。
[0045]所述电源板卡设置有过流电路、过压电路、欠压电路、防雷击浪涌保护电路和稳压电路、温度监测电路。该电源板卡将现有的各种保护电路都集成进来，保护、监测手段和功能上更加齐备，能够提供高可靠性和高稳定性持续功率不小于120瓦特的5V和12V直流电压。
[0046]综上所述，本发明所述的机车车载数据通信网关不仅能够同机车网络通信总线为WorldFIP、MVB、HDLC, CAN的机车进行互联互通，而且能够对机车总线实时数据、非实时数据、消息事件及报警信息进行监测、捕捉和处理转换，并实现机车数据信息实时存储；于此同时，可全部或选择性地将机车数据信息以RS232、RS485串口总线形式、以太网总线形式、CAN总线形式输出，最终实现将多种机车网络通信总线向通用串口、以太网、CAN总线转换的通用型网关设备。所有工作板卡的电源均一个由高可靠性、高稳定性和持续功率不低于120瓦特5V和12V的电源板卡提供。
[0047]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.机车车载通用数据通信网关，其特征在于: 包括主控制器板卡、网络扩展板卡、总线转换板卡、电源板卡； 所述主控制器板卡通过PC104总线和以太网总线分别同网络扩展板卡和总线转换板卡连接，其用于实现将各种机车总线数据进行监测、捕捉、处理及转换，并将上述机车数据信息进行实时存储； 所述网络扩展板卡配置有PC104和PCI两种总线接口，用于实现与多种机车总线网卡的扩展兼容； 所述总线转换板卡用于将主控制器板卡的数据通过RS232和RS485串口总线、以太网通信总线、CAN通信总线输出。
2.根据权利要求1所述的机车车载通用数据通信网关，其特征在于:所述主控制器板卡采用多进程、多线程的框架结构和并发处理方式，以实现将各种机车总线数据进行监测、捕捉、处理及转换，并将上述机车数据信息进行实时存储。
3.根据权利要求2所述的机车车载通用数据通信网关，其特征在于:所述多进程、多线程的框架结构和并发处理方式是指所述主控制器板卡包括主进程控制模块，该模块用于进行进程资源的分配和调度即接收并监测各种机车总线数据后在主进程中按照用户需要创建多种类型的子进程，并按照子进程类型完成相应的机车总线数据的捕捉、处理、转换中一种或者多种组合任务，同时将上述机车数据信息进行实时存储；同时各个子进程在进行数据处理时采用动态线程池的线程构建和销毁方式。
4.根据权利要求3所述的机车车载通用数据通信网关，其特征在于:所述主控制器板卡还包括守护进程模块，用于实时监测指定进程名、进程号的主进程以及其它子进程的生命信号和数据交互情况，一旦发现生命或数据异常立即重新启动主进程进行资源再分配，防止主进程出现故障。
5.根据权利要求2所述的机车车载通用数据通信网关，其特征在于:为了实现上述多进程和多线程的框架结构和并发处理方式，设置相应硬件板级支持包，即构建硬件支持平台，实现最上层应用对于FPGA门阵列的逻辑处理应用；即为实现对FPGA芯片资源的管理和调配任务，在其内部控制单元设置独立的三个软核处理器:ADC接口控制单元、FIFO控制单元以及接口控制输出单元。
6.根据权利要求1所述的机车车载通用数据通信网关，其特征在于:所述网络扩展板卡包括总线线路驱动器、线路升压器和冗余管理器；所述总线线路驱动器和线路升压器用于通过对所述网络扩展板卡内置总线的功率和电压匹配、调制解调实现网络扩展板卡对机车总线的对接；所述冗余管理器用于实现所述网络扩展板卡与机车总线对接后的信号多路冗余处理。
7.根据权利要求1的机车车载通用数据通信网关，其特征在于:所述网络扩展板卡预留有多个对外输入接口，用于同时提供WorldFIP、MVB、HDLC、CAN多种机车总线的连接和数据输入并将输入的数据实时传输给主控制器板卡的接口。
8.根据权利要求1所述的机车车载通用数据通信网关，其特征在于:所述总线转换板卡集成有RS232和RS485串口驱动管理模块、CAN总线驱动管理模块、以太网总线驱动管理模块，用于将主控制器板卡的数据通过RS232和RS485串口总线、CAN通信总线、以太网通信总线输出。
9.根据权利要求1所述的机车车载通用数据通信网关，其特征在于:所述总线转换板卡还设置有总线转换板卡具有DB9接口、RJ45网络接口、D编码M12接口、USB2.0多种外围数据通信接口。
10.根据权利要求1所述的机车车载通用数据通信网关，其特征在于:所述电源板卡设置有过流电路、过压电路、欠压电路、防雷击浪涌保护电路和稳压电路。
【文档编号】H04L12/66GK104363168SQ201410736307
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】姜正, 陈广泰, 杜海宾, 王超, 潘国斌, 孟娜 申请人:中国北车集团大连机车研究所有限公司