本实用新型涉及车辆和铁路列车技术领域，特别是涉及一种铁路以太网TRDP(Train Real-time Data Protocol)网关。
背景技术：
传统的铁路用的网络技术最快仅为数Mbit(兆比特)/秒，随着铁路行业的发展，监控更加全面、车辆和装备记录更加细致、还配备了客户使用的无线LAN(Local Area Network，局域网)等通信功能，并且，车内监控摄像头参数升级、车内显示器的大型化以及高画质化等，传统的数据传输速度已经无法满足需要。于是，作为能够实现10Mbit/秒以上的数据传输技术，实时的以太网得到广泛的应用。
在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：由于铁路通讯网络的专用性和针对性极强，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协议转换成其它数据形式的网关实时性差，且无法实现冗余功能。
技术实现要素：
基于此，有必要针对TRDP网关实时性差且无法实现冗余功能的问题，提供一种铁路以太网TRDP网关。
为了实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种铁路以太网TRDP网关，包括单片机，连接单片机的UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)接口、CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)接口以及双路以太网协议栈芯片；
还包括连接双路以太网协议栈芯片的双路以太网接口；
双路以太网协议栈芯片通过双路以太网接口将根据UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)协议转换单片机传输的通信信号得到的UDP数据信号，传输给外部TCN网络(Train Communication Network，列车通信网络)；双路以太网协议栈芯片将根据UDP协议转换外部TCN网络传输的UDP数据信号得到的并行数据信号发送给单片机。
在其中一个实施例中，单片机包括微处理器以及连接微处理器的硬件看门狗；
微处理器分别连接UART接口、CAN接口以及双路以太网协议栈芯片。
在其中一个实施例中，单片机还包括连接微处理器的时钟电路、复位电路、滤波电路、JTAG(Joint Test Action Group，联合测试工作组)下载电路以及CPU(Central Processing Unit，中央处理器)电源管理芯片。
在其中一个实施例中，微处理器为LPC177x微处理器。
在其中一个实施例中，硬件看门狗为CAT706。
在其中一个实施例中，还包括网络隔离变压器；
双路以太网接口通过网络隔离变压器连接双路以太网协议栈芯片。
在其中一个实施例中，网络隔离变压器包括连接双路以太网接口的MS10232NL芯片。
在其中一个实施例中，网络隔离变压器还包括连接MS10232NL芯片的ESD(Electro-Static Discharge，静电释放)芯片。
在其中一个实施例中，双路以太网协议栈芯片包括连接单片机的第一以太网协议栈芯片、第二以太网协议栈芯片。
在其中一个实施例中，第一以太网协议栈芯片为W5300芯片；第二以太网协议栈芯片为W5300芯片。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
铁路以太网TRDP网关包括单片机，连接单片机的UART接口、CAN接口、双路以太网协议栈芯片；还包括连接双路以太网协议栈芯片的双路以太网接口；基于上述结构，双路以太网协议栈芯片通过双路以太网接口将根据UDP协议转换单片机传输的通信信号得到的UDP数据信号，传输给外部TCN网络；双路以太网协议栈芯片将根据UDP协议转换外部TCN网络传输的UDP数据信号得到的并行数据信号发送给单片机；实现铁路TCN网络实时以太网功能以及TRDP的us(微秒)级的实时性，同时，实现冗余功能，可以热备份，确保网络可靠性。解决目前铁路实时以太网没有快速冗余网关的空白问题。
附图说明
通过附图中所示的本实用新型的优选实施例的更具体说明，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。
图1为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的第一示意性结构图；
图2为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的单片机的结构示意图；
图3为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的第二示意性结构图；
图4为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的网络隔离变压器的示意性结构图；
图5为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的双路以太网接口的示意性结构图；
图6为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的双路以太网协议栈芯片的示意性结构图；其中，图6(a)为第一以太网协议栈芯片的示意性结构图；图6(b)为第二以太网协议栈芯片的示意性结构图；
图7为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的第三示意性结构图；
图8为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的数据处理流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的首选实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
目前，实时以太网的列车车辆总线国际标准IEC61375-2-3刚出台不久。法国阿尔斯通、德国西门子等欧洲国际铁路设备企业，对标准开始大力推广。之前的铁路标准已经广泛应用于中国的车辆，这一次，新标准也会逐步应用到中国轨道交通领域。
铁路以太网通讯的物理层接口满足IEEE 802.3要求，支持100BASE-TX传输介质，支持全双工通信，连接器要求采用“D”型编码的M12连接器，设备端采用孔式连接器，活动端采用针式连接器。M12连接器应具备金属屏蔽外壳。电缆要求采用符合ISO/IEC 11801和IEC 61156-6标准要求的超五类双绞线。以太网电缆屏蔽层与M12连接器的外壳应采用360°环形可靠连接，设备应设置接地点确保设备可靠接地，同时设备上的M12连接器外壳应确保可以通过设备进行可靠接地。IP(Internet Protocol，网络之间互连的协议)与MAC地址(Media Access Control，物理地址)要求确保设备地址的全球唯一性。采用IPV4版本标准符合性子系统挂网设备至少符合以下标准：IEC61375-1(列车通信网络)、IEC61375-3-4/-2-5(以太网部分)、EN50121-3-2(电磁兼容性)。通信协议应支持ARP协议(Address Resolution Protocol，地址解析协议)、ICMP协议(Internet Control Message Protocol，Internet控制报文协议)及IGMP协议(Internet Group Management Protocol，Internet组管理协议)。应用层应支持SNMP协议(Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议)、telnet协议、FTP协议(File Transfer Protocol，文件传输协议)及TRDP协议。传输层应支持TCP协议与UDP协议。对于铁路用以太网，提高实时性、确保可靠性也是必不可少的条件。为了确保实时性，铁路以太网的4～7层都将使用专为铁路用途开发的自主协议“TRDP”。
而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针对性极强(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协议转换成其它数据形式，如TRDP转换CAN/UART等数据形式的快速实时冗余以太网网关还是一片空白。而现有的转换方法是依赖以太网软核协议栈，实时性非常差，无法实现TRDP的us(微秒)级的实时性要求，且无法实现冗余功能。
为解决TRDP网关实时性差且无法实现冗余功能的问题，在一个实施例中，提供一种铁路以太网TRDP网关，如图1所示，图1为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的第一示意性结构图，包括单片机110，连接单片机110的UART接口120、CAN接口130以及双路以太网协议芯片140；
还包括连接双路以太网协议芯片140的双路以太网接口150；
双路以太网协议芯片140通过双路以太网接口150将根据UDP协议转换单片机110传输的通信信号得到的UDP数据信号，传输给外部TCN网络；双路以太网协议芯片140将根据UDP协议转换外部TCN网络传输的UDP数据信号得到的并行数据信号发送给单片机110。
具体而言，单片机110分别连接UART接口120、CAN接口130以及双路以太网协议芯片140；双路以太网协议芯片140连接双路以太网接口150。
需要说明的是，基于上述结构，单片机可通过UART接口和/或CAN接口接收列车设备传输的通信信号，并将通信信号传输给双路以太网协议栈芯片；双路以太网协议栈芯片根据现有的UDP协议将通信信号转换为UDP数据信号，并通过双路以太网接口将UDP数据信号传输给外部TCN网络。双路以太网协议栈芯片还可通过双路以太网接口接收外部TCN发送的UDP数据信号，根据现有的UDP协议将UDP数据信号转换为并行数据信号，并将并行数据信号传输给单片机；单片机将接收到的并行数据信号通过UART接口和/或CAN接口传输给列车设备。
双路以太网协议栈芯片与单片机采用并行通信方式。
双路以太网协议栈芯片与双路以太网通信接口可构成双路以太网通信；单片机可实时监测双路以太网通信，发现其中一路故障，在1ms(毫秒)内切换到另一路，实现冗余功能。
双路以太网协议栈芯片为硬核TRDP协议栈，替代了传统的软件协议栈，可保证us级别的组播广播接收，便于和主控TCMS(Train Control and Management System，列车控制和管理系统)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，本实用新型实施例的实时性提高了10倍以上并且实现了冗余功能。采用本实用新型实施例能实现铁路快速实时冗余TRDP以太网，解决目前铁路快速冗余实时以太网网关的空白问题。
本实用新型实施例支持PD模式、MD模式、DNS(Domain Name System，域名系统)、TTDB；可实现铁路TCN网络实时以太网功能以及TRDP的us(级的实时性，同时，实现冗余功能，可以热备份，确保网络可靠性。
在一个实施例中，单片机包括微处理器以及连接微处理器的硬件看门狗；
微处理器分别连接UART接口、CAN接口以及双路以太网协议栈芯片。
具体而言，微处理器分别连接硬件看门狗、UART接口、CAN接口以及双路以太网协议栈芯片。微处理器可通过UART接口和/或CAN接口与列车设备进行交互，通过双路以太网协议栈芯片与外部TCN网络进行通信。
需要说明的是，微处理器运行异常时，硬件看门狗可对TRDP网关进行自动复位。
在一个实施例中，如图2所示，图2为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的单片机的结构示意图，单片机还包括连接微处理器的时钟电路、复位电路、滤波电路、JTAG下载电路以及CPU电源管理芯片。
具体而言，微处理器还分别连接时钟电路、复位电路、滤波电路、JTAG下载电路以及CPU电源管理芯片。
在一个实施例中，如图2所示，微处理器为LPC177x微处理器。
具体而言，单片机可以Cortex-M3的LPC177x微处理器为核心。LPC177x微处理器是恩智浦推出集成LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)图像控制器，高达512KB(Kilobyte，千字节)的片上闪存程序存储器，具有系统编程(ISP，互联网服务提供商)和在应用中编程(IAP，因特网接入提供商)功能，96KB的片上SRAM(Static Random-Access Memory，静态随机存取存储器)，4KB的片上EEPROM(Electrically Erasable Programmable read only memory，带电可擦可编程只读存储器)。单片机包括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。具体的，图2中的LPC177x微处理器可为LPC1778。
在一个实施例中，硬件看门狗为CAT706。
在一个实施例中，如图3所示，图3为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的第二示意性结构图，还包括网络隔离变压器；
双路以太网接口通过网络隔离变压器连接双路以太网协议栈芯片。
具体而言，网络隔离变压器的一端连接双路以太网接口，另一端连接双路以太网协议栈芯片。
需要说明的是，网络隔离变压器可实现信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离等作用。
在一个实施例中，如图4所示，图4为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的网络隔离变压器的示意性结构图，网络隔离变压器包括连接双路以太网接口的MS10232NL芯片。
具体而言，网络隔离变压器主芯片可为MS10232NL，对以太网通信有信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离等作用；可增强信号，使其传输距离更远；还可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(Physical Layer，物理层)芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V)的网口时，不会对设备造成影响。
在一个实施例中，如图4所示，网络隔离变压器还包括连接MS10232NL芯片的ESD芯片。
具体而言，MS10232NL芯片连接ESD芯片；具体的，ESD芯片可为ufs08a2.8l04防静电ESD芯片。
需要说明的是，在以太网总线正常工作过程中，ESD芯片只是表现为容值极低的(一般<5pF(皮法))容抗特性，不会对正常的电器特性产生影响，且不会影响到电子产品的信号及数据传输；当器件两端的过电压达到预定的崩溃电压时；迅速(纳秒级)做出反应；以几何级数的量放大极间漏电流通过；从而达到吸收、减弱静电对电路特性的干扰和影响；同时，由于ESD静电阻抗器(属于ESD芯片)的构成材质的特殊性，ESD往往都是通过对静电进行吸收和耗散，亦即表现为一个充放电的过程，来达到对设备进行静电防护，所以设备中的ESD静电阻抗器都不易老化损坏。
在一个实施例中，双路以太网接口的结构可如图5所示，图5为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的双路以太网接口的示意性结构图。
在一个实施例中，如图6所示，图6为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的双路以太网协议栈芯片的示意性结构图，双路以太网协议栈芯片包括连接单片机的第一以太网协议栈芯片、第二以太网协议栈芯片。
具体而言，第一以太网协议栈芯片或第二以太网协议栈芯片用于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，并和单片机通讯。
需要说明的是，第一以太网协议栈芯片以及第二以太网协议栈芯片的结构具备冗余功能，可以热备份，在一路以太网故障情况下，可以迅速切换到另一路工作，确保网络可靠性。具体的，单片机可实时监测硬核协议栈(包括第一以太网协议栈芯片、第二以太网协议栈芯片)通信，监测到一路故障时，可在2ms内切换到另一路，实现实时热备份，达到冗余功能。
在图6中，双路以太网协议栈芯片包括型号为W5300处理器，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，并和单片机中的CPU通讯。
在一个实施例中，如图6(a)所示，第一以太网协议栈芯片为W5300芯片；如图6(b)所示，第二以太网协议栈芯片为W5300芯片。
具体而言，W5300芯片与单片机采用并行通信方式，遵循UDP协议把接收到以太网数据转换成目标协议数据发送给单片机，同时把单片机发送的数据转换成以太网数据格式。
需要说明的是，W5300是一款0.18μm(微米)CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺的单芯片器件，内部集成10/100M(兆比特)以太网控制器，MAC和UDP协议栈。在内存空间和数据处理能力等方面都有很大的提高。W5300特别适用于IPTV(Internet Protocol Television，网路协定电视)，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UDP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(Microcontroller Unit，单片机)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。用户可以根据不同的应用更灵活地分配存储空间。用户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支持固件UDP协议：TCP，UDP，ICMP，IPv4(网际协议版本4)，ARP，IGMP，PPPoE(Point to Point Protocol over Ethernet，基于以太网的点对点通讯协议)，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UDP协议栈(软件/硬件UDP协议栈)；支持ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户线路)连接(支持带PAP(口令验证协议)/CHAP(PPP点对点协议询问握手认证协议)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(传送数据)/RX(接收数据)存储器)；可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(Direct Memory Access，直接存储器访问)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(兆赫兹)工作频率(给内部锁相环逻辑电路，周期40ns(纳秒))；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(伏特)工作电压，I/O口可承受5V电压；内部带1.8V电压调整器；LQFP-100，14*14mm(毫米)无铅封装。
如图6(a)、(b)所示，两片W5300的数据线和地址先分别与主控制模块LPC177x微处理器相连。W5300的MVBA0-MVBA9共十根地址线与LPC177x微处理器的A0-A9连接；W5300的MVBD0-MVBD7共八根数据线与LPC177x微处理器的D0-D7连接。LPC177x微处理实时监测W5300硬核协议栈通信，监测到一路故障，在2ms内切换到另一路，实现实时热备份，达到冗余功能。
在一个实施例中，如图7所示，图7为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的第三示意性结构图，铁路以太网TRDP网关的数据处理方法的流程示意图可图图8所示，图8为一个实施例中铁路以太网TRDP网关的数据处理流程示意图。本实用新型实施例可用于系统初始化、TRDP以太网和UART数据交换，具体包括以下步骤：
步骤S110、系统初始化：接收UART的TRDP配置参数信息；所述参数信息包括默认TCMS主机IP、DNS主机IP、本模块IP与端口；
步骤S120、TRDP初始化：检测TRDP总线的TTDB列车网络拓扑的包，配置静态和动态列车网络拓扑参数；
步骤S130、列车主机确定：发送DNS请求包，获得实际编组下的TCMS的IP地址；
步骤S140、根据所述确定的列车拓扑参数和实际编组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。
步骤S150、控制模块(包括单片机)实时监测双路以太网通信，发现其中一路故障，在1ms内切换到另一路，实现冗余功能。
本实用新型实施例包括单片机，连接单片机的UART接口、CAN接口、双路以太网协议栈芯片；还包括连接双路以太网协议栈芯片的双路以太网接口；基于上述结构，双路以太网协议栈芯片通过双路以太网接口将根据UDP协议转换单片机传输的通信信号得到的UDP数据信号，传输给外部TCN网络；双路以太网协议栈芯片将根据UDP协议转换外部TCN网络传输的UDP数据信号得到的并行数据信号发送给单片机；实现铁路TCN网络实时以太网功能以及TRDP的us(微秒)级的实时性，同时，实现冗余功能，可以热备份，确保网络可靠性。解决目前铁路实时以太网没有快速冗余网关的空白问题。
本实用新型实施例支持符合IEC61375-2-3规范的TRDP协议。TRDP使用了UDP的20548端口和20550端口，其他应用层协议禁止使用这些端口。本实用新型实施例支持IETF RFC1905规定的SNMP V2代理功能，支持IETF RFC959规定的FTP，支持telnet服务器或者SSH(Secure Shell，安全外壳协议)服务器，用于管理终端设备。
本实用新型实施例提供了一种铁路以太网TRDP网关，自带100M强制全双工以太网接口，2KV(千伏)电磁隔离，默认配置为MDI模式(网关接口类型为Medium Dependent Interface，介质相关接口)；自带以太网隔离变压器，隔离耐压2500V；完全符合以太网国际标准IEC61375-2-3与IEC61375-3-4的要求；支持TRDP协议、支持TRDP推模式(PD是Process Data缩写代表过程数据、MD模式(Message Data，代表消息收据)、支持TTDB(Train Topology Database，列车拓扑数据库)自动获取列车动态和静态拓扑，MAC地址全球唯一；支持DNS，满足通过域名实现通讯的需求，支持4个TRDP模块COMID端口接收，发送报文COMID(Communication ID，通信身份号)动态调整；集成一路CAN2.0B接口，兼容CAN2.0A，符合ISO11898-1标准；UART高速串口支持921600bps(比特率)波特率；主电源采用5V供电；工作温度为-40℃至+85℃，存储温度为-40℃至+85℃，最大相对湿度为90％。可用于车载设备以太网接入，解决目前铁路快速冗余实时以太网协议转换产品的空白问题。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。