一种基于Linux平台的列车实时以太网TRDP网卡的制作方法

本发明涉及计算机通信网络技术领域，尤其涉及一种基于linux平台的列车实时以太网trdp网卡。

背景技术：

承载着控制、状态监测、故障诊断信息的列车通信网络随着高速列车智能化程度的发展及安全性要求的不断提升，对网络带宽的要求与日俱增。随着国际电工委员会将交换式以太网纳入列车通信网络的iec61375标准，标志着国际轨道交通领域就利用以太网解决tcn(traincommunicationnetwork，列车通信网络)带宽难题达成了共识。根据iec61375-2-3标准规定，trdp(trainreal-timedataprotocol，列车实时数据协议)为列车实时以太网标准。

申请号为201710255420.8的发明专利，公开了一种基于linux平台的铁路实时以太网trdp网关，用于实现uart网络和can网络与trdp网络之间数据转换，该专利仅设计了一路以太网网接口，不具有冗余功能很难满足高可靠性要求，且网口传输速度为100mbps很难满足更大数据量传输要求。除此之外，针对实时性要求高的应用场景，该专利并没有相应的功能设计。

申请号为201721070631.6的实用新型专利，公开了一种基于trdp协议的列车实时以太网网卡，其中两个网口分别rmii和fsmc接口，数据传输速度均不超过100mbps，采用cortex-m3作为中央处理单元处理能力有限，很难满足强实时性要求。

申请号为201621486327.5的实用新型专利，公开了一种双串口转以太网模块，该专利不支持trdp协议，且该专利双串口通过sps3232eey串口芯片实现rs232与rs485之间的自适应切换，所以两个串口不能同时工作，且该专利没有实现双网口通信不能满足可靠性要求高的应用场景的使用需求，另外cortex-m3网络处理能力弱。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于linux平台的列车实时以太网trdp网卡。本发明能够满足多种编组形式的列车的以太网实时通信要求；保证数据不易丢失，且避免由于恶意网络、病毒入侵等造成车载子系统设备瘫痪，增加了车载子系统设备的安全性。除此之外根据不同实时性要求的应用场景，设有不同处理系统，能充分满足不同实时性、可靠性要求的场景。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于linux平台的列车实时以太网trdp网卡，包括：核心处理单元1、uart接口ⅰ2、uart接口ⅱ3、can接口4、普通以太网收发器ⅰ5、普通以太网收发器ⅱ6、实时以太网收发器7、普通以太网接口ⅰ8、普通以太网接口ⅱ9、实时以太网接口10、sd卡接口15和vme背板接口16；

所述核心处理单元1分别与uart接口ⅰ2、uart接口ⅱ3、can接口4、普通以太网收发器ⅰ5、普通以太网收发器ⅱ6、实时以太网收发器7、sd卡接口15和vme背板接口16连接；所述普通以太网收发器ⅰ5与普通以太网接口ⅰ8连接，普通以太网收发器ⅱ6与普通以太网接口ⅱ9连接；实时以太网收发器7与实时以太网接口10连接；

所述核心处理单元1集成vme标准背板总线硬件协议栈及接口，装载linux平台，用于trdp帧转换与收发，实现车载子系统与列车通信网络的数据传输；

所述核心处理单元1包括fpga芯片和arm处理器，所述fpga芯片与arm处理器通过片上系统axi总线连接。

进一步的，所述核心处理单元1为zynq-7000系列的芯片；具体是型号为xc7z020-2clg400i的芯片。

进一步的，所述fpga芯片上集成标准vme背板总线硬件协议栈和接口，及一路mac层实时ip软核；所述mac层实时ip软核与实时以太网收发器7连接，用于实现实时trdp帧转换和收发；

所述arm处理器装载linux平台，与普通以太网收发器ⅰ5、普通以太网收发器ⅱ6连接，用于实现普通trdp帧转换与收发。

进一步的，所述vme背板总线接口16与列车tcms(traincontrolandmanagementsystem，列车控制和管理系统)相连；所述uart接口ⅰ2和can接口4分别连接车载子系统的bcu、ccu等车辆控制单元或传感器系统。

进一步的，所述核心处理单元1用于实现trdp帧转换与收发，具体为：

所述核心处理单元1根据trdp协议将通过所述的vme背板总线接口16、uart接口ⅰ2、can接口4收到的数据打包成trdp帧，并通过普通以太网收发器ⅰ5、普通以太网收发器ⅱ6或实时以太网收发器7发送普通以太网接口ⅰ8、普通以太网接口ⅱ9或实时以太网接口10；

所述的核心处理单元1根据trdp协议将通过普通以太网收发器ⅰ5、普通以太网收发器ⅱ6或实时以太网收发器7收到的trdp报文提取为普通数据，并通过vme背板总线接口16传输给列车tcms，或通过uart接口ⅰ2、can接口4传输给其连接的列车子系统的bcu、ccu等车辆控制单元或传感器系统。

进一步的，所述核心处理单元1通过uart接口ⅱ3实现车载子系统trdp报文配置及网卡性能配置，具体为：

列车根据ttdp协议初运行后，根据dhcp服务器分配的ip地址初始化本地xml类型配置文件中的ip地址；

核心处理单元1根据vme背板总线接口16、uart接口ⅰ2、can接口4检测车载子系统收发设备数量及报文情况，并根据接收到的配置信息配置列车tcms及相应设备trdp报文的数据类型、报文发送周期、报文发送优先级、报文发送时延、报文发送地址、报文发动模式等；

根据uart接口ⅱ3连接超级终端配置所述列车实时以太网trdp网卡使用情景，即设置是否为强实时性应用场景。

进一步的，所述普通以太网接口ⅰ8和普通以太网接口ⅱ9互为热备冗余关系。

进一步的，所述的核心处理单元1还包括实时时钟校准芯片、qspiflash芯片和两片sdram内存芯片；

所述qspiflash芯片的型号为w25q256，用于存储linux系统的启动镜像；

所述sdram内存芯片是型号为ddr3的sdram内存芯片，用于linux平台运行的内存。

进一步的，所述普通以太网收发器ⅰ5、普通以太网收发器ⅱ6和实时以太网收发器7中均包括型号为rtl8211e-vl的phy芯片；

所述phy芯片分别与所述xc7z020-2clg400i芯片的ps端的数据线和地址线以及pl端连接。

进一步的，所述列车实时以太网trdp网卡还包括led接口ⅰ11、led接口ⅱ12、eeprom接口13和rtc接口14。

本发明所述的基于linux平台的列车实时以太网网卡，相比于现有技术，采用soc技术，进一步提高了网卡片内数据的处理和传输速度，trdp软核协议栈可根据车载子系统配置信息实现在线报文灵活配置，支持pd模式、md模式、sdt模式、ttdp，满足多种编组形式的列车的以太网实时通信要求。进一步的，本发明采用linux软核协议栈，与vme背板总线接口、uart接口、can接口之间设置有隔离缓存，能够保证数据不易丢失，且避免由于恶意网络、病毒入侵等造成车载子系统设备瘫痪，增加了车载子系统设备的安全性。

附图说明

本发明有如下附图：

图1本发明基于linux平台的列车实时以太网trdp网卡的结构示意图；

图2vme背板总线数据传输部分的逻辑示意图；

图3核心处理单元的电路结构示意图；

图4以太网收发器实例电路结构示意图；

图5电源实例电路结构示意图；

图6复位电路实例电路结构示意图；

图7sd卡接口电路实例电路示意图。

图中，1、核心处理单元，2、uart接口ⅰ,3、uart接口ⅱ，4、can接口，5、普通以太网收发器ⅰ，6、普通以太网收发器ⅱ，7、实时以太网收发器，8、普通以太网接口ⅰ，9、普通以太网接口ⅱ，10、实时以太网接口，11、ledⅰ,12、ledⅱ，13、eeprom，14、rtc，15、sd卡接口，16、vem背板接口。

具体实施方式

下面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详细表述，所表述的实施例仅为本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明提供的基于linux平台的列车实时以太网trdp网卡的实施例结构示意图。如图1所示，该列车实时以太网trdp网卡包括：核心处理单元1、uart接口ⅰ2、uart接口ⅱ3、can接口4、普通以太网收发器ⅰ5、普通以太网收发器ⅱ6、实时以太网收发器7、普通以太网接口ⅰ8、普通以太网接口ⅱ9、实时以太网接口10、sd卡接口15和vme背板接口16；

所述核心处理单元1分别与uart接口ⅰ2、uart接口ⅱ3、can接口4、普通以太网收发器ⅰ5、普通以太网收发器ⅱ6、实时以太网收发器7、sd卡接口15和vme背板接口16连接；所述普通以太网收发器ⅰ5与普通以太网接口ⅰ8连接，普通以太网收发器ⅱ6与普通以太网接口ⅱ9连接；实时以太网收发器7与实时以太网接口10连接。

在本实施例中，核心处理单元1包括fpga芯片和arm处理器，fpga芯片和arm处理器通过片上系统axi总线连接，在fpga芯片中集成了标准vme背板总线硬件协议栈和接口，及一路mac层实时ip软核。所述mac层实时ip软核与实时以太网收发器7连接，用于实现实时trdp帧转换和收发。arm处理器装载linux平台，与普通以太网收发器ⅰ5、普通以太网收发器ⅱ6连接，用于实现普通trdp帧转换与收发。

在本实施例中，uart接口ⅰ2和can接口4分别与车载子系统设备连接，vme背板总线接口16与tcms连接，用于接收和发送列车控制或传感器数据信号，核心处理单元1中arm处理器用于根据trdp协议完成ip报文的成帧和解帧。具体为：

在普通应用场景下，核心处理单元1中的arm处理器根据trdp协议，将从uart接口ⅰ2、can接口4和vme背板接口中16接收到的数据打包成trdp报文，从普通以太网收发器ⅰ5、普通以太网收发器ⅱ6或实时以太网收发器7分别通过普通以太网接口ⅰ8、普通以太网接口ⅱ9或实时以太网接口10发送至列车通信以太网；将从普通以太网收发器ⅰ5、普通以太网收发器ⅱ6或实时以太网收发器7中接收的trdp报文根据prp协议进行冗余丢弃后，判断报文周期、时延、内容、ttl等无误后，提取trdp报文中普通数据报文，并根据报文目的地址要求将数据通过uart接口ⅰ2、can接口4或vme背板总线接口16发送给相应设备。

所述普通以太网接口ⅰ8和普通以太网接口ⅱ9互为热备冗余关系，具体为：在可靠性要求高的应用场景下，可将普通以太网接口ⅰ8和普通以太网接口ⅱ9分别接入两个冗余子网，数据发送过程中，pd(processdata，简称pd)报文采用并行消息冗余方式同时从两个网口发送报文至冗余子网，md(messagedata，简称md)报文采用交替消息冗余方式分别从两个网口发送报文至冗余子网；在数据接收过程中，同时从两个网口接收数据，对于pd数据采用prp协议进行冗余丢弃。

在实时性要求较高的场景下，核心处理单元1通过uart接口ⅰ2、can接口4和vme背板接口16实现网卡与车载设备之间的数据交换，通过axi以太网控制器、mac层实时ip软核、实时以太网收发器7、实时以太网接口10实现实时以太网数据包的收发。所述mac层实时ip软核除了完成上述实时以太网数据报文的收发，还用于在强实时组网情境下实现全局实时以太网设备间的时钟同步功能。

在本实施例中，核心处理单元1通过uart接口ⅱ3实现车载子系统trdp报文配置及网卡性能配置，具体为：

a.根据uart接口ⅱ3连接超级终端配置网卡使用情景，即设置是否为强实时性应用场景；

b.在一般应用场景下，列车初运行后，trdp网卡根据dhcp协议向dhcp服务器发送广播帧请求ip地址，trdp网卡在收到的dhcp服务器分配的ip地址中选择适合当前子系统网段的ip地址并向dhcp服务器发送确认报文，dhcp服务器收到确认报文并注册该租约后，trdp网卡配置自身ip地址，并根据该ip地址初始化xml配置文件中的本机ip地址；

c.接收vme背板接口16、uart接口ⅰ2、can接口4报文配置信息包含该接口对应设备报文的数据类型、报文发送周期、报文发送优先级、报文发送时延、报文发送地址、报文发送模式等，并根据配置信息初始化xml配置文件中对话标签；

d.读取xml配置文件初始化trdp网卡。

参见图2，是本发明vme背板总线数据传输部分的逻辑示意图，上位机的cpu板连接vme背板总线接口控制模块，背板总线接口控制模块连接乒乓ram模块，乒乓ram模块连接axi总线控制器。上位机cpu板通过trdp网卡发送数据时，vme背板总线模块在ram1中写入数据时，axi总线控制器模块从ram2中读取数据；vme背板总线模块在ram2中写入数据时，axi总线控制器模块从ram1中读取数据。上位机cpu板通过trdp网卡接收数据时，axi总线控制器模块在ram2中写入数据时，vme背板总线接口模块在ram1中读取数据；axi总线控制器模块在ram1中写入数据时，vme背板总线接口模块在ram2中读取数据。依据这种传输方式，能够保证数据不丢失的前提下，保证连续读写，提高传输速度。

图3是本发明提供的核心处理单元1的一种实施例的电路结构示意图。如图3所示，核心处理单元1包括型号为xc7z020-2clg400i的微处理器；sdram内存芯片是型号为ddr3的sdram内存芯片。核心处理单元1还集成有256mbitqspiflash芯片、实时时钟校准芯片等，具备完整的最小系统功能。

本发明的核心处理单元1中的微处理器装载linux平台，将trdp协议栈及trdp网卡配置功能封装在linux平台中，对linux进行了裁剪，进一步减小系统时延对实时性的影响，能够满足trdp协议对通信实时性要求，trdp报文的成帧和解帧均在linux软核协议栈中完成。为进一步保证trdp报文处理速度，采用armcortex-a9处理器。

另外，本发明为适应多类型接口子系统的应用需求，设置有can-bus总线协议、串口通讯协议(ttl)。trdp网卡可以将从can接口和uart接口接收到的数据报文打包成trdp报文并发送至列车通信网络。linux平台的软核协议栈具有以下特点：

(1)基于实时linux系统，其自带的成熟稳定以太网协议栈，不死机、耐攻击、通信质量可靠；

(2)软件实现了串口/can/以太网驱动层、trdp协议层、应用层分离，可以方便的实现各种应用组合和配置修改；

本举例中核心处理单元1采用型号为xc7z020-2clg400i的微处理器，该处理器分为processorsystem(ps)和可编程逻辑programmablelogic(pl)两部分。pl部分和ps部分直接采用axi总线连接，数据传输速度可以达到600mbit/s，进一步保证核心处理单元内部的传输速度，提高协议栈整体的实时性。

图4是提供的以太网收发器是一种实例电路的结构示意图。如图4所示，本实例通过型号为realtekrtl8211e-vl的以太网phy芯片为用户提供网络通信服务。普通以太网收发器ⅰ5、普通以太网收发器ⅱ6和实时以太网收发器7中均包括型号为rtl8211e-vl的phy芯片；普通以太网收发器ⅰ5和普通以太网收发器ⅱ6的phy芯片连接到核心处理单元1的ps端bank501的gpio接口上，实时以太网收发器7的phy芯片连接到核心处理单元的pl端的bank34的gpio接口上。phy芯片通过rgmii总线接口与核心处理单元1的ps端和pl端的mac层进行数据传输。该型号的phy芯片支持10/100/1000mbps网络传输速率，供电采用3.3v电源供电，选用dc-dc方案。rtl8211e-vl支持mdi/mdx自适应，传输速度自适应，master/slave自适应，支持通过mdio总线进行phy的寄存器管理。rgmii接口像下兼容rmii接口，当网络连接到千兆以太网时，mac层和phy芯片rtl8211e-vl的数据传输时通过rgmii总线协议通信，传输时钟为125mhz，数据在时钟的上升沿和下降样采样。当网络连接到百兆以太网时，mac层和phy芯片rtl8211e-vl的数据传输时通过rmii总线通信，传输时钟为25mhz。数据在时钟的上升沿和下降样采样。而为了保证以太网通信稳定，phy芯片与zynq7000ps系统之间的连接信号的pcb走线做了等长处理。

图5是本发明提供的电源电路的一种实施例的电路结构示意图。如图5所示，本发明的电源电路采用的tlv62130rgtdc-dc电源，通过+5v供电,由四个dc/dc电源芯片tlv62130rgt转化成+3.3v，+1.5v，+1.8v，+1.0v四路电源，每路输出电流可高达3a。具有效率高、电流输出能力强等优点。

图6是本发明提供的复位电路的一种实施例的电路示意图。其微控制器采用的是tcm811微控制器复位监视器，通过手动复位输入为主控制器提供复位信号，具有复位相应速度快、耗电量低等优点。

图7是本发明提供的sd卡接口电路的一种实施例的电路结构示意图。sd卡接口用于sd存储卡的接入。

由上可见，本发明实施例提供的基于linux平台的列车实时以太网网卡，相比于现有技术，本发明采用soc技术，进一步提高了网卡内部数据的处理和传输速度，trdp软核协议栈可根据子系统配置信息实现在线报文灵活配置，支持pd模式、md模式、sdt模式、ttdp，满足多种编组形式的列车的以太网实时通信要求。

进一步的，本发明采用linux软核协议栈，与vme背板总线接口16、uart接口ⅰ2、can接口4之间设置有隔离缓存，能够保证数据不易丢失，且避免由于恶意网络、病毒入侵等造成子系统设备瘫痪，增加了子系统设备的安全性。

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，这些改进均视为本发明的保护范围。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。