列车网络通信装置及系统的制作方法

1.本实用新型涉及通信技术领域，尤其是涉及一种列车网络通信装置及系统。


背景技术：

2.列车网络控制与监视系统是列车包括速动车组、客车、机车和地铁核心的子系统之一，它指挥列车各个子系统协调工作，同时监视列车子系统的运行状态，保证列车安全稳定运行。目前，国内外运营的列车多数采用国际列车网络通信标准iec61375 规定的tcn(train communication network，列车通信网络)网络通讯技术，实现列车网络控制系统数据通信。tcn网络采用wtb+mvb两级总线结构，即列车级的列车总线wtb(wire train bus，绞线式列车总线)和车辆级的多功能车辆总线mvb (multifunction vehicle bus，多功能车辆总线)两级总线。
3.近几年以太网技术逐渐应用到列车领域，比如国际上的西门子ice3型动车组使用实时以太网作为控车网络，国内cr400系列动车组上使用以太网作为信息数据传输网络，国内cr300系列动车组也使用实时以太网作为控车网络。在需要列车级总线为wtb的动车组和列车级总线为实时以太网的动车组重联的工况下，就需要wtb 和eth(ethernet，以太网)之间的列车通信网关，路由两个动车组的控制和状态数据。目前，对于如何实现wtb网络与以太网之间的通信，尚未提出更好的方案。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种列车网络通信装置及系统，可以把wtb总线上的数据路由到以太网上传输，把以太网数据路由到wtb总线上传输，实现数据在wtb总线和实时以太网上的交换，并且，第一网关和第二网关互为冗余，保证了通信的连续性。
5.第一方面，本实用新型实施例提供了一种列车网络通信装置，该装置包括：第一网关、第二网关、背板和电源模块；所述背板分别与所述第一网关、所述第二网关以及所述电源模块通信连接；所述第一网关和所述第二网关通信连接；所述电源模块，用于通过所述背板为所述第一网关和所述第二网关供电；所述第一网关用于：获取第一列车总线信号，对所述第一列车总线信号进行转换，得到第一以太网信号，将所述第一以太网信号发送至以太网；所述第一网关还用于：获取第二以太网信号，对所述第二以太网信号进行转换，得到第二列车总线信号，将所述第二列车总线信号发送至列车总线；所述第二网关用于：监视所述第一网关的工作状态，当所述第一网关的状态为预设状态时，替代所述第一网关处理所述第一列车总线信号或所述第二以太网信号。
6.第二方面，本实用新型实施例还提供一种列车网络通信系统，该系统包括上述列车网络通信装置。
7.本实用新型实施例带来了以下有益效果：本实用新型实施例提供了一种列车网络通信方案，该装置包括第一网关、第二网关、背板和电源模块；电源模块，用于通过背板为第一网关和第二网关供电；第一网关用于：获取第一列车总线信号，对第一列车总线信号进行
转换，得到第一以太网信号，将第一以太网信号发送至以太网；第一网关还用于：获取第二以太网信号，对第二以太网信号进行转换，得到第二列车总线信号，将第二列车总线信号发送至列车总线；第二网关用于：监视第一网关的工作状态，当第一网关的状态为预设状态时，替代第一网关处理第一列车总线信号或第二以太网信号。本实用新型实施例可以把wtb总线上的数据路由到以太网上传输，把以太网数据路由到wtb总线上传输，实现数据在wtb总线和实时以太网上的交换，并且，第一网关和第二网关互为冗余，保证了通信的连续性。
8.本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
9.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
10.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
11.图1为本实用新型实施例提供的列车网络通信装置结构框图；
12.图2为本实用新型实施例提供的独立冗余列车通信网关结构图；
13.图3a为本实用新型实施例提供的网关结构俯视图；
14.图3b为本实用新型实施例提供的网关结构侧视图；
15.图4为本实用新型实施例提供的网关结构示意框图。
具体实施方式
16.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
17.目前，为了实现数据在wtb总线和实时以太网上的交换，一些机车上采用了 wtb/mvb+mvb/eth的网络结构，wtb/eth列车通信网关可以省略中间层mvb。目前国内外，对wtb/eth网关的研究和产品还比较少，没有一个wtb网络转eth 网络的成熟产品。
18.基于上述国内外的情况，以及列车网络控制系统产品小型化、模块化的趋势，本实用新型实施例提供的一种列车网络通信装置及系统，该装置可采用3u插箱结构的独立冗余wtb/eth列车通信网关，遵循iec61375标准，实现wtb通讯功能，完成tcn初运行和过程数据、消息数据、监视数据的发送和接受，通过tcn一致性测试，能够与符合iec61375标准的其他tcn网关互联互通。
19.为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种列车网络通信装置进行详细介绍。
20.本实用新型实施例提供了一种列车网络通信装置，参见图1所示的一种列车网络
通信装置结构框图，该装置包括：
21.第一网关10、第二网关20、背板40和电源模块30；背板分别与第一网关、第二网关以及电源模块通信连接；第一网关和第二网关通信连接；电源模块，用于通过背板为第一网关和第二网关供电；第一网关用于：获取第一列车总线信号，对第一列车总线信号进行转换，得到第一以太网信号，将第一以太网信号发送至以太网；第一网关还用于：获取第二以太网信号，对第二以太网信号进行转换，得到第二列车总线信号，将第二列车总线信号发送至列车总线；第二网关用于：监视第一网关的工作状态，当第一网关的状态为预设状态时，替代第一网关处理第一列车总线信号或第二以太网信号。
22.在本实用新型实施例中，列车总线可以是wtb总线。第一网关和第二网关互为冗余，正常工况下，一个网关模块激活另一个网关模块备用，激活的网关模块故障时，备用网关模块迅速激活进入工作状态。第一网关和第二网关可以通过背板硬线实现通信连接。第一网关和第二网关都可支持wtb总线上的数据和以太网总线上的数据相互传输。
23.当将第一网关作为主网关时，该装置依靠第一网关实现数据在wtb总线和实时以太网上的交换。第二网关监视第一网关的工作状态，当第一网关的状态为预设状态时，第二网关作为主网关替代第一网关工作。需要说明的是，预设状态可以根据实际需求进行设置，例如，可以设置为中断状态或故障状态。因此，第一网关和第二网关互相作为备份，保证通信的连续进行。
24.另外需要说明的是，第一以太网信号和第二以太网信号，都是可以在以太网上传输的波形信号，是实时周期性传输的通信数据，例如，至少可以包括控车数据、状态数据等；第一列车总线信号以及第二列车总线信号是可以在wtb总线上传输的波形信号，是实时周期性传输的通信数据，例如，至少可以包括控车数据、状态数据等。
25.本实用新型实施例提供了一种列车网络通信方案，该装置包括第一网关、第二网关、背板和电源模块；电源模块，用于通过背板为第一网关和第二网关供电；第一网关用于：获取第一列车总线信号，对第一列车总线信号进行转换，得到第一以太网信号，将第一以太网信号发送至以太网；第一网关还用于：获取第二以太网信号，对第二以太网信号进行转换，得到第二列车总线信号，将第二列车总线信号发送至列车总线；第二网关用于：监视第一网关的工作状态，当第一网关的状态为预设状态时，替代第一网关处理第一列车总线信号或第二以太网信号。本实用新型实施例可以把 wtb总线上的数据路由到以太网上传输，把以太网数据路由到wtb总线上传输，实现数据在wtb总线和实时以太网上的交换，并且，第一网关和第二网关互为冗余，保证了通信数据的安全性。
26.在一个实施例中，电源模块包括第一供电单元和第二供电单元；第一供电单元，用于为第一网关和第二网关供电；第二供电单元，用于与第一供电单元同时，为第一网关和第二网关供电。
27.在本实用新型实施例中，电源模块包括第一供电单元和第二供电单元双路电源，支持双路直流110v转5v，支持输入反接保护防止极性颠倒，支持输入欠压保护功能，输出过压、过流、短路保护功能。每一路电源通过背板同时给两个网关模块供电。当一路电源故障时，另一路电源仍然可以为两个网关模块提供电源。
28.在一个实施例中，第一网关包括多个第一输入接口和多个第一输出接口；第二网关包括多个第二输入接口和多个第二输出接口；多个第一输入接口与多个第二输出接口通
信连接；多个第一输出接口与多个第二输入接口通信连接。
29.在本实用新型实施例中，第一输入接口、第一输出接口、第二输入接口和第二输出接口的个数，可以按照实际需求进行设置，本实用新型实施例对此不作具体限定。例如，每个网关可以包括十个接口，其中，五个输入接口和五个输出接口。第一网关利用第一输出接口输出第一网关的状态，以便第二网关利用第二输入接口获取第一网关的状态；第一网关通过第一输入接口从第二网关的第二输出接口获取第二网关的状态。两个网关可以相互获取彼此的状态。
30.在本实用新型实施例中，利用五个输入接口和五个输出接口，网关可以实现在背板扩展五个数字量输出信号和五个数字量输入信号。输出信号包括：状态正常信号 ok_out，网关激活信号active_out，两个网关心跳信号hbt0_out和hbt1_out和复位伙伴网关信号reset_out。输入信号包括：伙伴网关模块状态正常信号ok_in，伙伴网关模块激活信号active_in，两个伙伴网关模块心跳信号hbt0_in和hbt1_in，和网关位置信号pos_in。网关位置信号pos_in区分两个网关模块的位置，通过高低电平配置。网关心跳信号hbt0_in和hbt1_in包括两根硬线，必须是一根高电平时另一根低电平，不能同时为高电平或低电平。网关模块启动后自检完成并进入工作状态，设置状态正常信号ok_out，两个心跳信号hbt0_out和hbt1_out开始周期性跳变；主网关激活后，设置网关激活信号active_out，伙伴网关模块读取到主网关激活信号active_in后，进入备用状态。当备用网关监视到主网关工作故障时，比如主网关的状态正常信号ok_in被清除，或者主网关心跳信号hbt0_in和hbt1_in长时间不跳变或者同时为低电平或高电平时，进入激活状态设置active_out，并通过reset_out信号复位伙伴网关模块，且让伙伴网关模块进入备用状态。从而通过硬线信号实现网关冗余切换功能。
31.在一个实施例中，第一网关和第二网关，分别包括：控制模块11、列车总线驱动模块12和以太网驱动模块13；列车总线驱动模块与控制模块通信连接，用于获取第一列车总线信号，将第一列车总线信号发送至控制模块；控制模块与以太网驱动模块通信连接，用于接收第一列车总线信号，对第一列车总线信号进行转换，得到第一以太网信号，将第一以太网信号发送至以太网驱动模块；以太网驱动模块用于接收第一以太网信号，将第一以太网信号发送至以太网；以太网驱动模块还用于获取第二以太网信号，将第二以太网信号发送至控制模块；控制模块还用于接收第二以太网信号，对第二以太网信号进行转换，得到第二列车总线信号，将第二列车总线信号发送至列车总线驱动模块；列车总线驱动模块还用于接收第二列车总线信号，将第二列车总线信号发送至列车总线。
32.在本实用新型实施例中，控制模块分别与列车总线驱动模块、以太网驱动模块通信连接。利用列车总线驱动模块获取wtb总线上的列车总线信号，经控制模块对信号进行转换后，得到以太网信号，再将以太网信号经以太网驱动模块发送至以太网，从而支持能够把wtb总线上的数据路由到以太网上传输。
33.本实用新型实施例还可以利用以太网驱动模块获取以太网上的信号，经控制模块对以太网信号进行转换后，得到总线信号，再将总线信号经列车总线驱动模块发送至 wtb总线上，从而实现把以太网数据路由到wtb总线上传输。
34.需要说明的是，在本实用新型实施例中，第一网关包括控制模块、列车总线驱动模块和以太网驱动模块，第二网关也包括控制模块、列车总线驱动模块和以太网驱动模块。
35.在一个实施例中，参见图4所示的列车网络通信装置结构示意框图，控制模块包括应用处理单元21和逻辑控制单元22；应用处理单元和逻辑控制单元通信连接；逻辑控制单元包括以太网子单元221和列车总线子单元222；列车总线子单元与列车总线驱动模块通信连接，用于从列车总线驱动模块获取第一列车总线信号，或向列车总线驱动模块发送第二列车总线信号；以太网子单元与以太网驱动模块通信连接，用于从以太网驱动模块获取第二以太网信号，或向以太网驱动模块发送第一以太网信号。
36.在本实用新型实施例中，控制模块包括应用处理单元和逻辑控制单元。例如，可以设置控制模块的处理器分为ps(processing system)部分和pl(programmable logic) 部分，其中，ps部分作为应用处理单元，pl部分作为逻辑控制单元。ps和pl之间通过内部总线传输数据，例如，可以利用axi(advanced extensible interface，总线协议)高速通信总线，减少了传统cpu+fpag(field programmable gate array，现场可编程逻辑门阵列)结构中两个控制器中间通信的损耗。
37.需要说明的是，ps部分可以运行实时操作系统qnx和各种硬件驱动，还可以运行tcn协议栈软件、以太网协议栈、trdp(train real
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time data protocol)协议层、应用程序和服务软件等。pl部分实现wtb通信协议控制。本实用新型实施例可以使用实时操作系统qnx，实时性能够到达毫秒级的精度。
38.需要说明的是，在本实用新型实施例中，控制模块可以采用赛灵思公司的 zynq7000系列soc(system on chip，系统级芯片)作为主处理器。
39.另外需要说明的是，在本实用新型实施例中，控制模块可以采用赛灵思公司的 zynq7000系列soc(system on chip，系统级芯片)作为主处理器。本实用新型实施例采用的zynq 7000soc，是集应用处理模块和逻辑控制模块一体的芯片，相比来说，传统的方案是一个cpu芯片+fpga芯片两个芯片的这种实现方案。本实用新型实施例一个芯片的优点在于数据传输速度快，控制方式安全稳定，便于编程开发、调试、测试等；同时取消fpga相关电路，减少pcb板面积。
40.在本实用新型实施例中，列车总线驱动模块实现wtb总线的物理层，把从总线上接收的波形信号编码成hdlc(high
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level data link control，高级数据链路控制) 信号传递给列车总线子单元，或者把列车总线子单元中数据帧转换成波形发送到总线上。以太网驱动模块实现以太网的物理层，把从以太网线上接收的波形信号编码成 hdlc信号传递给以太网子单元，或者把以太网子单元中数据帧转换成波形发送到以太网线。
41.在一个实施例中，参见图4所示的列车网络通信装置结构示意框图，以太网子单元包括第一通信部分2211和第二通信部分2212；以太网驱动模块包括第一通信单元 131和第二通信单元132；第一通信部分与第一通信单元通信连接；第二通信部分与第二通信单元通信连接。
42.在本实用新型实施例中，第一通信部分与第二通信部分互为冗余，第一通信单元和第二通信单元互为冗余，即实现数据的相互备份，第一通信部分与第一通信单元通信连接；第二通信部分与第二通信单元通信连接，从而实现两条线路传输同样的数据，进而保证数据传输的安全性，降低数据丢失或传输中断的风险。
43.需要说明的是，也可以根据实际需求增加以太网子单元包括的通信部分个数，和以太网驱动模块包括的通信单元个数，具体设置的个数，本实用新型实施例在此不作具体
限定。另外需要说明的是，为了合理利用资源，保证通信数据的传输，可以设置太网子单元包括的通信部分个数和以太网驱动模块包括的通信单元个数相同。
44.在一个实施例中，第一通信部分包括第一mac控制器和第一dma控制器；第二通信部分包括第二mac控制器和第二dma控制器。
45.在本实用新型实施例中，每一个通信部分由一个mac控制器和一个dma控制器组成，在以太网子单元设置两个通信部分。
46.例如，本实用新型实施例在pl部分用fpga实现了2组以太网mac控制器和 dma控制器，属于osi(open system interconnection reference model，开放式系统互联通信参考模型)七层协议的数据链路层，提供数据寻址、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能，通过rmii(reduced mediaindependent interface)接口与以太网驱动模块的phy(port physical layer，端口物理层)芯片连接，实现以太网链路层和物理层的通信。这两组以太网mac控制器用来传输trdp通信数据。
47.需要说明的是，在pl部分可以用fpga实现列车总线子单元，即wtb通信控制器(wtbc)，负责实现wtb通讯控制器的各项功能，包括曼彻斯特编码、译码功能、hdlc协议实现、主辅通道切换功能、信号品质监视功能、线路干扰诊断功能、冗余线路切换功能等。wtbc通过axi总线和ps部分的wtb驱动通信，wtb驱动通过共享内存和寄存器控制wtbc的运行和获得wtbc的状态，wtbc通过中断的方式通知wtb驱动接收到总线上数据或者有其他事件发生。
48.在一个实施例中，参见图4所示的列车网络通信装置结构示意框图，以太网驱动模块还包括第三通信单元133，第三通信单元与应用处理单元通信连接；第三通信单元用于获取服务和维护数据，将服务和维护数据发送至应用处理单元，以使应用处理单元根据服务和维护数据进行数据更新和软件维护。
49.在本实用新型实施例中，服务和维护数据可以用于维护或更新应用处理单元中安装的各类软件。服务和维护数据可以在有需求时，由第三通信单元从以太网获取，第三通信单元与应用处理单元通信连接，从而将服务和维护数据发送至应用处理单元，方便应用处理单元进行数据更新和软件维护。
50.例如，以太网驱动模块包括三个通信单元，其中一个通信单元与应用处理单元通信连接，用于传输服务和维护数据，另外两个通信单元与逻辑控制单元中以太网子单元包括的两个通信部分通信连接，用于传输通信数据。利用第三通信单元，实现了系统和应用日志记录功能，网关的配置和维护功能，软件升级功能，以及网关设备状态查询功能等。
51.在一个实施例中，第一通信单元、第二通信单元和第三通信单元，分别包括：phy 芯片和m12接口。
52.在本实用新型实施中，每个通信单元都包括phy芯片和m12接口。phy芯片包括mii(介质独立接口)子层，pcs(物理编码子层)，pma(物理介质附加)子层， pmd(物理介质相关)子层和mdi子层。它符合ieee
‑
802.3规范，支持10m核100m 全双工工作模式。发送数据时，phy收到以太网子单元中mac的数据，把并行数据转化为串行流数据，按照物理层的编码规则把数据编码,变为模拟信号把数据送到以太网线上。接收数据时，phy收到以太网线的数据，把串行流数据转化为并行数据，按照规则把数据解码，把数据发给以太网子单元的mac层。phy还具有以太网线上数据帧冲突检测功能。
qspi驱动、emmc驱动、串口驱动、通用以太网驱动等等。实现了axi以太网驱动访问和控制pl端以太网ip核，实现了wtb驱动程序访问和控制pl端wtbc。
66.本实用新型研制访问和控制pl端实现的以太网mac的axi以太网驱动，通过内存映射把以太网ip核映射到驱动的内存空间，使用内存访问方式来读写以太网ip 核的寄存器和存储空间。
67.qnx网络设备驱动模块处于网络硬件和网络管理模块之间。驱动模块负责配置硬件，启动或停止硬件工作，接收和发送数据，向网络管理模块报告数据收发情况，并接受网络管理模块的调度和管理。
68.本实用新型实施例研制访问和控制pl端wtbc的wtb驱动程序，wtb驱动处于应用程序和wtbc之间，负责管理和配置wtbc，完成tcn初运行，实现列车编组动态配置，同时为应用程序提供读写过程数据、消息数据和监视数据的服务接口。 wtb驱动通过内存映射把wtbc映射到驱动的内存空间，使用内存访问方式读写 wtbc的寄存器和存储空间。wtb驱动和wtbc通过双口ram方式交换数据，并采用缓存分页机制，读操作和写操作分别作用于不同的缓存页上，避免读写冲突。
69.本实用新型实施例实现了基于iec61375标准的的rtp协议栈，提供wtb网络的变量服务和消息服务。
70.本实用新型实施例实现了trdp协议，提供以太网实时数据包括过程数据和消息数据的通信服务。
71.本实用新型实施例实现了wtb数据和trdp数据的转换。对于消息数据，wtb 消息数据和trdp消息数据直接路由传输，即wtb总线上的消息数据直接转发成 trdp消息，trdp消息直接转发成wtb消息。对于过程数据，wtb总线上一帧过程数据长度最多128字节，一帧以太网trdp数据可以包括1500字节。对此在wtb 总线上，采用了分时分页机制；根据数据的重要性和实时性，把数据分成若干组；重要的数据为一组，每个基本周期都传输；次要的数据分成m组，每个周期传输一组，次要数据的周期就为基本周期的m倍；普通数据分成n组，每个周期传输一组，普通数据的传输周期为基本周期的n倍；每个传输基本周期，各种数据每次取一组，经过crc校验后作为一页存放在wtb的数据帧中，数据总量不能超过128字节，发送到wtb总线上。对于以太网trdp数据，根据数据的重要性和实时性，把数据分成若干组，重要的数据采用短周期传输，普通数据采用长周期传输，保证网络的负载率在合理范围。
72.本实用新型实施例提供了一种列车网络通信装置及系统，该装置可以支持wtb 数据通信功能和实时以太网通信功能，实现数据在wtb总线和实时以太网上的交换。
73.本实用新型实施例还提供了一种列车网络通信系统，该系统包括上述任一种列车网络通信装置。
74.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要
求的保护范围为准。