朱广超,赵红卫,李洋涛
(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081)
一种UIC列车通信网关的研制*
朱广超,赵红卫,李洋涛
(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081)
符合UIC 556标准的UIC网关是实现列车间互联、互通和互操作的关键核心设备,从分析UIC网关的作用出发,介绍了自主研制的UIC网关的硬件系统和软件系统设计方案,介绍了UIC网关中W T B通信控制器设计、T C N与UIC初运行、T C N实时协议栈与消息路由、UIC映射服务器、过程数据编排等关键技术的设计实现方案。T C N和UIC一致性测试结果验证了自主研制UIC网关的功能和设计方案。
T C N网关;UIC网关;互联互通和互操作
目前,国内外运营的高速动车组、重联的大功率机车以及需要编组的城轨车辆多数采用国际列车网络通信标准IE C 61375-1[1]规定的T C N网络通讯技术实现列车的网络控制,即采用W T B+M V B两级总线结构实现列车的网络控制:连接各节车辆的列车总线W T B和连接各个车辆内部设备的多功能车辆总线M V B两级总线,两级总线间通过W T B/M V B列车通信网关即T C N网关进行连接。T C N网关负责实现列车级网络W T B和车辆级网络M V B之间的通信协议转换,完成两级总线间过程数据、消息数据以及监视数据的交换,当列车根据运营需求进行编组或者解编时,通信网关能识别列车的网络拓扑变化,并根据新的网络拓扑重新配置整车的网络控制系统,从而实现列车间的互联、互通、互操作。
由于T C N网关在IE C 61375标准仅规定了网络应用层以下应遵循的技术规范,对于应用层的交互信息如网关初运行完成时交换的编组信息、车辆寻址算法和正常通信时的通信协议均没有约定,这会造成不同厂商设计制造的列车之间无法实现动态编组和互联互通。为此,UIC组织提出了UIC 556标准[2],它在应用层按照实际运营需求对T C N网关进行了多项约定以确保安装有不同厂商网关产品的列车之间可以直接进行互联互通,这些约定包括UIC初运行、过程数据编组(P D M)、消息数据服务、UIC映射服务(UICM apping Server,U M S)等。UIC网关则是指符合UIC 556标准的T C N网关,它包含了全部T C N通信技术和UIC通信技术,是列车控制网络产品中功能最为复杂的网络设备,同时也是实现动车组之间互通、互联和互操作的关键核心设备。
正是由于UIC网关在列车网络控制系统所处的关键作用,国内外许多厂商和科研机构对此展开了重点研究,国外西门子、庞巴迪、E K E、U niControls、F A R Systems等知名公司都具有自己的UIC网关产品,国内大连理工大学、南车株洲电力机车研究所有限公司、北车大连电力牵引研发中心、北京交通大学、中国铁道科学研究院(简称铁科院)等单位开展了UIC网关的研究,部分单位还开发了相应的网关产品。但由于受国外技术封锁和条件限制,国内对于UIC网关的研究还存在一定的局限性,研制的产品多处于试验室验证阶段,目前还未见到经充分考核验证的UIC网关产品批量装车应用的报道。为此,铁科院机车车辆研究所在已有研究工作的基础上,开展UIC网关的互联互通及一致性测试技术的研究,研制出符合UIC 556标准的UIC网关。介绍自主研制的UIC网关的硬件结构和软件结构,对实现该网关的关键技术进行了分析,并给出了相应的实现方案和测试结果。
研制的UIC网关采用了标准的6 U板卡结构,可以方便集成在中央控制单元的机箱中。网关的硬件结构由图1所示,主要由3部分构成:上层嵌入式CP U模块、W T B通信模块和M V B通信模块,3个子系统模块之间通过地址、数据总线和控制总线等C P U的外部并行扩展总线互联,模块功能分工明确,有利于功能扩展。
上层嵌入式C P U是整个网关的主处理器,运行实时操作系统、T C N协议栈软件、UIC 协议栈软件以及各种网关应用服务程序。整个嵌入式C P U系统采用Atmel公司A R M 9芯片A T91S A M 9263作为系统的主处理器,运行频率为200 M H z,扩展有服务串口、以太网口、U SB、看门狗等通用的接口;同时,对外扩展并行总线,以实现与W T B通信模块和M V B通信模块的数据交换和控制。为提高系统实时性和可靠性,操作系统采用Q N X嵌入式实时操作系统。
图1 网关的硬件结构图
M V B通信模块采用了自主研发的具有二类通信功能的M V B通信网卡,主要完成M V B总线的过程数据、消息数据和监控数据通信功能,并通过通用的PC104总线接口与上层C P U交换数据。M V B网卡包括总线的链路层和物理层电路,其核心的M V B协议控制器采用专用的FP G A编程实现,用于实现曼彻斯特编译码、帧时序控制、数据帧报文分析、M V B交换内存访问控制等功能,对于过程数据通信,最大可完成4 096个逻辑端口的寻址和通讯,并具有宿端口超时监控、数据强制等功能。M V B物理层驱动电路完成M V B数据收发驱动,并支持双线冗余。
图2 W TB模块的功能结构图
W T B通信模块主要完成W T B的过程数据、消息数据和监控数据通信功能,包括实现W T B总线的链路层和物理层(W T B线路驱动单元),W T B模块的主要结构如图2所示。模块的核心是W T B通信协议控制器即W T B C,其功能主要在FP G A芯片上实现,采用了Xilinx公司的Spartan 3 A系列的X C3S400 A芯片实现W T B的通信控制器,并通过通用的P C104总线接口与上层C P U交换数据。W T B通信协议控制器负责实现W T B通讯控制器的各项功能,包括曼彻斯特编码、译码功能、H D L C协议实现、主辅通道切换功能、信号品质监视功能、冗余线路切换功能等。W T B线路驱动单元负责W T B数据收发驱动,支持双线冗余。
W T B C实现W T B网络协议数据链路层的功能,如帧同步、寻址、访问控制和差错控制等。W T B C的内部结构如图3所示,主要包含编码器、译码器、通道冗余控制、报文分析单元、收发缓冲区以及C P U接口逻辑等。编码器将要发送的数据根据W T B协议规定的帧格式进行发送,给传输的数据添加起始分界符,C R C校验码和结束分界符,并在必要的时候完成H D L C的插零操作,信号串行发送;译码器从线路上传输的串行信号解析出起始分界符后,将传输的数据存入接收缓冲区,并进行C R C校验,给出校验结果;通道冗余控制实现线路A和线路B的线路状态监控,完成双线路的冗余切换控制;报文分析单元按照W T B数据帧间距的规定对传输过程中收发数据帧的时序及状态进行控制。发送缓冲区和接收缓冲区实现W T B C和上层CP U之间的数据交换,其中C P U将要发送的数据写入发送缓冲区,由W T B C发送到总线上,同时W T B C将从总线上解码出的数据存入接收缓冲区,供上层C P U读取使用。C P U接口逻辑实现C P U对W T B C的接口访问逻辑,包括总线读写控制和中断控制。
图3 W TBC的内部功能图
由于UIC网关的功能复杂,导致其软件系统内功能模块众多,功能模块之间的关联也十分复杂。按照软件模块化的设计思想,对UIC网关的功能模块进行了划分,其主要的功能模块及关系如图4所示。
图4 UIC网关软件功能结构图
网关的整个软件系统按照层次可以分为3大部分:底层驱动及服务软件、T C N协议栈软件和UIC协议栈软件。软件最底层的是底层驱动及服务软件,主要包括基于Q N X的底层板级支持包BSP、网关调试和服务接口以及网关控制接口等底层驱动模块和服务接口模块。在Q N X实时操作系统的调度下,UIC网关运行T C N协议栈和UIC协议栈应用软件,T C N协议栈软件位于UIC协议栈软件之下,实现网关T C N层面的M V B和W T B网络通讯。T C N协议栈软件由W T B链路层接口模块、M V B链路层接口模块、R T P实时协议(含消息路由)、T C N网络管理T N M组成,UIC协议栈软件由节点工作状态监视模块、节点命名及解析模块、UIC映射服务模块、P D M过程数据编排模块和列车配置管理模块等组成。
2.1M V B和W T B链路层接口模块
M V B链路层接口模块为上层模块提供M V B过程数据、消息数据和监视数据通讯的服务接口,其中过程数据链路层接口可以实现过程数据端口的配置和端口数据的读写操作,消息数据的链路层接口可以在链路层通过源设备地址和目的设备地址实现消息数据的接收和发送,监视数据的链路层接口可以实现M V B设备状态查询和事件仲裁和总线主权转移等功能。通过这些上层服务接口,T C N协议栈和UIC协议栈模块以及其他服务模块可通过网络接口函数对其进行调用。
W T B链路层接口模块为上层模块提供W T B过程数据、消息数据和监视数据通讯的服务接口,上层可通过LPI过程数据接口、L M I消息数据接口和LSI监视数据接口进行访问。其中L PI过程数据接口可以实现发送本节点的W T B过程数据帧,接收其他节点的W T B过程数据帧;L M I消息数据接口可以按W T B协议要求为上层提供消息数据服务,即发送本节点送出的消息数据,接收来自其他节点的消息数据。LSI监视数据接口主要为W T B的初运行功能提供服务接口,实现检测请求/响应、存在请求/响应、状态请求/响应、命名请求/响应、中间节点设定请求/响应、末端节点设定请求/响应等8种报文服务,供上层利用这些监视数据报文实现W T B节点的初运行过程,完成网络的动态配置。
2.2R T P实时协议栈和消息路由
R T P实时协议栈和消息路由是T C N协议栈的核心组成部分,按照T C N标准规定完成网络O SI分层中从网络层到应用层的各层应用及接口。它主要提供两种服务:变量服务和消息服务。
变量服务主要针对确定传输时延的过程数据通信,在R T P中比较简单,主要实现与下层链路层的L PI接口和上层应用层的变量应用A VI接口。
消息服务负责完成消息数据的通信,包括从W T B到M V B或从M V B到W T B的消息路由服务。对于消息服务,R T P协议通过下层的链路层接口L M I和上层应用层接口A M I实现与外部的接口,内部主要的功能实现是网络层、传输层、会话层,而表示层功能比较简单。网络层主要通过站目录、功能目录、组地址目录和节点目录等网络地址信息完成数据包的转递,具体为对流入包,根据数据包中网络层指定的目的地址传送到本站的传输层;对流出包,根据上层传输层指定的目的地址,生成链路层包头,传送给相应的链路层;对于路由包,则根据数据中的目的地址,从一个链路层转发到另一个链路层。传输层负责完成从生产者到消费者之间的一个完整的点对点消息传输过程,完成大数据包的分解与组合、数据包流控、数据包丢失重传等传输控制功能,通过采用滑动窗口的流程控制算法和连接请求包、连接确认包、数据包等7种传输协议包确保消息数据能以正确的次序可靠地传输给消费者。会话层主要是为上层应用提供一对消息服务:1个C A L L消息和1个R E P L Y消息,把应用层发送方的消息封装为会话层的C A L L消息,把应答方的回复消息封装为R E PL Y消息,并通过调用传输层的接口实现这些消息服务。
2.3UIC映射服务器模块的设计及实现
UIC映射服务器(UICM apping Server,简称U M S)负责执行UIC初运行,基于UIC初运行结果生成N A DI(节点地址和属性索引)数据库,控制W T B的网络通信,同时还提供网关服务功能,即允许本地或远程用户控制通信、获取状态信息、拓扑信息以及提供其他多种服务。UIC映射服务器的目的是从上层用户应用的角度对T C N协议栈进行扩充和完善,实现能满足在UIC 556中规定的UIC车辆寻址和组功能寻址方案,以满足UIC规定的互联互通应用需求。UIC映射服务器包含以下模块:
(1)UIC代理者
UIC代理者(UIC A gent,U A G T)主要负责对外部消息报文的处理,将所收到的消息报文转发到U M S内部的其他部分处理。当下层协议栈发送请求服务报文到U M S时,U A G T开始识别包含在消息里的命令,调用U M S内部其他功能模块来执行来自外部的命令,并把处理结果生成应答消息返回给外部。UIC代理者作为通用的U M S应答者为所有交换的UIC报文服务,这些报文都是发往或是来自UIC网关映射服务器函数,以便处理任何UIC映射服务器对象。UIC代理者通过调用T C N协议栈的R T P消息报文服务接口来实现报文消息交换。UIC代理者可以看成是一个报文调度员,它类似于网络管理代理者对于输入的Call_M essages报文进行解码,访问相关的对象实现对应的服务,并使用Reply_M essages将服务结果返回给服务请求者。
(2)N A DI和群组服务器功能模块
N A DI(N ode A ddress&Attribute Directory)和群组服务器(N A DI and Group Server,U N G S)作为U M S的一个内部数据库,存放着关于列车的所有信息,如地址、拓扑结构、组成情况以及单个车辆的属性信息等,并且还提供对数据库的一些操作方法和接口。初运行结束后所生成的数据都由U N G S写入N A DI中,当用户想对N A DI查询的时候,可由U N G S提供的函数接口进行调用查询。U N G S还包含一个组服务器,存放着列车的组信息。某些功能相同的车辆可编成一个组,用户在操作可直接对组操作,而无需重复对单个车辆进行操作,极大提高效率。
N A DI是所有列车描述数据的数据库,因而它包含列车拓扑信息,列车中单个车辆信息和车辆的组成员信息。N A DI可以由UIC的N A DI与组服务器提供的函数访问,因而N A DI是完全用面向对象的方法封装,且数据结构自身对用户是隐蔽的。每发生一次新的初运行,U T B C产生一个N A DI的新版本,该版本可以由上层应用确认,也可以不由上层确认,此新版本存储在N A DI数据库中,可以采用一致且无阻塞的方式并行地读取和改写数据库。
(3)W T B列车总线管理者功能模块
W T B列车总线管理者(UICW T BM anager,U W T M)负责W T B链路层的配置、启动和控制。U W T M模块所提供的服务主要与W T B链路层控制相关,因此,需要通过链路层监控数据接口B M I跟踪W T B的状态。同时,为了正确地启动W T B,U W T M需要从节点工作状态监视模块取得配置数据,并完全自主地完成W T B的控制。U A G T利用U W T M提供的调用接口,完成如改变W T B主模式、初运行控制、头车请求、读取U W T M状态等用户发起的E报文服务,同时为方便控制,U W T M还提供过程数据变量接口,使用户可以实现远程控制和读取状态等功能。
(4)UIC列车总线配置器功能模块
UIC列车总线配置器(UIC Train Bus Configurator,U T B C)U T B C主要负责UIC列车初运行,发送和收集车辆描述符,向节点和车辆分配正确的UIC地址。主要提供以下两个功能:
①T C N初运行结束之后,U T B C计算新的N A DI且直接存储到N A DI数据库中,此算法在一个函数中实现,每次分配一个新的拓扑时,U W T M就调用此函数以计算新的N A DI;
②UIC代理者将接收到的列车配置校正信息传送给U T B C,U T B C利用这些信息对N A DI数据库进行修正更新。如司乘人员通过显示屏输入校正信息后,UIC代理者调用U T B C提供的接口函数将这些信息传送给U T B C供其使用。
初运行数据处理和校正信息处理是两个完全不同的任务,具有不同的函数,且处理不同数据,因此不需要特殊的同步。
(5)UIC智能多播服务器功能模块
UIC智能多播服务器(UIC Intelligent M ulticast Server,UI M CS)可以使一个消息同时发送到多个节点和车辆群组中,完成类似广播的功能。T C N网关一般采用单播机制发送消息报文,而UIC网关中消息的收发服务非常频繁,单播机制则会严重影响消息服务的效率,为此,UI M CS模块通过采取一定技术手段和机制,在不修改T C N网关底层的情况下,通过智能多播服务将单播机制转换成多播机制,可以很大地提升UIC网关的消息服务效率。UI M CS采用T C N单播协议可以将报文以多播方式发送给连接到W T B总线的所有网关。
2.4过程数据编排P D M模块的设计及实现
过程数据编排功能(Process DataM arshalling,P D M)是UIC网关协议中的一个重要组成部分,它负责W T B和M V B两个总线间的过程数据传输,即负责整个列车通信网络中代表着列车运行时状态信息、控制信息以及诊断信息的传输。过程数据编排将一个通信存储器的过程变量编排复制到另一个通信存储器,P D M规定了两种编排方式:输出编排和输入编排。输出编排是将M V B总线通信存储器的变量复制到W T B通信存储器的源端口;输入编排将W T B通信存储器的变量复制到静态配置的M V B总线的通信存储器,形成M V B的源端口。编排时,既可以将一个变量直接从一个通信存储器拷贝到另一个通信存储器,也可以将1个多变量进行某种函数映射后将结果拷贝到另一个通信存储器。同时,根据当前网关节点的状态,P D M可以提供多种编排模式,如主控车编排模式、从控车编排模式以及车辆编排模式等。对于P D M提供控制接口函数pd m_control供UIC映射服务器U M S调用,UIC的U W T M可以通过调用该接口启动和停止P D M以及选择编排的模式。
按照P D M的功能需求,P D M模块可以分为以下子模块:链路层过程数据接口模块、应用层过程变量接口模块、P D M主程序和配置数据库模块。其中链路层过程数据接口模块是由IE C 61375-1标准规定的总线提供给上层协议的过程数据服务。它主要提供端口初始化、包含和移去端口的全部数据集以及与传送整个数据集相关的在链路层上的同步原语。应用层过程变量接口模块定义提供给应用层用户的变量传送服务,该部分只访问通信存储器的端口而不参与总线通信,同时提供对单个变量的服务,而且可以保证发布者将变量写入端口,将在限定的时间内使相同的变量写入预订者相应的端口;P D M主程序是过程数据编组模块的核心部分,它做为一个运行在嵌入式智能设备UIC网关上的一个任务式应用程序,负责着对从W T B总线上到来的数据以及从M V B总线上到来的数据进行过滤、处理、拷贝等一系列工作,它将由定时触发或者是事件消息触发;配置数据库模块描述了过程变量的来源和去向以及网关的端口,即整个过程数据编排的映射关系,P D M主程序利用该配置数据库完成过程数据的编排,该配置数据库的内容主要包含以下几个部分:网关中M V B源端口配置、网关中M V B宿端口配置、网关中W T B源端口配置、网关中W T B宿端口配置、L V R变量端口配置、LIO变量端口配置、ExportList配置、Im portList配置、映射路径配置、数据处理功能配置、变量缺省值配置以及变量极限值配置。
2.5节点工作状态监视模块
节点工作状态监视模块负责处理UIC映射服务器所需的所有配置数据,完成网关的初始化、参数配置、状态监视以及控制工作,包括通过访问网络配置数据库对网关进行初始化配置,配置信息包括消息路由配置、P D M编排配置、U M S配置、W T B端口配置、M V B设备地址列表、M V B端口配置等,这些信息相应地保存在网关的N SDB数据库。
图5 自主研制的UIC通信网关板卡
我们自主研制的UIC通信网关如图5所示,图6为研制的UIC网关集成在标准动车组的中央控制单元机箱中(最左侧板卡)。研制的网关集成在中央控制单元的机箱中,进行了一系列的功能测试,并通过了高低温、振动、电磁兼容等相关的型式试验,已经具备了装车应用的条件。
图6 集成有UIC网关的中央控制单元
为了验证研制UIC网关的功能,我们按照T C N和UIC的一致性测试要求,搭建了测试平台对自主研制的网关分别进行了网关的T C N功能一致性测试和UIC功能的一致性测试。
3.1网关的T C N功能一致性测试
T C N网关的一致性测试主要包括静态特性、物理层测试和数据链路层行为的一致性测试,主要依据IE C 61375-2标准规定的测试方法和评判标准进行。
静态特性一致性测试主要是检查协议实现一致性声明表即PICS表,对声明的值进行一致性检查,检查网关的能力是否与标准中规定的静态一致性要求一致。研制网关的接口和性能指标严格遵循了标准规定,符合静态一致性的各项要求。
物理层的一致性测试是为了验证T C N网关的物理层是否满足标准规定的性能指标,检验网关的基本通信能力。主要的测试项目有:特性阻抗、设备插入损耗、总线开关的接触电阻、发送器的性能、接收器的性能等测试项目,其中重点是设备插入损耗和发送器及接收器的性能测试。研制的网关严格按照测试方法和评判标准,在搭建的一致性测试平台上逐项进行了测试,测试结果全部符合标准的评判标准,成功通过了所有项目的测试。图7是发送器在轻载情况下的测试波形,图8是发送器在重载情况下的测试波形。
数据链路层行为一致性测试的目的是为了检验T C N网关能否正确地进行T C N初运行和W T B通讯,并检验T C N网络数据链路层协议接口是否符合IE C 61375-1标准以及网关基本的互联、互通性能。主要的测试项目有:改变节点强度、改变节点描述符、改变初运行数据、初运行禁止、休眠控制、快速插入、慢速插入、两个编组重联、主设备故障、线路冗余、过程数据通信、特征周期测量、初运行时间测量、基本周期测量等测试项目。为了完成这些测试,利用研制的网关和采购国外成熟的网关集成搭建了如图9所示的测试平台,并采用第3方的W T B网络协议分析仪记录测试过程中的数据帧,通过分析数据帧和检测网络中各网关的状态来检验测试结果。利用该测试平台逐项完成了所有数据链路层行为的一致性测试,测试结果均满足测试标准的要求。
图7 轻载情况下方向1线路A的发送器信号
图8 重载情况下方向1线路A的发送器信号
图9 网关链路层行为的一致性测试平台
3.2网关的UIC功能一致性测试
网关的UIC功能一致性测试主要依据UIC 556-2009标准中规定的一致性测试方法和评判标准进行,测试内容包括确认配置下测试、非确认配置下测试、UIC冗余测试、性能测试、主控车功能测试、禁止初运行功能测试、组功能测试、E报文故障处理测试以及休眠功能测试等9大项内容,根据测试项目不同,需要搭建3种列车配置结构进行测试。为了完成这些测试,按测试要求分别搭建了3种不同列车配置的测试平台,利用W T B网络协议分析仪进行数据记录和功能验证,逐项完成了所有项目的UIC一致性测试,测试结果均满足测试标准的要求。
此外,为了进一步验证网关的互联、互通性能,还与国外成熟网关产品如西门子公司的网关、E K E公司的网关进行了互联互通测试,测试结果表明,研制的网关能与这些国外成熟产品实现互联互通,能成功完成T C N与UIC初运行,并实现R报文和E报文的正常通信。
T C N网关是列车控制网络产品中功能最为复杂的关键网络设备,而在此之上扩充了互通、互联和互操作功能的UIC网关则更为复杂和关键,其在列车网络控制系统中的重要性和研究价值更是不言而喻的,因此开发具有自主知识产权的UIC网关对于打破国外的技术垄断,真正掌握列车互联互通和互操作的核心技术都具有重要的意义。本文基于嵌入式设计技术和E D A可编程技术,采用A R M系统和FP G A设计技术独立自主设计完成了列车通信网关的硬件系统,并基于实时嵌入式操作系统Q N X开发了通信网关的软件系统,重点研究并实现了W T B通信控制器设计、T C N与UIC初运行、T C N实时协议栈与消息路由、UIC映射服务器、过程数据编排等功能。开发的UIC网关通过了T C N和UIC的一致性测试以及相关的型式试验,具备了装车考核的条件,下一步将在动车组上安装考核。
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Develop ment of an UIC Gateway for Train Com m unication
Z H U Guangchao,Z H A O H ong ωei,LI Yangtao
(Loco m otive&Car Research Institute,China Academ y of Railway Sciences,Beijing 100081,China)
The UIC gateway w hich is co m pliant to UIC 556 Leaflet standard is a core device to realize the interconnection,interco m m unication and interoperability between trains.The im portant function of UIC gateway is analyzed at first,and the structure and scheme of the hard ware and software is proposed.The Im plementation of so me key technology involved in the gateway such as W T B Controller design,T C N and UIC Inauguration,Real Time Protocols stacks and M essage Router,UIC M apping Server,Process Data M arshalling etc.,is also introduced.The design scheme and functions of UIC gateway developed by ourselves is validated by the T C N&UIC conformance testing.
T C N gateway;UIC gateway;interconnection interco m m unication and interoperability
T P393.04
A
10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.04
1008-7842(2015)05-0015-07
*中国铁道科学研究院科学基金(2013 YJ011)
朱广超(1971—)男,副研究员(2015-03-31)