以太网技术在列车通信网络中的应用探究

王中尧

[摘 要]目前，已有列车通信网络无法满足传输信息的需求，在这样的情况下，将同时共存工业以太网和CAN总线的方案提出来具有非常重要的作用。基于此，本文对这种方案和列车通信网络的组成进行了具体的研究与分析。

[关键词]以太网技术；列车通信网络；CAN总线

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.16.066

[中图分类号]TP 393；U285.5 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2018）16-0-02

传统的现场总线已经无法满足当前列车传输信息的要求，所以逐渐将工业现场总线应用在列车系统中，部分国内列车将CAN和RS485等现场总线在已有列车通信网络的基础上引入，但是由于以太网具有特殊的通信机制和复杂的列车环境，导致其应用并不广泛。另外，传统工业现场总线具有较高的实时性和抗干扰性，但依然存在许多问题，如较低的通信速率和较少的传输数据量、只支持单一的网络拓扑，这会在很大程度上影响组网的灵活性，在数据交换中需要专门的网关设备等，这些问题都导致列车信息传输的需求无法得到满足。所以具体研究以太网技术在列车通信网络中的应用具有非常重要的现实意义。

1 共存工业以太网与CAN现场总线的方案

1.1 比较工业以太网总线和CAN总线

应用在不同的工业信息化网络领域，是工业以太网和CAN总线最明显的差别。目前，主要在最上层的企业信息管理网络和中间过程的监控网络中应用工业以太网，这些网络终端设备之间具有相对较长的交换信息的报文和较大的数据吞吐量，所以这就需要很大的网络宽带，但是在实时性方面并没有严格的要求，所以主要由工业以太网组成该部分。一般在底层现场设备层网络应用CAN现场总线，其与工业以太网的要求正好相反，即严格要求通信具有实时性，但是并没有严格的网络传输的吞吐量要求，而且其具有较小的开发难度。信息是CAN总线协议的基础，所以节点模块容易被通信网络增删，不需要改动整个系统。多个节点可以同时收到一组报文信息，其是支持远程工作的，节点可以向别的节点直接请求相应的数据，而且具有严重故障的节点可以从总线中自动退出，并不会影响总线上其他节点的正常工作。在实际的工艺控制现场中，一般控制信号只控制少量的信息，而通过对CAN现场总线系统进行合理应用，不但可以更好地实现实时传输的目标，而且具有很高的传输效率。

1.2 车辆总线网的组成部分

工业底层控制的通信网络主要是CAN总线，其性质和特点与车辆总线的通信要求非常相符，所以一般将CAN总线应用到车辆总线中，系统使用模拟量和数字量两种方式监控这些设备的控制量。

1.3 列车总线网的组成部分

列车编挂的数量往往大于18辆，整个系统需要监控较多的对象，所以具有较大的网络通信量。除此之外，由于会随时调整列车的编组情况，所以要按照设定器中设定的车号和编组情况动态配置网络监控系统，其主要目的是可以与不同列车的编组情况相适应，而以太网技术可以满足这样的要求。

2 列车通信网络的组成要素

在列车通信网络系统中，底层通信网络的通行方式主要以CAN总线为主，其主要是对车厢内的电气控制设备进行连接，上层网络与远程监控主机的连接是通过工业以太网实现的。CAN总线和工业以太网之间的协议转换是通过CAN/以太网网关与CAN现场控制网络和以太网监控网络实现的，通过以太网向监控中心传输通信数据，使实时监控的目标得以实现。

2.1 设计系统硬件

CAN以太网网关是工业以太网和CAN现场总线网络互联的主要依据，主要由CAN数据收发系统和以太网接口电路两部分构成硬件结构，其中前者主要包括DSP芯片、CAN总线控制器等，后者主要包括DSP芯片和以太网控制芯片。两个电路的核心都以DSP芯片为主，由转换以太网和CAN总线通信协议的嵌入式系统共同组成。在整个系统中，CAN总线控制器和以太网控制芯片收发数据的工作、整个系统的正常运行、CAN总线和TCP/IP协议等工作都是由微控制器统一负责的。在该系统中，微控制器主要使用的是TI公司的DSP处理器TMS320F206，以太网控制芯片主要使用的是RTL8019AS。

跳线模式、RT模式和PnP模式是RTL8019AS主要的接口模式，其中跳线模式是该系统主要使用的，向高电平直接连接JP，向低电平中连接IOS0-IOS3，300H为设置的I/O基地址，与ISA总线兼容是RTL8019AS总线接口所具备的特征之一，所以其可以直接连接DSP。

2.2 设计系统软件

2.2.1 CAN以太网网关模型

CAN以太网网关模型主要包括两个通信协议和完全不同结构的网络，主要工作是接收封裝的信息传输格式，在这样的情况下，网络需要在开放系统互联OSI的几个层次上运行。国际标准化组织为了实现开放体系系统互联的目标而建立的模型就是OSI，其主要目的是将共同的基础和标准框架提供给异种计算机进行互联是。应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链接层和物理层是OSI从上到下的层数情况，但是以太网和CAN模型只是支持OSI定义的7层结构中的某些层。对于OSI模型中的会话层和表示层，以太网的网络模型中并没有与此相对应的层次，而且其定义的数据链层也区别于OSI模型中所定义的，其主要是由两个子层构成，即扩逻辑链路控制和介质访问控制，其中封装和拆装数据是逻辑链路控制的主要功能，对访问的传输介质进行控制是介质访问控制的主要功能。从标准的CAN总线方面来说，其只是对OSI模型中的最低两层进行支持，其总线的数据链路层与以太网相同，但是CAN总线中对于应用层并没有定义，对于应用层中的协议需要自己定义。从网关方面来说，其需要具备以下几点功能：一是能够读取和发送以太网和CAN网上的数据，因此以太网和CAN网络模型的网络层次是必须具备的；二是其需要重新封装以太网和CAN数据，因此网关的应用层需要对管理协议进行定义。

2.2.2 协议转换过程

操作软件的流程如下所示：当连接在CAN总线上的设备将数据发送到以太网以后，数据首先会被发送到网关，这是通过CAN接口电路实现的，之后通过对应用层中对应层序的合理应用，及时提取需要传送的数据，然后在TCP和IP层所需要的信息中添加相应的数据。经过封装的数据被DSP处理器发送到以太网控制芯片RTL8019AS，由于RTL8019AS是实现物理层和逻辑链路层的主要基础，因此RTL8019AS会自动添加以太网物理层和逻辑链路层需要的相关信息，之后再传送到以太网上，这个过程主要是通过物理接口实现的，这时通过网卡可以接收CAN总线设备传递过来的信息。反之，当监控中心将控制信息发送到总线上时，其会先向控制器RTL8019AS发送数据，TMS320F206接收数据以后，会及时提取实际要传送的数据取，之后进行封装，使其与CAN总线数据格式相符合，最后通过CAN总线向网络中的现场设备发送相关的数据。在这个过程中，CAN以太网的网关协议可以通过开源实时嵌入式操作系统来完成，也可以通过可裁减的1wIP来实现，从而不仅可以为系统的高实效性提供保障，同时可以有效提升网关设计的灵活性。另外，通过对扩展帧报文符进行重新定义，可以使CAN应用层协议得以实现，同时将提出的转换协议根据地址进行转换，可以实现维护协议转换和网络连接的目标。

3 结 语

共存工业以太网与CAN现场总线的方案，不仅具有成本低和快捷的优点，同时也具有较高的可靠性，而且该方案能够充分发挥工业以太网和CAN现场总线的优势，可以更好地实现列车通信网络连接的目标。在研究中发现，这种方案不仅大大提升了设备底层通信中的灵活性、可靠性和实时性，同时可以满足列车总线对大容量数据进行传输的需求，还具有非常方便的组网，同时也非常容易实现与地面以太网的连接，所以在实际工作中应该广泛应用该方案。

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