朱广超;赵红卫;李洋涛
【摘 要】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WTB通信控制器设计、TCN与UIC初运行、TCN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.TCN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. 【期刊名称】《铁道机车车辆》
网【年(卷),期】2015(035)005
【总页数】8页(P15-21,58)
【关键词】TCN网关;UIC网关;互联互通和互操作
【作 者】染酸朱广超;赵红卫;李洋涛
【作者单位】中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081;中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081;中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081
【正文语种】中 文
特种设备检验检测人员管理系统【中图分类】TP393.04
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（UIC M 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。
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。
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。
cwmpW 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。
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。
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。
2.1 M 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。
阻燃橡胶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。
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