工业以太网在列车网络中的应用设计

黄 轶，胡鹏飞

（西南交通大学电气工程学院，1.硕士研究生；2.副教授，四川 成都 610031）

以太网技术的思想渊源最早可以追溯到1968年。以太网的核心思想是使用共享的公共传输信道。以太网是指遵循IEEE 802.3标准，可以在光缆和双绞线上传输的网络。以太网也是当前主要应用的一种局域网类型。工业以太网技术是商用以太网技术在控制网络延伸的产物，前者源于后者但不同于后者。其在技术上与商用以太网（IEEE802.3标准）兼容，但材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要。

工业以太网提供了针对控制网络数据传输的以太网标准，有很高的网络安全性、网络带宽、可操作性和实效性，完全满足列车网络的发展需求，同时克服了现有列车网络总线传输速度低、组网拓扑结构单一等缺点，非常适合在列车网络中应用。为此，对其应用设计进行相应的研究。

1 应用的可行性

1.1 以太网在列车网络中具有优势目前，以太网技术在列车控制系统领域中还没有得到充分应用。而与其他现场总线相比，工业以太网在列车网络中具有突出优势。

1.1.l应用广泛 基于TCP/IP协议的以太网是一种标准的开放式网络，这种特性非常适合于解决列车设备兼容和互操作的问题。

1.1.2 数据传输率高 传输率可达到10～100 Mbps，能为列车网络通信提供足够的带宽。

1.1.3 容易与信息网络集成 集成后可有利于资源共享。

1.1.4 成本和费用低廉 以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持，相对于目前使用的ARCNET，TCN等列车网络，其硬件价格相对低廉得多。

1.1.5 可持续发展潜力大 列车控制网络采用以太网，可以与信息网络技术互相促进，共同发展，无需单独投入研究资源。

1.1.6 支持多种的物理介质和拓扑结构 以太网支持多种传输介质，支持总线型和星型拓扑结构，可扩展性强，同时可采用多种冗余连接方式，提高网络的性能。

1.1.7 软硬件资源丰富 由于以太网在很多领域已应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉〔1〕。

1.2 工业以太网可与现有现场总线相结合工业以太网在列车控制系统中的应用形式有2种，一种是工业以太网为主，全车使用以太网对列车进行控制。另外一种是工业以太网与现有现场总线相结合的应用方式。但就现阶段技术条件而言，以太网全面替代现有的列车网络现场总线还存在大量问题，需要更深入地研究。因此，目前以太网技术在铁路上的应用主要是与现场总线相结合的方式〔2〕。

我国列车网络大多采用CRH1/3/5的TCN标准，即WTB/MVB连接。其中MVB总线负责同一个车辆内各个功能控制单元之间的数据通信，它是一种专用总线网络，其适用范围、供货商、经济性均存在一定问题。因此，在保证原有的车辆MVB网络结构和主要功能不变的情况下，将工业以太网与MVB相结合，建立通信网关，在列车上增加以太网设备，部分替代MVB总线网络的功能，是一种现实可行且有益的尝试。

2 接口设计

要实现列车的以太网设备与MVB设备之间的数据交换，网络系统需要具有MVB-以太网网关及以太网接口。而MVB-以太网网关的设计在前期工作中已经实现。因此，只需对列车中作为以太网节点的车辆设备接口进行设计。设计是基于单片机与以太网控制器进行的。

2.1 网络系统结构工业以太网与MVB总线相结合的网络系统，包括MVB总线网络和工业以太网网络2个子网。MVB总线作为列车的主控网络，调节列车的主要控制单元的运作。工业以太网进行一些辅助控制功能。

由于MVB总线与以太网是两种异构网络，要具体地实现车辆中的以太网中设备与MVB总线中设备之间的数据传输，需要通过MVB-以太网网关和以太网接口，进行2个网络间数据和协议的转换。

通信过程如下：以太网车辆设备的数据通过以太网接口及MVB-以太网网关将以太网数据转换为MVB数据，并发送到MVB总线上的MVB设备中。反之亦然。整体结构如图1所示。

图1 系统结构图

2.2 以太网设备接口硬件设计以太网接口硬件的功能是由单片机和以太网芯片来实现的。利用单片机控制以太网控制器进行数据传输是最经济的以太网接口方案〔3〕。考虑到实际使用环境和价格，选择网络控制器RTL8019AS与单片机芯片80C51来设计以太网接口电路。略去车辆设备中的其它数据采集和控制模块。以太网接口电路框图如图2所示。

图2 接口电路系统框图

图2中，80C51单片机是整个系统的主控芯片，用于控制网络控制器发送数据和对网络控制器传送过来的数据进行处理。与单片机连接的网络控制器和RAM（随机存取存储器），分别完成以太网数据的接收与发送功能和通信数据存储功能。由于电路和网络中存在一定的干扰噪声，需要隔离滤波器与网络控制器相连，以提高网络控制器接收和发送数据的可靠性。而网络收发器则实现整个接口电路与以太网网络的物理连接。

接口电路的各个模块具体介绍如下：

1）80C51单片机。80C51系列单片机是一种大规模集成电路芯片，将CPU，ROM，I/O接口和中断系统结合于同一硅片的器件。它带有非易失性Flash程序存储器，可用于多机通信I/O扩展。

该系统中通过单片机控制以太网控制器实现以太网接口的通信功能。

2）RTL8019AS网络控制器。以太网接口的网络控制器采用台湾Realtek公司生产的高集成度的全双工以太网控制器芯片。它是低功耗CMOS芯片，可以与很少的外围电路一起完成网络数据的发送和接收功能。

该系统中通过RTL8019AS实现以太网网络底层协议。

3）随机存取存储器RAM。用于扩展存储通信的数据量，同时提高数据传输速度。

4）隔离滤波器与网络收发器。隔离滤波器LAN7236用于实现以太网上各节点的电气隔离。网络收发器RJ45用于网络控制器与非屏蔽双绞线的连接。

2.3 以太网设备接口软件设计要完成车辆设备以太网接口的网络通信功能，还需要进行TCP/IP协议栈和相关的驱动程序设计。

2.3.1 驱动程序设计 驱动程序是一组子程序，用于屏蔽底层硬件处理细节，同时向上层软件提供硬件无关接口。

以太网芯片驱动程序主要作用是，对以太网控制器中的各种寄存器进行配置，使数据按照相应的方式发送和接收。驱动程序的基本功能包括初始化和释放，以及收发数据包。基本流程框图如图3所示。

图3 驱动程序流程图

要实现RTL8019AS的通信功能，首先需要对其进行初始化。初始化主要是对相关的寄存器进行配置。这些寄存器包括中断使能寄存器，物理层配置和使能寄存器，配置寄存器，地址寄存器。

初始化可完成以太网的物理地址，以及发送缓冲区起始页面地址寄存器的设置。当以太网络中接收有数据时，自动将数据存入接收缓存寄存器，然后单片机读取接收缓冲区的数据。

发送数据时，单片机将需要发送的数据包写至RTL8019AS片内发送缓冲区，并完成数据的发送。

现阶段用于以太网通信的数据大多是车辆设备状态信息和控制指令，用查询方式已经可以完全满足信息传输的需要。如图3中，CPU循环检查以太网的状态，响应系统命令和中断，从而保证数据的接受和发送。

2.3.2 TCP/IP协议 TCP/IP协议是一套把因特网上的各种系统互连起来的协议栈〔4〕。如图4所示。其层次结构有应用层、传输层、网络层和网络接口层。

由于该文中采用单片机控制网络信息传输，因此TCP/IP协议栈无法与标准的TCP/IP协议栈一样提供完整的协议体系，往往是根据具体的应用提供不同的协议模块〔5〕。下面对必要的协议模块简要描述如下：

1）ARP协议实现把IP地址转换为物理地址。在实现ARP协议时，系统只需能够响应ARP请求并发送ARP响应报文即可。

2）IP协议是TCP/IP协议栈中的核心协议，实现对要发送的分组寻找路径，并传送该分组模块。主要用于同一网络上IP报文的发送和接收〔6〕。

3）UDP（用户数据报协议）是提供给用户进程的无连接协议，用于传送数据而不执行正确性检查〔7〕。

4）TCP（传输控制协议）是一种提供给用户进程的、可靠的全双工字节流面向连接的协议。它要为用户进程提供虚电路服务，并为数据可靠传输建立检查。大多数网络用户程序使用TCP。对于列车中数据量小而精确的控制命令而言，利用TCP协议是最佳选择。

3 结束语

工业以太网的出现，从技术上克服了现有列车网络总线传输速度低、组网拓扑结构单一等缺点，是列车网络未来发展的必然趋势。采用以太网对部分车载设备进行控制和通信，是降低列车控制系统的成本，实现高速数据通信的一个新的手段，并为将来全车使用以太网进行控制提供有益的经验。

上述以太网接口已经在实验模拟的车辆设备中得到了初步验证，说明所做的应用设计是可行的。

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〔1〕高斐.基于以太网的嵌入式水情测报系统〔D〕.太原：太原理工大学，2007：3-4.

〔2〕刘婷婷.工业以太网在列车网络系统中的应用前景〔J〕.内燃机车，2009（4）：41.

〔3〕张瑞瑞.以太网技术在机车中的应用研究〔D〕.北京：北京交通大学，2007：10.

〔4〕李明，康静秋.嵌入式TCP/IP协议栈的研究与开发〔J〕.计算机工程与应用，2002（16）：118-121.

〔5〕李怀俊，张学习，章云.工业以太网中嵌入式TCP/IP协议应用技术分析〔J〕.广东工业大学学报，2002（12）：25-29.

〔6〕张凤琴.基于高速C8051单片机的以太网接口设计〔J〕.科学技术与工程，2009（9）：1298-1300.

〔7〕蒋东兴，林鄂华，陈棋德，印敏，刘启新.WINDOWS SOCKETS网络程序设计大全〔M〕.北京：清华大学出版社，1999：3.