UIC网关硬件平台的设计与实现

严　翔， 张　波

(中国铁道科学研究院　机车车辆研究所, 北京 100081)



UIC网关硬件平台的设计与实现

严翔， 张波

(中国铁道科学研究院机车车辆研究所, 北京 100081)

UIC网关是实现动车组之间互联、互通和互操作的关键设备，采用模块化的设计，完成了UIC网关硬件平台的设计及底层驱动的开发，搭建测试平台分别完成了MVB和WTB的网络测试，试验结果证明了硬件平台的有效性和可用性，为进一步的网关开发奠定基础。

列车控制网络; 网关; 初运行

列车控制网络技术已经成为现代高速动车组和城轨车辆的关键技术之一，在世界各国得到广泛应用。目前，国内外高速动车组多数采用TCN网络标准，包括正在试验的中国标准动车组，虽然额外铺设了以太网做列车级通信，但列控网络仍然采用TCN标准。TCN标准中将车载网络的层次结构分为两级，分别为列车总线WTB(Wire Train Bus)和车辆总线MVB(Multifunction Vehicle Bus)。作为两级网络互联的桥梁，TCN网关负责完成两级总线之间过程数据和消息数据的传送和协议的转换，属于第5类设备，涵盖TCN网络通信技术的全部内容[1-2]；然而从应用的角度，TCN网关并不能实现不同车辆之间的互操作。为了补充这部分功能，符合UIC 556协议的UIC网关应运而生，它为TCN应用层各种消息的发送与应答提供了规范，从而可以满足不同车型动车组之间的互联、互通和互操作[3-5]。

虽然我国在动车组引进、消化、吸收、再创新的过程中对于列车控制网络方面的研究取得了丰富的成果，相关科研单位也研制出一系列TCN网络相关设备，但是部分核心网络技术由外方控制，运用维护中参数的调整也受外方限制[6-7]；除此之外，我国在UIC网关的技术研究方面尚处于起步阶段，相关的设计报告也很少，因此本文设计并实现了具有自主知识产权的UIC网关硬件平台，为UIC网关的进一步完整开发打下基础。

1　系统组成

采用模块化的设计思想，设计并实现了一种基于CPCI的冗余WTB/MVB网关，整体结构如图1所示。除了具备MVB总线主管理器和通信功能外，在列车编组发生变化时，系统可以自动重新配置WTB总线上的节点，完成TCN初运行；在这之上接着完成符合UIC 556协议的UIC初运行[8-9]。硬件采用3U机箱结构，包含两套独立工作的冗余处理单元，每套处理单元又包含一个CPU模块、一个MVB模块、一个WTB模块和一个电源模块，背板采用CPCI总线通信，对外通信接口包括以太网、WTB、MVB以及RS232，其结构框图如图2所示。

图1　UIC网关整体结构图

图2　处理单元结构框图

2　关键功能模块设计

UIC网关的核心是MVB网络通信和WTB初运行，分别对这两部分设计进行详细介绍。

2.1MVB通信板设计

MVB通信板是列车通信网关接入MVB网络的入口，同时具有标准CPCI通信接口，可作为MVB网络模块接入标准CPCI控制机箱，其结构如图3所示。MVB通信板的核心处理器是Altera公司的FPGA，采用SOPC技术实现具有自主知识产权的MVBC软核，将32位高性能软核处理器、ROM、RAM、Traffic Memory、MVB总线访问IP核集成在一片FPGA上。支持IEC 61375-1标准中规定的过程数据、消息数据、监视数据及总线管理的功能，实现物理层信号的转换，执行数据链路层的通信规程；同时完成了对CPCI控制器的通信控制，实现与CPU板的CPCI总线高速数据交换。

图3　MVB通信板原理图

MVB通信板具有总线管理器功能，本身属于TCN 4类设备，作为MVB主设备时需要提供更高层的服务，包括介质访问的分配(周期扫描表、基本周期以及宏周期的设定和修改)和报文定时(周期发送主帧、在报文定时内完成主从帧通信)等多种功能。由于MVB的控制核心是自主研发的MVBC软核，因此具有高度的配置灵活性，可突破TCN协议的限制，为实现多种优化调度算法打下坚实基础。

2.2WTB通信板设计

WTB通信板是列车通信网关接入WTB网络的入

口，同时具有标准CPCI通信接口，可作为WTB网络模块接入标准CPCI控制机箱，其结构如图4所示。WTB通信板的核心处理器同样采用SOPC技术实现具有自主知识产权的WTBC软核，将32位高性能软核处理器、ROM、RAM、Traffic Memory、WTB总线访问IP核集成在一片FPGA上，同时外部加载了一片SRAM用于功能扩展，根据IEC 61375-1标准实现了WTB初运行、常规运行、链路层配置接口等功能，同时也完成了对CPCI控制器的通信控制，实现与CPU板的CPCI总线高速数据交换。

图4　WTB通信板原理图

WTB初运行是列车级总线通信的核心内容。当列车网络编组发生变化或总线延长、缩短时，总线主节点通过配置总线上的其他节点，形成新的网络编组，这个重新编组过程称为WTB初运行，也叫做TCN初运行。初运行主要完成节点检测、节点命名、拓扑分发等功能；初运行结束后，编组内的所有节点将收到一个唯一的节点地址以及相对应的拓扑信息，整个编组处于一种常规运行的状态，节点之间通过周期相和偶发相的数据帧传递信息，并时刻监测列车编组的变化情况，其流程如图5所示。

图5　标准初运行过程图

WTB节点控制包括了WTB总线物理层和链路层的通信功能，即在通信板上电，且用户进程尚未运行的情况下，可以自动初始化并运行初运行程序，完成在同一网络下的与其他WTB节点的编组任务。在物理层，要实现介质附件单元(Medium Attachment Unit，MAU)的数据收发、节点状态设定、通道转换等功能；在链路层，实现WTB数据帧的编码和解码功能、冗余控制、报文定时、介质分配功能和初运行进程，以及向上层协议提供可用的链路层访问接口。最终完成的UIC网关硬件实物如图6所示，两套热备冗余单元集成在一个3U机箱内，同时符合IEC 61375-1标准和UIC 556标准，通过了TCN一致性测试。

图6　UIC网关硬件实物图

3　平台组网试验

3.1列车控制网络试验平台

为了验证所设计UIC网关硬件平台的可用性，以某型动车组网段配置为原型，在试验室环境下，搭建基于TCN网络设备的半实物仿真平台，如图7所示，拥有符合TCN标准的两级总线及符合UIC 556标准的UIC网关，其中GW1、GW2为自主研制的网关，GW3为Unicontrol公司的标准网关，列车总线采用WTB，通过UIC网关分别接入3个MVB子网，其中GW1下的MVB网络包括一个车辆控制单元VCU，3个数字量采集模块LCM，一个MVB仿真节点以及一个智能显示单元IDU。

图7　半实物仿真平台

3.2MVB互联试验

以GW1下的MVB子网为例，首先将GW1配置为总线主，其次为各个设备配置相应的设备地址和端口地址，其中端口地址的高四位代表功能码，如表1所示，基本周期设置为1 ms，周期相比例因子取65%，VCU的两个源端口特征周期为1 ms；UIC、IDU和仿真节点的源端口特征周期为2 ms；剩余3个端口特征周期分别为4 ms、8 ms和8 ms，因此宏周期包括8个基本周期，即8 ms。周期轮询设计如图8所示。在组网试验中通过示波器获取的实测波形如图9所示，上半部分是两个基本周期的波形，下半部分是放大了其中一帧报文的波形，实测结果表明，自主设计的UIC网关不仅能参与MVB网络通信，还能完成总线管理功能，符合设计要求。

表1　网络设备地址和端口分配表

图8　宏循环结构图

图9　周期轮询实测结果

3.3WTB互联试验

WTB组网试验不同于MVB之处，在于设备地址并非固定配置的，而是通过一系列地重连编组操作完成的。仍然按照图7的互联测试拓扑进行试验，包括3个测试网关节点，每个网关都连接了一台用于配置和状态监视的PC机，此时重点考察WTB的通信情况。

初始状态各节点默认都为弱主，上电后3个节点都

会向外广播检测请求帧来抢夺总线主管理权，一旦抢主成功则该节点成为主节点，其他节点则成为从节点。假设GW1由弱主成为强主并继续向总线发送检测请求帧，GW2由弱主成为从节点发送检测响应帧作为握手；握手成功后，GW1向GW2发送命名请求，GW2被命名后，返回命名响应帧。与此同时，GW2向GW2的另一方向发送检测帧，检测是否还存在其他WTB节点，当GW2检测到GW3的检测响应帧，则通过状态响应帧报告GW3的存在；GW1则会给GW2发送中间设定请求将GW2设置为中间节点；然后GW1继续给GW3命名，在多次状态检测请求和响应帧之后，确认远端不存在其他的WTB节点，GW1开始分发总线拓扑。在总线拓扑分发完毕之后，编组也就完成了，总线进入常规运行模式。在GW1和GW2之间测得的WTB组网初运行实测波形如图10所示，通信过程符合标准流程要求，自主研发的UIC网关不仅可以实现网关间的通信，还可以和标准UIC网关完成通信，实现编组任务，结果符合设计要求。

图10　3节点初运行过程中的帧波形

4　结束语

采用模块化的设计，完成了UIC网关硬件平台的设计及底层驱动的开发，并在半实物仿真平台下得到验证；除此之外，网关还搭载了实时性和可靠性方面十分适合列车控制网络的VxWorks操作系统，应用程序可方便地以地址映射的方式实现对硬件设备的灵活访问，完成对CPCI接口、MVB接口以及WTB接口的配置和管理。通过VxWorks提供的标准C语言库，可进一步完成UIC 556协议栈的研发。

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[3]Schifers C, Hans G. IEC 61375-1 and UIC 556-international standards for train communication[C]. IEEE 51st Vehicular Technology Conference Proceedings. 2000: 1581-1585.

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Design and Implementation of UIC Gateway Hardware Platform

YANXiang,ZHANGBo

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

UIC gateway is the key equipment to achieve interconnection, intercommunication, and interoperability between EMUs.Using modular design methord, the design of the UIC gateway hardware platform and the development of the underlying driver were completed. A UIC experiment platform was established, which comprises two-level field bus.The MVB and WTB network testing had been done. The experimental results provided the effectiveness and availability of the designed UIC hardware platform, which made the foundation for the further development of the gateway.

train control network; gateway; inauguration

1008-7842 (2016) 03-0138-05

男，助理研究员(

2015-12-18)

U284.48

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.31