ECN网关设计

杜振环+石小磊+周达

摘要：描本文述了一种通信网关的设计方法，用于实现CAN总线设备与车辆以太网ECN设备的数据交互。介绍了网关硬件架构、软件架构和设计方法，对网关的测试验证进行了描述，表明了网关的可用性。

关键词：以太网；CAN；网关；列车网络控制系统

中图分类号：TP393.07 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）05-0190-01

IEC定义le 列车骨干以太网ETB和车辆以太网ECN作为新一代列车网络通信标准。CAN总线（Controller Area Network）以其低成本、高可靠性特点，仍被广泛用于列车控制器。CAN总线和ECN网络采用不同的通信标准，要实现两者数据传输，需要总线转换网关来实现。本文描述了ECN网关设备的设计和验证方法。

1 ECN网关设计

1.1 硬件架构

ECN网关硬件设计选用Cortex-M3系列微处理器，配置双路冗余以太网接口和CAN通信接口；处理器内部集成了CAN协议控制器和以太网协议控制器，通过以太网物理层收发器和CAN收发器连接到现场总线。为了增强ECN可靠性，采用可编程器件FPGA实现以太网物理层冗余。其硬件结构框图如图1所示。

1.2 软件架构

ECN网关软件采用分层设计，自下而上主要由设备驱动、操作系统级中断服务、应用层软件组成，其中应用层软件由CAN总线通信软件、ECN通信软件和CAN-ECN协议转换软件组成。以太网控驱动负责以太网控制器底层初始化、以太网数据帧发送及接收。以太网采用开源lwIP实现了精简TCP/IP协议栈，实现了包含IP、TCP、UDP、ARP等协议功能，本网关采用UDP协议。CAN-ECN协议转换任务实现ECN以太网数据与CAN总线数据的透明传输。

1.3 ECN冗余控制器设计

FPGA實现ECN网络链路状态监视功能和通信链路冗余控制功能。以太网链路状态监视完成两路PHY芯片的以链路连接状态通信监视。通信链路选择模块采用了目前列车应用管饭的多功能车辆总线MVB的线路冗余原理，FPGA根据链路状态的正确性，完成通信通道的选择，正常只信任一种一路，当信任通道链路故障时，FPGA启动切换到另外的通信通道，从而实现通信链路冗余切换功能。此外，FPGA提供状态寄存器和控制寄存器，允许CPU获得链路状态和选择信任链路。

2 测试

作为车载通信设备，ECN网关通过了型式试验、一致性测试和通信性能测试。

按照ISO-11898-和IEC 61375标准对CAN接口一致性测试和以太网接口一致性测试，测试包括物理层测试和数据链路层测试，具体项目包括幅值测试、上升时间、下降时间测试、吞吐量测试、传输延时测试、丢帧率测试等。

上行通信测试：模拟一个车载CAN总线终端设备节点，对CAN总线控制器发送邮箱写入数据信息，运行CAN总线到ECN以太网发送数据程序，ECN网关接收到CAN发送请求，运行CAN服务线程，将CAN总线上数据通过ECN网关接收邮箱接收并转存到数据缓冲区中，将数据发送到以太网总线，最后由中央控制单元CCU应用程序接收并在显示屏上显示。

下行通信测试：在显示屏终端界面发送指令数据，通过中央控制单元CCU向网关发出UDP服务请求，ECN网关响应服务请求后，从ECN以太网读取数据并存储在数据缓冲区中，进入以太网服务线程，将数据通过ECN网关发送邮箱发送到CAN总线，CAN控制器接收邮箱解析数据包并转存到内存中，数据通过CAN终端设备LED灯显示。

经多组数据测量，系统的响应时间在5毫秒以内。

3 结语

本文设计了列车以太网嵌入式ECN网关，采用该网关实现了ECN和CAN总线的数据交互。测试表明，网关具有良好的技术架构和通信可靠性，符合以太网列车的应用需求。

参考文献

[1]刘晓莉，高军，赵延明.基于ARM 的以太网与CAN 总线互联网关的设计[J].工业控制计算机，2007，20（4）：15-16.

[2]黄天戍，罗潘，肖文华.CAN 总线到Ethernet 网的网关研究实现[J].工业仪表与自动化装置，2004，（5）：47-48.endprint