基于Z8523L协议芯片的多路HDLC转以太网网关设计

□杨 军 于人生 吴景国

一、引言

目前列车网络控制系统TCMS(Train Control and Management System)开始采用以太网作为车辆总线，系统中主控单元MPU(Main Processing Unit)通过以太网与外部设备进行数据交互。在控制系统中某些子设备采用HLDC(High-Level Data Link Control)通信协议,因此MPU和网络子设备之间就需要一个协议转换装置即HDLC转以太网网关。

多通道HDLC转以太网通讯网关设备是TCMS的重要组成部分，负责将列车各个子设备HDLC通讯协议转换成以太网通信协议，通过背板集成的以太网与主控制单元MPU进行数据交换，从而达到MPU控制监控TCMS中的相关HDLC协议的子设备，其在降低成本的同时还减少设备走线，从而提高了整个网络控制系统的通信效率与稳定性，提高列车安全运行的可靠性，对列车安全运行有着举足轻重的作用。

二、HDLC转以太网网关相关芯片及功能特点

(一)HDLC协议芯片Z8523L的特点。一是增强的串行通信控制器(ESCC)可以支持多种通道和多种协议，具有8/16位可以寻址非复用地址/数据总线接口。二是ESCC可配置成满足各种串行通信应用。片上功能包括波特率发生器、数字PLL和晶体振荡器，以减少外接逻辑。三是ESCC能够处理异步格式，同步字节取向协议和同步位取向协议。ESCC能够在任何同步模式下产生和检查CRC编码并可编程，以便在各种模式下检查数据完整性。四是Z8523L具有更深的FIFO，减少了用于每个通道的软件开销，这样就允许每个系统有更多通道、更快速的数据传输速率以及更多CPU带宽，并降低整体CPU成本。

(二)以太网协议芯片W5500的特点。

1.结构方面。内部由TCP/IP协议栈+MAC+PHY构成，拥有非常完善的官方应用库，极大缩短开发周期，可以完美实现以太网接入要求。

2.PHY芯片方面。10M/100M BASE-T自适应芯片让W5500表现更为出色。

3.接口方面。W5500采用新的高效SPI协议支持80MHz速率。

4.缓存方面。W5500内置32KB收发缓存，用户可以同时使用8个硬件Socket独立通信，且各个Socket之间互不影响。

(三)STM32F407处理器基本特点。主控芯片CPU选用ST公司的STM32F407，处理器采用Cotex-M4核心，主频200MHz，具有以太网、FSMC、SPI、CAN、USART、IIC、USB等多种并行和串行总线接口，满足可扩展性的应用需求。

三、HDLC-以太网网关的设计

(一)硬件设计。硬件电路包括CPU处理器STM32F407、HDLC驱动电路和以太网驱动电路等电路组成，CPU通过SPI总线驱动以太网，列车网络控制系统主控单元MPU通过以太网总线与板卡进行通信数据交互，CPU处理器通过FSMC总线驱动HDLC总线，从而与外部设备进行数据交互。

HDLC驱动电路说明如下：处理器CPU的FSMC硬件接口(数据线，控制线)与HDLC协议芯片Z8523L进行连接，协议芯片中断引脚与CPU的IO引脚中断相连，当外部设备有HDLC数据给到总线时，CPU就会产生中断，从而接收来自总线的数据，协议芯片通道选择引脚与CPU的IO引脚相连，进行通道选择。

HDLC接口电路中收发器ADM2687E的使能引脚与CPU的IO引脚进行连接控制HDLC的数据接收与发送状态，数据接收与发送引脚和协议芯片接收与发送引脚相连，与外部设备形成数据物理层的通路。

以太网驱动电路说明如下：处理器CPU的SPI硬件接口与以太网PHY芯片W5500进行连接，CPU通过SPI接口配置和初始化PHY芯片，使其处于正常通信的状态。PHY芯片通信模式引脚与CPU的IO相连，用于控制以太网通信的模式，此电路配置为全功能模式，10M与100M通信速率自适应。

(二)软件设计。本文仅对网关的主程序流程作简介，程序上电进行，进行HDLC协议芯片的初始化并将总线置于接收状态，同时检测HDLC协议芯片是否正常工作。初始化以太网芯片，并通过SPI对W5500进行配置。当所有初始化完成后，程序实时检测中断引脚的电平，当有下降沿出现时，说明HDLC总线上有数据，此时进入接收中断函数。进行判断相应的接收通道，并读取协议芯片的接收状态寄存器，进行数据的读取。

当数据完成接收后，将HDLC通信置成发送状态，通过判断发送状态寄存器的状态，进行数据填充，完成HDLC数据发送并将发送完成标志位置1，最后进行以太网数据的收发，此时完成一个通道的所有数据(HDLC和以太网)的收发工作。

四、结语

本网关与东芝牵引(TCU)进行了一致性测试，通过标准HDLC分析仪测试，结果证明网关通信可靠，本系统已经通过了GB/T 25119-2010《轨道交通机车车辆电子装置》的电磁兼容项目的试验。最后该网关已经应用于基于HXD3C电力机车上，用于采集HDLC网络系统的数据，并通过MPU将数据传输至地面服务器，地面综合系统收到车内数据。综合所述，该网关为后续HDLC总线协议的机车数据监控，提供了方案支持。