鐵路信號系統(tǒng)中以太網(wǎng)轉CAN網(wǎng)關設計

劉 貞

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

近年來，以太網(wǎng)作為一種高效、便捷的通信方式逐漸應用于鐵路信號設備通信領域。通過架設封閉物理網(wǎng)絡并配合安全通信協(xié)議，可以構建相對安全的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。

鐵路信號系統(tǒng)設備復雜多樣，涉及不同廠家、不同歷史年代的產品，故數(shù)據(jù)通信總線接口種類繁多，如CAN總線、RS-485/422總線、profibus總線等。當不同總線類的設備需要互聯(lián)互通時，就需要總線接口轉換裝置，一般稱之為接口適配器或網(wǎng)關[1]。本文介紹一種基于嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)轉CAN總線設計方案，盡管目前此類設備較多且早已上市，但直接應用信號系統(tǒng)還有諸多不足，主要原因可歸結為以下幾類[2]。

1）通信參數(shù)配置繁瑣，不便于工程施工。

2）沒有監(jiān)測功能，系統(tǒng)無法獲知其實時工作狀態(tài)，無法記錄上下行原始數(shù)據(jù)，不便于故障分析處理。

3）通信端口不具備防雷功能，遠距離連接時需要加額外的防雷保護器。

因此，有必要開發(fā)一種面向信號系統(tǒng)應用的以太網(wǎng)轉CAN設備，克服上述缺點。

2 系統(tǒng)硬件架構設計

以太網(wǎng)轉CAN網(wǎng)關屬于數(shù)據(jù)轉發(fā)類設備，安全等級要求為SIL0級，即非安全類設備，需要在設計時重點考慮其數(shù)據(jù)轉發(fā)效率和施工便捷性，但安全性也不容忽視。

2.1 嵌入式硬件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)采用單CPU架構，處理器選用AMCC公司的P o w e r P C405E P，其運算速度達到608?DMIPS，足以保證雙向數(shù)據(jù)轉發(fā)的運算要求[3]。如圖1所示，網(wǎng)關包含3路獨立CAN通信接口和2路獨立以太網(wǎng)接口，另外還提供CF卡接口通道，方便更新應用程序和網(wǎng)絡通信配置數(shù)據(jù)。

2.2 以太網(wǎng)接口電路模塊

PPC405EP片內集成了EMAC/MDIO模塊，直接外擴Intel?LXT971?PHY芯片，即可快速地實現(xiàn)OSI模型中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能。LXT971是快速以太網(wǎng)物理層自適應收發(fā)器，支持IEEE?802.3標準，提供MII接口，能夠與PPC405EP中的EMAC/MDIO模塊無縫連接。支持10/100?Mbit/s全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 CAN總線接口電路模塊

CAN總線接口芯片采用PHILIPS公司的SJA1000，該芯片具有64?Byte先進先出FIFO，支持CAN2.0B協(xié)議，位速率可達1Mbit/s。由于其總線為數(shù)據(jù)、地址復用模式，需要單獨的ALE信號，而PowerPC405EP的外部總線為數(shù)據(jù)、地址分離的Motorola模式，故要采用一些中間轉換環(huán)節(jié)以使兩種總線相互匹配。

如圖2所示，利用CPU的R/W、A27和CS3控制信號的邏輯組合可以產生ALE信號，A27為低電平時ALE端可產生高電平鎖存地址信號。SJA1000的TX和RX信號經(jīng)過光電隔離后,由TJA1050T轉換為符合CAN電氣標準的差分信號[4]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 SJA1000驅動程序

3.1.1 驅動程序層次結構

以太網(wǎng)轉CAN網(wǎng)關采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，SJA1000作為非常規(guī)新增外設，需要撰寫新的設備驅動程序供OS系統(tǒng)內核調用。

如圖3所示，網(wǎng)關應用程序運行在OS最頂層；設備驅動程序運行在OS最底層，可直接操作外設芯片SJA1000的內部寄存器。設備驅動程序向OS內核注冊成功后，應用程序通過open、read和write操作指令調用設備驅動程序，最終實現(xiàn)對SJA1000的寄存器級操作，完成CAN通信功能。

3.1.2 SJA1000驅動程序軟件工作流程

在本系統(tǒng)中將SJA1000定義為字符型設備，其驅動流程主要有以下步驟。

1）設備注冊及初始化。

2）接收應用程序需要發(fā)送的CAN數(shù)據(jù)幀，并傳送至CAN控制器SJA1000。

3）響應CAN總線接收中斷，讀取CAN接收數(shù)據(jù)幀并通知應用程序。

4）CAN控制器出錯處理。

驅動程序將上述功能封裝在open、close、write、ioctl等函數(shù)中以便應用程序調用，運行流程如圖4所示。Linux操作系統(tǒng)上電之后開始啟動應用程序，在其調用open（）函數(shù)時,執(zhí)行SJA1000的初始化工作，諸如設定波特率、驗收濾波器、輸出方式等相關參數(shù)。而ioctl（）函數(shù)則負責向系統(tǒng)注冊CAN接收中斷處理服務函數(shù)。

當CAN控制器接收到來自其他設備的數(shù)據(jù)幀時，SJA1000的中斷引腳會輸出低電平向PPC申請接收中斷，內核的中斷處理程序會將接收數(shù)據(jù)讀出并寫入接收緩存，同時通知應用程序，由其通過read（）函數(shù)將緩存讀出。

CAN數(shù)據(jù)發(fā)送采用主動模式，由應用程序調用write（）函數(shù)將數(shù)據(jù)直接寫入SJA1000發(fā)送緩沖寄存器，通過查詢狀態(tài)寄存器以確認該幀是否成功發(fā)送。

另外，由于應用場所不同，總線所處電磁環(huán)境及干擾水平也會有差異，總線由于受干擾而產生錯誤不可避免，驅動程序中會有專門的錯誤中斷處理程序，在CAN控制器報告總線錯誤時及時處理，故障嚴重時要立即復位總線。

3.2 CF卡驅動程序

3.2.1 CF卡總線地址分配

CF卡通過CPLD譯碼，直接掛接在PowerPC的EBC總線，工作在Memory模式，占用片選CS4。CF卡內部的8個控制寄存器通過CPU地址線A31～A29、OE及WBE0組合譯碼后進行讀寫訪問。CPU訪問CF卡控制寄存器的基地址為0xF0500000，詳細地址分配如表1所示。

表1 CPU訪問CF卡控制寄存器地址分配列表

3.2.2 CF卡讀寫操作

CF卡內部數(shù)據(jù)以扇區(qū)為單元進行存儲，每個扇區(qū)為512?Byte，對其讀寫操作必須以扇區(qū)為單位。CF卡內部集成ATA控制器，對外提供8個功能寄存器，CPU對內部扇區(qū)的訪問都要通過讀寫上述功能寄存器。

如圖5所示，寫一個扇區(qū)的流程如下。

1）寄存器寫入扇區(qū)地址。

2）向命令寄存器寫入命令字“0x30”。

3）讀取狀態(tài)寄存器值為“0x58”，以表明其準備好。

4）向數(shù)據(jù)寄存器連續(xù)寫入512?Byte，扇區(qū)內偏移地址會自動加1。

5）檢查狀態(tài)寄存器是否為“0x50”，確保寫入扇區(qū)成功。

CF卡的讀操作和寫操作類似，在此不再贅述。

3.2.3 FAT32文件系統(tǒng)

為了便于應用軟件升級更新、通信參數(shù)快速配置，將Linux?kernel、文件系統(tǒng)、應用程序和配置文件以FAT32格式存儲于CF卡中，這就需要uboot在引導系統(tǒng)啟動時可以直接讀取CF卡中的數(shù)據(jù)，并支持FAT32文件系統(tǒng)。

FAT文件系統(tǒng)源于DOS系統(tǒng)，早期用于對大容量磁盤驅動器的數(shù)據(jù)管理，按照柱面、磁頭、扇區(qū)對存儲區(qū)進行尋址操作。CF卡沒有柱面和磁頭的概念，內部僅以扇區(qū)的方式管理。

FAT32對數(shù)據(jù)按簇管理，每個文件占用整數(shù)倍個簇空間，MBR中記錄著當前分區(qū)的起始扇區(qū)、結束扇區(qū)、文件系統(tǒng)類型、FAT表個數(shù)、每簇占用扇區(qū)數(shù)等參數(shù)。讀取FAT32格式的文件數(shù)據(jù)時，需要初始化上述變量，通過查詢文件名找到文件存放的簇地址，讀完一簇后獲得下一簇的地址，直至所有數(shù)據(jù)讀取完畢[5]。

3.3 應用程序

作為以太網(wǎng)轉CAN的網(wǎng)關設備，應用程序的主要任務就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向轉發(fā)，Linux系統(tǒng)提供的多任務調度機制,將總任務按照功能類別劃分為多個線程，可以獲得相對最簡軟件架構。不同線程間呈現(xiàn)較低的耦合度，為軟件升級和多人合作開發(fā)提供最大便利。為此，本系統(tǒng)任務線程主要包括以下幾種。

1）以太網(wǎng)、CAN通信參數(shù)初始化線程。該線程主要完成Socket參數(shù)的初始化工作，配置當前設備的IP、發(fā)送及接收端口；同時配置每個CAN通道的波特率、屏蔽碼、驗收濾波器等參數(shù)。配置成功后該線程主動掛起，直至有其他線程將其喚醒并重新執(zhí)行配置初始化操作。

2）下行數(shù)據(jù)轉發(fā)，即以太網(wǎng)通道數(shù)據(jù)接收、CAN通道發(fā)送線程。該線程循環(huán)監(jiān)聽接收以太網(wǎng)端口，當收到有效UDP數(shù)據(jù)包后，根據(jù)通信協(xié)議將其拆分為CAN數(shù)據(jù)幀，寫入相應CAN通道的發(fā)送緩沖區(qū)，觸發(fā)CAN發(fā)送流程。應用程序僅負責將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)一次性填入發(fā)送隊列，在驅動層通過查詢和中斷配合的方式,依次完成逐幀發(fā)送。

3）上行數(shù)據(jù)轉發(fā)，即CAN通道數(shù)據(jù)接收、以太網(wǎng)通道數(shù)據(jù)發(fā)送線程。當CAN通道有數(shù)據(jù)接收時，驅動層中斷處理程序將SJA1000接收緩存中的數(shù)據(jù)讀入內存中并通知應用程序，應用程序響應后將多個CAN幀序列按協(xié)議組成大包數(shù)據(jù)，以UDP包的形式發(fā)送至以太網(wǎng)通道。

4）監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送進程。根據(jù)設定周期間隔，系統(tǒng)將設備當前運行狀態(tài)發(fā)送至監(jiān)測機，同時將上下行的原始數(shù)據(jù)打包后同步發(fā)至監(jiān)測機。

3.4 轉發(fā)數(shù)據(jù)超期安全處理

在信號系統(tǒng)中，控制中心指令數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)數(shù)據(jù)都以固定周期循環(huán)發(fā)送，以太網(wǎng)轉CAN網(wǎng)關僅負責透明轉發(fā)。

對于上行數(shù)據(jù)（CAN接收，以太網(wǎng)發(fā)送），無論對端設備是否存在或以太網(wǎng)通道建立與否，數(shù)據(jù)以UDP包形式單次發(fā)送后立即釋放發(fā)送緩沖區(qū)，陳舊歷史數(shù)據(jù)不會殘留至內存，亦不會再次被發(fā)送。

但對于下行數(shù)據(jù)（以太網(wǎng)接收、CAN發(fā)送），由于CAN總線錯誤或過于繁忙，某一幀堵在隊列內長時間無法發(fā)送，直到總線恢復健康或其他節(jié)點釋放總線，該隊列內的幀才會被逐一發(fā)送。這勢必會造成不可預知的安全隱患，因此，必須將過期數(shù)據(jù)及時清除。具體實現(xiàn)方法：設備接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后記錄一個本地時間戳，該數(shù)據(jù)包內的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送時檢查當前時間和該包接收時刻的時間差是否在允許范圍內，超過閾值則直接丟棄。

4 結論

根據(jù)鐵路信號系統(tǒng)應用的特點，設計了一種以太網(wǎng)轉CAN接口的方案，較既有成熟產品增加了CF卡數(shù)據(jù)配置功能，提供獨立的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送以太網(wǎng)專用通道。針對信號系統(tǒng)對傳輸指令數(shù)據(jù)時效性的要求，對過期數(shù)據(jù)及時清除，防止陳舊的歷史數(shù)據(jù)被錯誤轉發(fā)而造成安全隱患。經(jīng)前期實驗室驗證表明，該方案通用性強、便于維護，具有良好地用戶體驗，在信號控制系統(tǒng)中應該具有良好的應用前景。

[1] 王永翔, 王立德.多播交換式CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)關設計[J].電子測量與儀器學報，2007,21（3）：83-87.

[2] 李加升, 李寧, 曾哲.基于CAN總線與以太網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)關設計[J].現(xiàn)代電子技術，2009, 32（14）：69-77.

[3] 葉梅, 趙京偉, 初元萍.嵌入式Linux系統(tǒng)在PowerPC上的實現(xiàn)[J].核電子學與探測技術，2006, 26（5）：614-617.

[4] Philips Semiconductors.SJA1000 Stand-alone CAN controller.2000.

[5] Microsoft Corporation.Microsoft Extensible Firmware Initiative FAT32 File System Specification.