ECN網關設計

杜振環+石小磊+周達

摘要：描本文述了一種通信網關的設計方法，用于實現CAN總線設備與車輛以太網ECN設備的數據交互。介紹了網關硬件架構、軟件架構和設計方法，對網關的測試驗證進行了描述，表明了網關的可用性。

關鍵詞：以太網；CAN；網關；列車網絡控制系統

中圖分類號：TP393.07 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0190-01

IEC定義le 列車骨干以太網ETB和車輛以太網ECN作為新一代列車網絡通信標準。CAN總線（Controller Area Network）以其低成本、高可靠性特點，仍被廣泛用于列車控制器。CAN總線和ECN網絡采用不同的通信標準，要實現兩者數據傳輸，需要總線轉換網關來實現。本文描述了ECN網關設備的設計和驗證方法。

1 ECN網關設計

1.1 硬件架構

ECN網關硬件設計選用Cortex-M3系列微處理器，配置雙路冗余以太網接口和CAN通信接口；處理器內部集成了CAN協議控制器和以太網協議控制器，通過以太網物理層收發器和CAN收發器連接到現場總線。為了增強ECN可靠性，采用可編程器件FPGA實現以太網物理層冗余。其硬件結構框圖如圖1所示。

1.2 軟件架構

ECN網關軟件采用分層設計，自下而上主要由設備驅動、操作系統級中斷服務、應用層軟件組成，其中應用層軟件由CAN總線通信軟件、ECN通信軟件和CAN-ECN協議轉換軟件組成。以太網控驅動負責以太網控制器底層初始化、以太網數據幀發送及接收。以太網采用開源lwIP實現了精簡TCP/IP協議棧，實現了包含IP、TCP、UDP、ARP等協議功能，本網關采用UDP協議。CAN-ECN協議轉換任務實現ECN以太網數據與CAN總線數據的透明傳輸。

1.3 ECN冗余控制器設計

FPGA實現ECN網絡鏈路狀態監視功能和通信鏈路冗余控制功能。以太網鏈路狀態監視完成兩路PHY芯片的以鏈路連接狀態通信監視。通信鏈路選擇模塊采用了目前列車應用管飯的多功能車輛總線MVB的線路冗余原理，FPGA根據鏈路狀態的正確性，完成通信通道的選擇，正常只信任一種一路，當信任通道鏈路故障時，FPGA啟動切換到另外的通信通道，從而實現通信鏈路冗余切換功能。此外，FPGA提供狀態寄存器和控制寄存器，允許CPU獲得鏈路狀態和選擇信任鏈路。

2 測試

作為車載通信設備，ECN網關通過了型式試驗、一致性測試和通信性能測試。

按照ISO-11898-和IEC 61375標準對CAN接口一致性測試和以太網接口一致性測試，測試包括物理層測試和數據鏈路層測試，具體項目包括幅值測試、上升時間、下降時間測試、吞吐量測試、傳輸延時測試、丟幀率測試等。

上行通信測試：模擬一個車載CAN總線終端設備節點，對CAN總線控制器發送郵箱寫入數據信息，運行CAN總線到ECN以太網發送數據程序，ECN網關接收到CAN發送請求，運行CAN服務線程，將CAN總線上數據通過ECN網關接收郵箱接收并轉存到數據緩沖區中，將數據發送到以太網總線，最后由中央控制單元CCU應用程序接收并在顯示屏上顯示。

下行通信測試：在顯示屏終端界面發送指令數據，通過中央控制單元CCU向網關發出UDP服務請求，ECN網關響應服務請求后，從ECN以太網讀取數據并存儲在數據緩沖區中，進入以太網服務線程，將數據通過ECN網關發送郵箱發送到CAN總線，CAN控制器接收郵箱解析數據包并轉存到內存中，數據通過CAN終端設備LED燈顯示。

經多組數據測量，系統的響應時間在5毫秒以內。

3 結語

本文設計了列車以太網嵌入式ECN網關，采用該網關實現了ECN和CAN總線的數據交互。測試表明，網關具有良好的技術架構和通信可靠性，符合以太網列車的應用需求。

參考文獻

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