TCN-CAN 通信測試平臺設計

趙 科

（大連交通大學 電氣信息工程學院，大連116028）

隨著列車網絡控制技術的快速發展，用戶對總線靈活性、開放性以及實用多樣性等方面提出了更高要求。 因此，需要引入具有不同特點的列車現場總線技術， 以實現不同總線間的數據交換和傳輸。國內外TCN 總線技術雖已成熟，但由于國外廠商占據了大部分TCN 設備市場， 使得國內TCN 總線的使用成本很高[1]；國內較多研發使用CAN 總線的列車車載設備，且考慮到CAN 總線技術的研究較成熟，CAN 總線設備的成本遠低于TCN 設備， 在實際應用中可以將CAN 總線設備接入車輛總線，因此產生TCN 與CAN 數據交換的問題[2]。 在此背景下，提出對TCN-CAN 網絡通信測試的研究就尤為重要[3]。TCN 網絡主要用于列車通信，在列車運行時，能夠高速的傳輸實時數據，但TCN 網絡設備成本較高且適用范圍有一定的局限性，而CAN 總線的設備成本相對較低，并且由于其適用范圍廣，可靠性高和實用性好等特點，在鐵路上得到了很廣泛的應用。 通過深入分析TCN 總線和CAN 總線相關理論知識，順應TCN 與CAN 技術的發展趨勢， 為其他總線網絡與TCN 網絡間通信原理研究提供理論基礎。本文旨在解決列車實際運行中TCN 網絡和CAN 網絡間往來數據傳輸的問題， 為通信網絡領域中TCN 與CAN 總線技術的進一步研究提供可靠參考，對我國軌道列車中總線網絡使用的多樣性與廣泛性起到促進作用。 一定程度上為推動國內列控技術的發展提供動力，也為多種列車總線通信產品聯合運作增加可能性。TCN-CAN 網絡通信實驗平臺的設計與實現，為我國列車通信設備開發提供技術支持，推動我國列車通信總線的多元化發展。 列車TCN 與CAN 網絡通信技術的研究，在理論分析和實際應用上均具有深遠意義。

1 通信測試平臺硬件

1.1 測試平臺硬件設計

TCN-CAN 網絡通信技術就是將TCN 通信網絡和CAN 通信網絡直接通過VCU（中央控制單元）對這兩個網絡的數據進行相互轉換，TCN-CAN 網絡通信測試平臺整體結構如圖1 所示。 該測試平臺包括TCN 通信和CAN 通信兩部分。 采用裝有CANopen主站板卡和從站板卡的工控機搭建CAN 通信測試平臺；利用司控臺、中央控制單元、遠程I/O 模塊、司機顯示單元和網關來搭建TCN 通信測試平臺。TCN-CAN 網絡通信測試平臺實現TCN 總線數據與CAN 總線數據互聯互通。 機架1 和機架2 分別模擬列車的兩組動力單元， 各自均采用MVB 車輛總線通信； 兩動力單元之間通過網關進行數據交互，實現WTB 列車總線與MVB 車輛總線的數據轉換。機架3 和機架4 模擬列車上的CAN 設備， 機架3 代表CAN 主控設備， 通過VCU 與車輛的MVB 數據進行交互； 機架4 代表普通CAN 設備或待測的已開發CAN 設備，通過CANopen 協議與CAN 主設備通信。

1.2 TCN 通信網絡

在TCN 通信網絡中，通過操作司控臺發出相關操作命令， 通過遠程I/O 模塊進行信息采集后并送到MVB 總線上，VCU 對接收的數據進行邏輯處理，發送給司機顯示單元顯示列車相關信息，同時發送給網關，網關收到數據后，利用過程數據編組配成對應的報文出境至WTB 總線， 再從宿網關形成入境包至相應的MVB 總線上[4]。

圖1 TCN-CAN 通信測試平臺拓撲Fig.1 Communication test platform topology of TCN-CAN

1.2.1 司控臺

司控臺是司機與MVB 系統對話的操作平臺，主要包含司機操作控制列車運行的開關、 按鈕等；提供列車運行狀態的儀表、指示燈、蜂鳴報警器等；提示相關操作動作的司機室顯示單元等。

1.2.2 遠程I/O

列車遠程I/O 是高度靈活的遠程輸入輸出模塊化控制單元， 能夠通過硬線采集數字量和模擬量，在列車網絡控制系統中有著很重要的地位。 遠程I/O 模塊一般作用于中央控制單元與列車上的其他設備之間， 實現中央控制單元與其他設備通信的功能。當其他設備發出信號時，遠程I/O 模塊能夠通過硬線對第三方設備內部的寄存器信號進行采集，將采集到的信號直接發送到中央控制單元，中央控制單元通過軟件設計對接收到的信號進行相關的邏輯處理，邏輯處理完成后，總線上的其他設備將接收到新的控制信號進行后續操作。 I/O 系統由中繼模塊、控制單元、背板和不同類型的I/O 模塊組成。本文測試平臺采用了16 路數字量輸入單元（DI）以及8 路的模擬量輸入單元（AI）。

1.2.3 中央控制單元

本平臺中央控制單元（VCU）采用捷克UniControls 公司的產品，該VCU 采用嵌入式Linux 操作系統，具有高速計算性能，可以高速有效的執行控制算法。 VCU 具有豐富的接口單元，包括MVB、CAN、RS232、RS485、RS422 等接口。具有專用微控制器進行通信的協議棧，增強了冗余設計的可行性及有效性，具有2 個10/100 Mbit 的高速以太網接口。 中央控制單元機箱由雙冗余的CPU 模塊、 冗余控制模塊、電源模塊和背板五個部分組成[5]。

CPU 模塊采用低功耗MPC5200 嵌入式處理器，主頻達到396 MHz，在惡劣工作環境下處理速度可達760 MIPS， 配置256 MB 同步動態隨機存儲器和1 Mb 的磁性隨機存儲器，能夠同時處理復雜邏輯運算的關鍵任務，還有指令和數據存儲器管理單元，具有臨界中斷的能力[6]。 冗余控制模塊用于熱切換備用CPU 模塊，當冗余模塊通過看門狗信號監測到主CPU 發生故障， 會切換備用CPU 模塊代替主CPU 工作。 電源模塊提供兩路獨立的穩壓電源，可以輸出24DC、48DC、72DC、110DC 滿足不同的設備需要。 背板模塊不僅可以固定和連接其他各模塊通信外，還可以起到物理屏蔽的作用，有效地減小共模干擾。

1.2.4 UIC 網關

網關實現不同總線網絡之間的協議轉換，該平臺采用符合UIC556 標準的捷克UniControls 公司生產的UIC 網關， 實現列車級總線WTB 消息數據的傳輸功能。 列車級WTB 總線與車輛級MVB 總線之間通過網關實現消息數據轉換與傳輸。 由于在MPC5200＠396 MHz 主處理器以及WTB 和MVB 通信接口的支持下，UIC 網關可以實現MVB 總線與WTB 總線之間信息的傳輸過程中的路由選擇功能。與此同時，PC 機能夠通過UIC 網關同樣配備最大傳輸速率為115200 b/s 的RS-232 接口，利用相應的軟件對網關進行配置[7-8]。 本平臺采用冗余配置的網關單元，安裝在同一機箱內的2 個網關通過冗余控制單元進行冗余切換，默認情況下一網關處于激活狀態，另一網關處于熱備份狀態，最大程度提高了列車通信網絡的可靠性和穩定性。

1.2.5 司機顯示單元

司機顯示單元采用Unicontrol 公司的DISPL-Q顯示屏，該顯示屏為10.4 寸的觸摸顯示屏，可以實現多國語言切換和亮度調節等功能， 支持MVB 接口、CAN 接口、RS485/232/422 接口和以太網接口[9]。顯示屏硬件主要由400 Mhz MPC5200B 處理器、400 Mhz 圖形處理器、64 MB 圖形存儲器、256 MB 主存儲器、32 MB 閃存和1 GB 微型快擦寫存儲卡組成。通過在Linux 嵌入式系統中開發應用程序，HMI 能夠實現密碼設置、數據收發，列車信息監視、故障情況顯示和更改參數設置等功能。 顯示屏工作溫度范圍-30 ℃～+70 ℃、電壓范圍DC24～110 V、功耗20 W～63 W 具有IP54 的正面防護等級，非常適合列車的惡劣工作環境。

1.3 CAN 通信網絡

CANopen 主站支持SDO 客戶端[10]，能夠收發周期和非周期PDO，最多可以支持32 個節點，每個節點可以實現4 個RPDO 通信和4 個TPDO 通信。CANopen 主站板卡主要由ARM7 CPU、存儲器、CAN收發器、串口收發器和PCI 總線橋接芯片構成。CPU采用ARM Cortex-M 系列的16 位/32 位微處理器LPC2378FBD144 芯片，具有512 kb 高速閃存空間、支持以太網鏈路層通信、支持CAN 鏈路層通信；主控CPU 集成CAN 鏈路層數據收發模塊，采用CTM8251T 芯片擴展CAN 的收發器和隔離模塊，該芯片采用全灌封工藝技術使芯片內部的收發和電氣隔離電路提高抗電能力，提高芯片使用壽命。 該接口芯片完全符合ISO11898 標準，傳輸速率達到1 Mbit/s，可以至少連接110 個節點[11]。 CANopen 主站板卡串口收發器選用SP3232EE 芯片， 該芯片滿足EIA/TIA-232 和V.28 和V.24 通信協議。PCI 橋接芯片低成本、低功耗、高性能PCI9052 總線接口芯片，通過該芯片可以使多種局部總線快速轉換到PCI總線上，通過工控機PCI 接口實現與上位機應用程序交換數據。

2 測試平臺軟件設計

關于TCN 網絡數據收發、CAN 網絡數據收發及TCN-CAN 數據轉換的程序流程圖如圖2 所示。在TCN 總線中，通過軟件CSS 配置網關設備，實現MVB 協議與WTB 協議之間數據轉換；HMI 軟件程序設計實現圖像化顯示。 在CAN 通信網絡中，通過在工控機上編寫QT 上位機程序，實現CANopen 主站板卡和從站板卡的通信， 實現與VCU 的CANopen 通信。 由于篇幅所限，以上三部分程序設計不再贅述。

TCN-CAN 網絡數據通信流程如下：

圖2 TCN-CAN 數據通信流程圖Fig.2 Data communication flow chart of TCN-CAN

（1）通過建立網絡拓撲把TCN-CAN 網絡的各個設備連接起來， 實現TCN-CAN 網絡通信實驗平臺設備之間的通信。 具體操作為：在MVB 總線上，將VCU 與HMI 和I/O 單元等設備連在一起，在CANopen 總線上將VCU 與CANopen 主站板卡連在一起。

（2）通過Unicap 軟件對實體I/O 系統設置遠程I/O 的拓撲結構。

（3）根據數據流分配I/O 信號，通過MVB 接收塊將數據接收到MVB 總線上， 在接收到司控臺發出相應信號的同時，VCU 可以將此信號通過MVB總線發送給HMI 進行顯示。

（4）通過VCU 的CANopen 發生模塊實現MVBCANopen 數據轉換并轉發。 例如VCU 通過TPDO模塊發送數據，并設置COB-ID，利用CANopen 主站板卡的上位機程序監視VCU 發送的TPDO 數據；接下來設計RPDO 模塊，接收CANopen 主站板卡發送給VCU 的RPDO 數據，設置COB-ID、刷新時間等，通過監視模塊對采集到的數據進行在線監視。

（5）初始化CANopen 主站，添加從站并啟動CANopen協議棧，CAN 數據收發并上位機程序顯示。

3 平臺通信測試

VCU 到CAN 設備的通信測試例程：CAN 通信網絡接收到MVB 數據如圖3 所示， 通過對數據進行解析，當發送司機室激活信號時第一字節的第一位發生跳變，數據為“0000 0001”；當在司機室激活時發送門開信號，第一字節的第一位和第二位發生跳變，數據為“0000 0011”；當在司機室激活時發送空調制暖信號，第一字節的第一位和第三位發生跳變，數據為“0000 0101”。 通過圖3 可以看出，CAN網絡接收到數據的第一個字節十六進制數分別為“01”，“03”和“05”，上位機顯示接收的數據正確。

圖3 CAN 通信網絡接收到MVB 數據Fig.3 CAN network receives MVB data

CANopen 主站到VCU 的通信測試例程：CANopen 主站板卡作為主站通過PDO 向從站VCU發送0～255 的循環數據， 通過Unicap 軟件對VCU程序進行在線監視。 TCN 通信網絡接收到CAN 數據如圖4 所示，VCU 的RPDO 模塊接收到CANopen主站板卡發送的PDO 數據為“135”， 驗證了TCNCAN 網絡通信測試平臺能可靠地實現CAN 數據向TCN 數據的轉換。

通過雙向測試， 測試結果驗證了TCN-CAN 網絡通信測試平臺設計的正確性，數據轉換和傳輸的可靠性。

圖4 TCN 通信網絡接收到CAN 數據Fig.4 TCN network receives CAN data

4 結語

本文設計TCN-CAN 通信測試平臺，用于TCN數據和CAN 數據的雙向通信，并分別進行了TCN 網絡通信測試、CAN 網絡通信測試和TCN-CAN 網絡通信測試。 測試結果表明該平臺可以實時、 可靠地完成數據通信和轉換， 解決了在列車通信異構組網中TCN 數據和CAN 數據的通信問題， 也推動了國內對具有CAN接口的列車車載設備開發進程。