專利名稱：基于arm7的wtb-以太網(wǎng)網(wǎng)關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明所述的基于ARM7的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關涉及計算機通訊網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。 廣泛應用于鐵路列車、地鐵列車和城市軌道交通車輛等實時性要求較高的工業(yè) 控制領域。
技術背景隨著鐵路跨越式發(fā)展的需要，CRH5、 CRH2、 HXD1等列車在國內主干線 路上廣泛地應用，國外先進的TCN網(wǎng)絡控制技術已引入國內。同時我國的電力 機車車輛也開始陸續(xù)采用TCN技術，即通過TCN網(wǎng)絡解決現(xiàn)場所有信號的采 集與控制等問題。IEC61375-1《列車通信網(wǎng)絡》(簡稱TCN標準)，是一項國際 標準，也是我國鐵路行業(yè)標準TB/T3035-2002。 TCN標準定義了多功能車輛總 線MVB和絞線式列車總線WTB兩種形式，是為鐵路行業(yè)這一特殊應用領域設 計的現(xiàn)場總線標準，它制定了一個開放的通信系統(tǒng)，從而使得各種鐵道機車車 輛能夠相互聯(lián)掛、不同廠商的設備能夠互聯(lián)。目前，由于列車旅客信息系統(tǒng)的服務要求，國內外先進TCN網(wǎng)絡控制系統(tǒng) 需要通過以太網(wǎng)接口，與GPRS、 CDMA、 GPS等無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信，將列 車信息傳送到遠程監(jiān)控中心，方便于列車設備的日常維護及檢修。于是WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關便成為TCN網(wǎng)絡控制系統(tǒng)必需的關鍵設備，使得以太網(wǎng)與WTB網(wǎng) 絡達到無縫地結合。雖然可以直接采購國外WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，但是國內還沒有 應用于機車車輛行業(yè)的具有自主知識產(chǎn)權的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，所以WTB-以太 網(wǎng)網(wǎng)關的研制成功，標志著全部WTB-以太網(wǎng)轉換技術己經(jīng)攻克，填補了國內這 一領域的空白，使我國的TCN網(wǎng)絡控制技術上了一個新臺階。對于國內鐵路機 車車輛行業(yè)的技術創(chuàng)新具有現(xiàn)實意義。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種新型的基于ARM7的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，主要應 用于在鐵路列車、地鐵列車和城市軌道行業(yè)的WTB網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，連接以太 總線接口的網(wǎng)絡設備，使之既具有WTB過程數(shù)據(jù)功能、消息數(shù)據(jù)功能和總線管 理功能，也具有以太網(wǎng)鏈路層、傳輸層、網(wǎng)絡層、會話層、表示層和應用層功 能。本發(fā)明的技術解決方案是這樣實現(xiàn)的一種基于ARM7的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，其特征在于包括WTB板卡、以太網(wǎng) 板卡、CPU板卡、電源板卡和背板。所述的WTB板卡、以太網(wǎng)板卡和CPU板 卡都是通過背板上的背板總線相連接，而電源板卡為WTB板卡、以太網(wǎng)板卡和 CPU板卡提供工作電壓；所述的WTB板卡負責WTB總線設備的數(shù)據(jù)采集和傳 輸；所述的以太網(wǎng)板卡負責以太網(wǎng)設備的數(shù)據(jù)采集和控制；所述的CPU板卡負 責WTB總線和以太網(wǎng)設備數(shù)據(jù)的中央處理。所述的WTB總線板卡包括WTB共享RAM、 MCU微控制器、HDLC控制 器、FPGA處理器和WTB總線驅動器。所述的設備數(shù)據(jù)流從背板總線經(jīng)FPGA 處理器允許，傳入WTB共享RAM，然后讀入MCU微控制器中，經(jīng)HDLC控 制器轉化為HDLC格式報文，傳送到FPGA處理器生成曼徹斯特信號，再通過 WTB總線驅動器進行信號調整，傳送到WTB總線上去；所述WTB總線板卡還 可以接收WTB車輛總線上的傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后回傳到背板的背板總線上。所述的以太網(wǎng)板卡包括以太網(wǎng)協(xié)議控制器、隔離變壓器和以太網(wǎng)物理層接 口，所述的設備數(shù)據(jù)流從背板總線傳送到以太網(wǎng)協(xié)議控制器中轉化為鏈路層報 文，通過隔離變壓器變成隔離的差分電平信號，經(jīng)以太網(wǎng)物理層接口傳送到以 太網(wǎng)上去；所述以太網(wǎng)板卡還可以接收以太網(wǎng)上的傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后回傳 到背板的背板總線上。所述的CPU總線板卡包括中央處理器、非易失性存忙單元和電平轉換電路， 所述的中央處理器分別傳送WTB總線和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，經(jīng)過背板的背板總線經(jīng) 電平轉換電路，傳入WTB總線板卡和以太網(wǎng)板卡，同時中央處理器將采集的數(shù) 據(jù)信息生成用于列車車輛診斷分析的數(shù)據(jù)流，存貯于非易失性存貯單元。200810013378.X說明書第3/6頁所述的MCU微控制器以查詢方式讀取WTB共享RAM的WTB過程數(shù)據(jù)、 消息數(shù)據(jù)或監(jiān)視數(shù)據(jù)，經(jīng)HDLC控制器轉化為HDLC報文格式，傳入FPGA處 理器中組成曼徹斯特碼信號，或者將來自FPGA處理器的曼徹斯特碼信號，經(jīng) 過處理解析為標準并行信號數(shù)據(jù)，寫入WTB共享RAM。所述的FPGA處理器是將來自HDLC控制器的HDLC報文轉化為曼徹斯特 碼信號，送入WTB總線驅動器生成標準差分信號，或者將來自WTB總線驅動 器的差分信號，轉化為串行數(shù)據(jù)傳送到HDLC控制器。所述的WTB總線驅動器將來自FPGA處理器的曼徹斯特信號轉化為標準的 差分信號，傳到WTB總線上，或者將來自WTB總線上的差分信號轉化為FPGA 處理器可識別的曼徹斯特信號。所述的以太網(wǎng)協(xié)議控制器是將來自背板的背板總線數(shù)據(jù)流轉化為鏈路層報 文格式的電平信號，送入隔離變壓器生成隔離的差分電平信號，或者將來自隔 離變壓器的差分電平信號，轉化為標準的鏈路層數(shù)據(jù)流傳入背板的背板總線上。所述的背板總線結構將各種板卡組合成一個整體設備，電源板卡采用模塊 化設計提供整個試驗平臺的供電。本網(wǎng)關是將一種基于IEC61375-1和正EE 802.3標準的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)絡控 制技術應用到鐵路行業(yè)控制領域，解決了專用絞線式列車總線WTB和通用以太 網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊問題，具有設計新穎、高可靠性、高靈活性和成本低廉的特點， 在機車車輛行業(yè)以及相關領域具有廣泛的應用前景。


圖l為本發(fā)明的結構框圖；圖2為本發(fā)明的WTB總線板卡結構框圖；圖3為本發(fā)明的以太網(wǎng)板卡的結構框圖；圖4為本發(fā)明的CPU板卡結構框圖；圖5為本發(fā)明CPU板卡中ARM7及其外圍電路接口電路圖；圖6為本發(fā)明的WTB總線板卡中MCU微控制器、HDLC控制器和FPGA處理器的電路連接圖；圖7為本發(fā)明的WTB總線板卡中WTB總線驅動器的電路連接圖；圖8為本發(fā)明的以太網(wǎng)板卡板卡中以太網(wǎng)協(xié)議控制器和隔離變壓器的電路連接圖；圖9為本發(fā)明的網(wǎng)絡拓撲圖；圖1為本發(fā)明的說明書摘要附圖。圖中1、 WTB總線板卡，2、以太網(wǎng)板卡，3、 CPU板卡，4、電源 板卡，5、背板，6、WTB共享RAM， 7、 MCU微控制器，8、 HDLC 控制器，9、 FPGA處理器，10、WTB總線驅動器，11、以太網(wǎng)協(xié)議控制 器，12、隔離變壓器，13、以太網(wǎng)物理層接口， 14、中央處理器，15、 非易失性存貯單元，16、電平轉換電路。
具體實施方式
如圖1所示， 一種基于ARM7的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，其特征在于包括WTB 總線板卡1、以太網(wǎng)板卡2、 CPU板卡3、電源板卡4和背板5，所述的WTB 總線板卡1、以太網(wǎng)板卡2和CPU板卡3通過背板5上的背板總線相連接；所 述的電源板卡4安裝在背板5上對WTB總線板卡1 、以太網(wǎng)板卡2和CPU板卡 3進行統(tǒng)一供電；所述的WTB總線板卡1負責采集和控制WTB總線上設備的 數(shù)據(jù)流；所述的以太網(wǎng)板卡2負責采集和控制以太網(wǎng)上設備的數(shù)據(jù)流；所述的 CPU板卡1負責WTB總線和以太網(wǎng)設備數(shù)據(jù)的中央處理。如圖2所示，WTB總線板卡1包括WTB共享RAM 6、 MCU微控制器7、 HDLC控制器8、 FPGA處理器9和WTB總線驅動器10。所述的設備數(shù)據(jù)流從 背板總線經(jīng)FPGA處理器9允許，傳入WTB共享RAM 6，然后讀入MCU微控 制器7中，經(jīng)HDLC控制器8轉化為HDLC格式報文，傳送到FPGA處理器9 生成曼徹斯特信號，再通過WTB總線驅動器10進行信號調整，傳送到WTB 總線上去；所述WTB總線板卡1還可以接收WTB車輛總線上的傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng) 過處理后回傳到背板5的背板總線上。MCU微控制器7提供了 WTB鏈路層服 務功能，完成了主輔進程管理功能。WTB總線驅動器IO提高了總線驅動能力， 具有高頻干擾信號抑制作用，EMC滿足EN50155標準。如圖3所示，以太網(wǎng)板卡2包括以太網(wǎng)協(xié)議控制器11、隔離變壓器12和以 太網(wǎng)物理層接口 13，所述的設備數(shù)據(jù)流從背板總線傳送到以太網(wǎng)協(xié)議控制器ll 中轉化為鏈路層報文，通過隔離變壓器12變成隔離的差分電平信號，經(jīng)以太網(wǎng) 物理層接口 13傳送到以太網(wǎng)上去；所述以太網(wǎng)板卡還可以接收以太網(wǎng)上的傳輸 數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后回傳到背板5的背板總線上。隔離變壓器12提高了總線驅動 能力，具有高頻干擾信號抑制作用，EMC滿足EN50155標準。如圖4所示，CPU總線板卡3包括中央處理器14、非易失性存貯單元15 和電平轉換電路16，所述的中央處理器14分別傳送WTB總線和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流， 經(jīng)過背板5的背板總線經(jīng)電平轉換電路16，傳入WTB總線板卡1和以太網(wǎng)板 卡2，同時中央處理器14將采集的數(shù)據(jù)信息生成用于列車車輛診斷分析的數(shù)據(jù) 流，存貯于非易失性存貯單元15。中央處理器14是ARM7核微處理器，負責 程序的處理運行功能。FLASH和SDRAM分別為中央處理器14提供了程序存 貯空間和運行空間。電平轉換電路16負責3.3V和5V電平信號之間的雙向轉換。 另外，中央處理器14外圍還配置電源管理電路、電壓監(jiān)控、實時時鐘和復位電 路。如圖5 8所示，其中WTB共享RAM 6為IS62C1024、 MCU微控制器7 為Z8S180、 HDLC控制器8為Z85230、 FPGA處理器9為XCS30XL、以太網(wǎng) 協(xié)議控制器11為LXT971ALE、隔離變壓器12為BE1012、中央處理器14為 NET+50和非易失性存貯單元15為DS1265W;中央處理器14為ARM7主控制 器是整個系統(tǒng)的核心部分，它由兩部分組成即硬件和軟件。硬件的作用主要 是負責WTB總線和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的中央處理及兩種總線數(shù)據(jù)流的交換。軟件則完 成網(wǎng)絡協(xié)議棧功能和應用控制功能。MCU微控制器7和以太網(wǎng)協(xié)議控制器11 分別為WTB總線和以太網(wǎng)的核心器件，負責完成鏈路層功能服務。WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關中每個板卡與板卡之間的連接為背板總線，該背板總線遵 循了標準的外存訪問總線，背板總線插座是將上述板卡連接起來的物理結構， 它將板卡間的信號安照特殊的要求進行走線和電平匹配，同時提供了整個WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關的IIOV外電源供電接口。所述的背板設計是根據(jù)鐵路行業(yè)現(xiàn)場電氣 環(huán)境的特點設計的，背板總線信號具有高的可靠性、良好靈活性能和可擴展性 能；電源板卡4采用的是模塊化設計的方法，使用的核心電源模塊為日本COSEL 公司生產(chǎn)電源模塊芯片，目的是將+110V電壓轉換為+5V電源，供給機箱內板 卡使用，是一個十分穩(wěn)定的電源。由上述四塊板卡所構建的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，與列車內部以太網(wǎng)網(wǎng)絡設備相 連接，這樣以太網(wǎng)網(wǎng)絡設備上的列車信息可以和WTB網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)流的交換。 如果列車內需要更多的以太網(wǎng)，那么每個以太網(wǎng)內就需要一套這樣的設備。典 型系統(tǒng)構架圖如圖9所示，由WTB總線板卡、以太網(wǎng)板卡以及CPU板卡組成 WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，同時連接WTB網(wǎng)絡和以太網(wǎng)。以太網(wǎng)網(wǎng)絡還包括帶有以太網(wǎng)接口的現(xiàn)場執(zhí)行單元。以太網(wǎng)執(zhí)行設備將現(xiàn)場數(shù)據(jù)交給以太網(wǎng)板卡，生成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式報文，然后由CPU板卡和WTB總線板卡傳送到WTB總線上的其 他設備上。同時反過來也可以將WTB其他設備的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)執(zhí)行設備。 整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流如上所述。當然，根據(jù)以太網(wǎng)系統(tǒng)的要求還可以帶很多其他 設備，比如中央控制單元、智能顯示單元等。
權利要求
1、一種基于ARM7的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，其特征在于包括WTB總線板卡(1)、以太網(wǎng)板卡(2)、CPU板卡(3)、電源板卡(4)和背板(5)，所述的WTB總線板卡(1)、以太網(wǎng)板卡(2)和CPU板卡(3)通過背板(5)上的背板總線相連接；所述的電源板卡(4)安裝在背板(5)上對WTB總線板卡(1)、以太網(wǎng)板卡(2)和CPU板卡(3)進行統(tǒng)一供電；所述的WTB總線板卡(1)負責采集和控制WTB總線上設備的數(shù)據(jù)流；所述的以太網(wǎng)板卡(2)負責采集和控制以太網(wǎng)上設備的數(shù)據(jù)流；所述的CPU板卡(1)負責WTB總線和以太網(wǎng)設備數(shù)據(jù)的中央處理。
2、 根據(jù)權利要求l所述的基于ARM7的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，其特征在于所 述的WTB總線板卡包括WTB共享RAM (6)、 MCU微控制器(7)、 HDLC控 制器(8)、 FPGA處理器(9)和WTB總線驅動器(10)，所述的設備數(shù)據(jù)流從 背板總線經(jīng)FPGA處理器(9)允許，傳入WTB共享RAM (6)，然后讀入MCU 微控制器(7)中，經(jīng)HDLC控制器(8)轉化為HDLC格式報文，傳送到FPGA 處理器(9)生成曼徹斯特信號，再通過WTB總線驅動器(10)進行信號調整， 傳送到WTB總線上去；所述WTB總線板P (1)還可以接收WTB車輛總線上 的傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后回傳到背板(5)的背板總線上。
3、 根據(jù)權利要求2所述的基于ARM7的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，其特征在于所 述的以太網(wǎng)板卡包括以太網(wǎng)協(xié)議控制器(11)、隔離變壓器(12)和以太網(wǎng)物 理層接口 (13)，所述的設備數(shù)據(jù)流從背板總線傳送到以太網(wǎng)協(xié)議控制器(11) 中轉化為鏈路層報文，通過隔離變壓器(12)變成隔離的差分電平信號，經(jīng)以 太網(wǎng)物理層接口 (13)傳送到以太網(wǎng)上去；所述以太網(wǎng)板卡還可以接收以太網(wǎng) 上的傳輸數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后回傳到背板(5)的背板總線上。
4、 根據(jù)權利要求3所述的基于ARM7的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，其特征在于所 述的CPU總線板卡包括中央處理器(14)、非易失性存貯單元(15)和電平轉 換電路(16)，所述的中央處理器(6)分別傳送WTB總線和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流， 經(jīng)過背板(5)的背板總線經(jīng)電平轉換電路(16)，傳入WTB總線板卡(1)和 以太網(wǎng)板卡(2)，同時屮央處理器(14)將采集的數(shù)據(jù)信息生成用于列車車輛 診斷分析的數(shù)據(jù)流，存貯于非易失性存貯單元(15)。
5、 根據(jù)權利要求4所述的基于ARM7的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，其特征在于所 述的MCU微控制器(7)以查詢方式讀取WTB共享RAM (6)的WTB過程數(shù) 據(jù)、消息數(shù)據(jù)或監(jiān)視數(shù)據(jù)，經(jīng)HDLC控制器(8)轉化為HDLC報文格式，傳 入FPGA處理器(9)中組成曼徹斯特碼信號，或者將來自FPGA處理器(9) 的曼徹斯特碼信號，經(jīng)過處理解析為標準并行信號數(shù)據(jù)，寫入WTB共享RAM(6)。
6、 根據(jù)權利要求5所述的基于ARM7的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，其特征在于所 述的FPGA處理器(9)是將來自HDLC控制器(8)的HDLC報文轉化為曼徹 斯特碼信號，送入WTB總線驅動器(10)生成標準差分信號，或者將來自WTB 總線驅動器(10)的差分信號，轉化為串行數(shù)據(jù)傳送到HDLC控制器(8)。
7、 根據(jù)權利要求6所述的基于ARM7的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，其特征在于所 述的WTB總線驅動器(10)將來自FPGA處理器(9)的曼徹斯特信號轉化為 標準的差分信號，傳到WTB總線上，或者將來自WTB總線上的差分信號轉化 為FPGA處理器(9)可識別的曼徹斯特信號。
8、 根據(jù)權利要求7所述的基于ARM7的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，其特征在于所 述的以太網(wǎng)協(xié)議控制器(11)是將來自背板(5)的背板總線數(shù)據(jù)流轉化為鏈路 層報文格式的電平信號，送入隔離變壓器(12)生成隔離的差分電平信號，或 者將來自隔離變壓器(12)的差分電平信號，轉化為標準的鏈路層數(shù)據(jù)流傳入 背板(5)的背板總線上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于ARM7的WTB-以太網(wǎng)網(wǎng)關，其特征在于包括WTB總線板卡、以太網(wǎng)板卡、CPU板卡、電源板卡和背板，所述的WTB板卡、以太網(wǎng)板卡和CPU板卡都是通過背板上的背板總線相連接，而電源板卡為WTB板卡、以太網(wǎng)板卡和CPU板卡提供工作電壓；所述的WTB板卡負責WTB總線設備的數(shù)據(jù)采集和傳輸；所述的以太網(wǎng)板卡負責以太網(wǎng)設備的數(shù)據(jù)采集和控制；所述的CPU板卡負責WTB總線和以太網(wǎng)設備數(shù)據(jù)的中央處理。本網(wǎng)關是一種符合國際標準的TCN網(wǎng)絡技術，具有設計新穎、高可靠性等特點，為專用列車總線WTB和以太網(wǎng)間的數(shù)據(jù)通信提供了解決方案，適合在我國鐵路行業(yè)等領域廣泛的應用。
文檔編號H04L12/02GK101404629SQ200810013378
公開日2009年4月8日 申請日期2008年9月24日 優(yōu)先權日2008年9月24日
發(fā)明者躍 于, 健 吳, 杜振環(huán), 王曉鵬, 譚雷雨 申請人:中國北車股份有限公司