一種乙太網網關的製作方法
2023-05-24 07:24:41
專利名稱：一種乙太網網關的製作方法
技術領域：
本發明涉及電氣自動化技術領域，特別涉及一種基於多功能車廂總線(MVB)的乙太網網關。
背景技術：
隨著現場總線控制技術的發展和成熟，當前國際上主要的機車供應商為用戶提供的列車控制系統，如西門子公司SIBAS32、BOMBARDIER公司的MITRAC等，都採用了的符合IEC61375 標準的列車通信網(TCN, Train Communication Network)。TCN 米用 2 級拓撲結構，列車總線採用WTB，車輛總線採用MVB。TCN網絡日益受到世界各國各廠商和用戶的接受。隨著現代列車朝著現代化、自動化和舒適化得方向發展，與傳統的列車相比，越來越多 的信息(諸如狀態信息、控制命令、故障診斷、旅客信息和服務等信息)由此而產生，為了將這些大數據安全、可靠、快速的在整個列車上傳輸，很多機車設備商將乙太網技術應用在列車網絡通信與控制設備中。因此，如何解決MVB與乙太網技術的通信互聯，是ー個亟需解決的技術問題。現有技術中也存在基於MVB的乙太網網關(也記為MVB-乙太網網關)，但該MVB-乙太網網關必須配合其他的通信插件、設備才能完成通信轉換、現場控制等功能，無法獨立運行。
發明內容
本發明實施例提供了一種乙太網網關，該乙太網網關不需要其他通信插件、設備的配合，可獨立的實現MVB與乙太網之間的通信轉換、現場控制等功能。本發明實施例提供了一種乙太網網關，用於MVB與乙太網互聯，該基於MVB的乙太網網關包括電源子系統，用於接收外部輸入的電源電壓，將所述輸入的電源電壓轉換為各子系統所需要的工作電源電壓；其中，所述各子系統包括存儲子系統、CPU子系統、MVB子系統、乙太網ロ通信子系統、接ロ子系統和可編程邏輯器件子系統；存儲子系統，用於存儲支持所述基於MVB乙太網網關獨立運行的軟體模塊；CPU子系統，用於與存儲子系統、MVB子系統、乙太網ロ通信子系統、接ロ通信子系統和可編程邏輯器件子系統交互，處理所有通信、控制邏輯；MVB子系統，用於為所述基於MVB乙太網網關提供與MVB總線通信的連接通道，在CPU子系統和可編程邏輯器件子系統的配合下，與MVB總線實現通信；乙太網ロ通信子系統，用於為所述基於MVB乙太網網關提供與乙太網中設備的通道，在CPU子系統的控制下與乙太網通信；接ロ子系統，用於作為調試接ロ，接收來自控制臺的調試命令，在CPU子系統的控制下實現對所述基於MVB乙太網網關的調試；可編程邏輯器件子系統，與CPU子系統、MVB子系統和乙太網ロ通信子系統交互，用於MVB總線邏輯控制，CPU子系統與MVB子系統之間的時序匹配控制，CUP的中斷處理邏輯控制意見對乙太網ロ的邏輯控制。其中，所述存儲子系統包括SDRAM和Flash ；所述SDRAM，用於作為程序的運行空間以及中間數據的暫存；所述Flash，用於存儲支持所述基於MVB乙太網網關獨立運行的軟體模塊。其中，支持所述基於MVB乙太網網關獨立運行的軟體模塊包括板級支持包、作業系統、乙太網協議軟體包、MVB協議軟體包、圖形開發環境底層軟體包、MVB-乙太網協議轉換軟體包、上層圖形開發應用軟體包。其中，所述作業系統是最小的滿足功能需求的作業系統，所述作業系統支持以太 網標準協議、組件。其中，所述MVB子系統包括:MVB通信控制器，通信存儲器，CPU接ロ緩衝區與控制邏輯以及MVB總線物理層接ロ。其中，所述乙太網ロ通信子系統包括2個網ロ，每個網ロ接受不同的乙太網控制器的控制。其中，所述接ロ子系統為RS232接ロ子系統。其中，所述電源子系統包括電源開關模塊，用於為CPU子系統的IO ロ以及CPU外圍設備提供其所需要的電源電壓。應用本發明實施例提供的基於MVB的乙太網網關，不需要其他通信插件、設備的配合，可獨立的實現MVB與乙太網之間的通信轉換、現場控制等功能。再有，由於本申請中採用模塊化分層結構的軟體結構，最大限度地簡化軟體的開發，極大地提高項目的開發效率。該軟體結構自底向上分別為板級支持包、作業系統、乙太網協議軟體包、MVB協議軟體包、圖形開發環境底層軟體包、MVB-乙太網協議轉換軟體包、上層圖形開發應用軟體包。通過軟體模塊化結構，提供了統ー的應用開發模式與平臺。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I是根據本發明實施例的一種乙太網網關的結構示意圖；圖2是本發明的基於MVB的乙太網網關的ー實例；圖3是根據本發明實施例的軟體平臺結構示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。參見圖1，其是根據本發明實施例的一種乙太網網關的結構示意圖，該乙太網網關用於MVB與乙太網互聯，可以認為其是基於MVB的乙太網網關，該網關具體包括電源子系統101、存儲子系統102、CPU子系統103、MVB子系統104、乙太網ロ通信子系統105、接ロ子系統106和可編程邏輯器件子系統107。其中，電源子系統101，用於接收外部輸入的電源電壓，將所述輸入的電源電壓轉換為各子系統所需要的工作電源電壓；其中，所述各子系統包括存儲子系統、CPU子系統、MVB子系統、乙太網ロ通信子系統、接ロ子系統和可編程邏輯器件子系統；上述電源子系統中包括電源開關模塊，用於為CPU子系統的IO ロ以及CPU外圍設備提供其所需要的電源電壓。存儲子系統102，用於存儲支持所述基於MVB乙太網網關獨立運行的軟體模塊；上述存儲子系統包括同步動態隨機存儲器(SDRAM, Synchronous Dynamic Random Access Memory)和快閃記憶體(Flash);其中，SDRAM用於作為程序的運行空間以及中間數據的暫存；Flash用於存儲支持所述基於MVB乙太網網關獨立運行的軟體模塊。該支持所述基於MVB乙太網網關獨立運行的軟體模塊包括板級支持包、作業系統、乙太網協議軟體包、MVB協議軟體包、圖形開發環境底層軟體包、MVB-乙太網協議轉換軟體包、上層圖形開發應用軟體包。其中，所述作業系統是ー個多任務核心，具有認為調度機制、任務間通信和中斷處理機制等，是最小的滿足功能需求的作業系統，所述作業系統支持乙太網標準協議、組件，不支持調試信息組件。CPU子系統103，用於與存儲子系統、MVB子系統、乙太網ロ通信子系統、接ロ通信子系統和可編程邏輯器件子系統交互，處理所有通信、控制邏輯；上述CPU子系統是整個網關係的核心単元。MVB子系統104，用於為所述基於MVB乙太網網關提供與MVB總線通信的連接通道，在CPU子系統103和可編程邏輯器件子系統107的配合下，與MVB總線實現通信；上述MVB子系統包括MVB通信控制器，通信存儲器，CPU接ロ緩衝區與控制邏輯以及MVB總線物理層接ロ。乙太網ロ通信子系統105，用於為所述基於MVB乙太網網關提供與乙太網中設備的通道，在CPU子系統的控制下與乙太網通信；上述乙太網ロ通信子系統包括2個網ロ，每個網ロ接受不同的乙太網控制器的控制。接ロ子系統106，用於作為調試接ロ，接收來自控制臺的調試命令，在CPU子系統的控制下實現對所述基於MVB乙太網網關的調試；上述接ロ子系統為RS232接ロ子系統。可編程邏輯器件子系統107，與CPU子系統、MVB子系統和乙太網ロ通信子系統交互，用於MVB總線邏輯控制，CPU子系統與MVB子系統之間的時序匹配控制，CUP的中斷處理邏輯控制意見對乙太網ロ的邏輯控制。應用本發明實施例提供的基於MVB的乙太網網關，不需要其他通信插件、設備的配合，可獨立的實現MVB與乙太網之間的通信轉換、現場控制等功能。參見圖2，其是本發明的基於MVB的乙太網網關的ー實例。本例中基於MVB的乙太網網關也記作MVB-乙太網網關，具體包括電源子系統201、存儲子系統202、CPU子系統203、MVB子系統204、乙太網ロ通信子系統205、接ロ子系統206和可編程邏輯器件子系統107，其中，電源子系統201，用於接收外部輸入的電源電壓，將所述輸入的電源電壓轉換為各子系統所需要的工作電源電壓；其中，所述各子系統包括存儲子系統、CPU子系統、MVB子系統、乙太網ロ通信子系統、接ロ子系統和可編程邏輯器件子系統；上述電源子系統中包括電源開關模塊如DC/DC開關電源模塊，具體的，DC/DC開關電源模塊輸入電壓範圍為DC77V至137V，5V輸出，功率為10W，電源子系統為整個MVB-乙太網網關提供5V、3. 3V、2. 5V、1. 5V的電源； 存儲子系統202，用於存儲支持所述基於MVB乙太網網關獨立運行的軟體模塊；上述存儲子系統包括SDRAM和快閃記憶體(Flash);存儲器子系統中FLASH採用的是INTEL公司的大小為16M的28F128J3A，該B00TFLASH作為板級支持包、作業系統、乙太網協議軟體包、MVB協議軟體包、圖形開發環境底層軟體包、MVB-乙太網協議轉換軟體包、上層圖形開發應用軟體包等的存儲場所；SDRAM存儲器採用2片MT48LC32M16，主要用於程序的動態加載，以及大量中間數據的暫存，容量為128M字節；CPU子系統203，用於與存儲子系統、MVB子系統、乙太網ロ通信子系統、接ロ通信子系統和可編程邏輯器件子系統交互，處理所有通信、控制邏輯； 本例中，CPU採用的是FREESCALE公司32位POWERPC嵌入式處理器MPC5200B，主頻為466MHz，MCF5200B以它的高集成度、低功耗和強大的處理能力能夠有效的提高系統的可靠性，減少系統的體積，CPU子系統是整個網關係的核心単元，負責處理系統所有通信、控制邏輯，並把相關的結果反饋給其它的子系統MVB通信子系統204、接ロ子系統206、乙太網ロ通信子系統205 ；MVB子系統204，用於為所述基於MVB乙太網網關提供與MVB總線通信的連接通道，在CPU子系統和可編程邏輯器件子系統的配合下，與MVB總線實現通信；MVB通信子系統硬體為MVB-乙太網網關提供與MVB總線通信的連接通道。本例中，它包括MVB通信控制器、IM字節的通信存儲器(TM，TRAFFIC MEMORY)、CPU接ロ緩衝與控制邏輯以及MVB總線物理層接ロ，MVB通信子系統主要完成MVB的通信管理，通信實現，與CPU子系統203、可編程邏輯器件子系統207 —起配合，完成MVB通信；其中，MVB通信控制器採用MVBC02晶片；IM字節的通信存儲器TM，可提供最大4095個過程數據端ロ ，最大4095個用於接受設備狀態輪詢的設備可尋址端ロ ；用於消息隊列和MVB幀的存儲器空間可由用戶自由配置；CPU接ロ緩衝與控制邏輯，主要實現CPU訪問MVBC02和通信存儲器TM的電平轉換(3. 3V變為5V)、總線信號緩衝與訪問定製控制等邏輯；MVB總線物理層接ロ，用於提供冗餘的基於RS485的中等距離電接ロ，通過軟體設置，既可以工作在冗餘模式，也可以工作在非冗餘模式。乙太網ロ通信子系統205，用於為所述基於MVB乙太網網關提供與乙太網中設備的通道，在CPU子系統的控制下與乙太網通信；本例中，共有2個10/100M乙太網接ロ，其中第I個乙太網接ロ採用MPC5200B內置的乙太網控制器、PHY晶片KS8721、網絡變壓器和ESD保護晶片等，第2個乙太網接ロ採用KSZ8841乙太網控制器、網絡變壓器和ESD保護晶片等，2個網ロ主要用幹與其它設備進行乙太網通信；接ロ子系統206，用於作為調試接ロ，接收來自控制臺的調試命令，在CPU子系統的控制下實現對所述基於MVB乙太網網關的調試；本例中，採用RS232通信子系統作為接ロ子系統，該RS232通信子系統採用CPU內置的通用異步收發器(UART, Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)控制器，外擴MAX3223將信號轉換為RS232，RS232接ロ主要作為基於PC機的調試終端接ロ，作為控制臺輸入調試命令，顯示調試信息，用於底層程序下載、監視等調試功能，波特率最大為15. 2Kbps ；該RS232通信子系統中的實時時鐘晶片(RTC，Real-Time Clock)提供穩定的時鐘信號給後續電路用，可以提供時鐘，日曆，鬧鐘，周期性中斷輸出，32KHz時鐘輸出。 該RS232通信子系統中的發光二極體(LED)用於指示乙太網通信狀態、MVB通信狀態、系統狀態等。可編程邏輯器件子系統207，與CPU子系統、MVB子系統和乙太網ロ通信子系統交互，用於MVB總線邏輯控制，CPU子系統與MVB子系統之間的時序匹配控制，CUP的中斷處理邏輯控制意見對乙太網ロ的邏輯控制。本例中，米用現場可編程門陣列(FPGA,Field-Programmable Gate Array)作為可編程邏輯器件子系統，該FPGA採用xi Iinx公司Spartan3系列xcs400晶片，主要用於MVB總線控制邏輯、MVBC與CPU之間的時序匹配控制、CPU中斷處理控制邏輯以及一些簡單IO控制邏輯。此外，圖2所示實施例還可以包括復位(RESET)模塊，用於對CPU子系統203和可編程邏輯器件子系統207進行復位操作。應用本發明實施例提供的基於MVB的乙太網網關，不需要其他通信插件、設備的配合，可獨立的實現MVB與乙太網之間的通信轉換、現場控制等功能。再有，由於本申請中採用模塊化分層結構的軟體結構，最大限度地簡化軟體的開發，極大地提高項目的開發效率。該軟體結構自底向上分別為板級支持包、作業系統、乙太網協議軟體包、MVB協議軟體包、圖形開發環境底層軟體包、MVB-乙太網協議轉換軟體包、上層圖形開發應用軟體包。作業系統採用實時作業系統VXW0RKS，實現了符合IEC61375-1列車通訊網絡標準的MVB協議、符合乙太網標準的TCP/IP等協議、MVB與乙太網通信協議轉換，在上層採用符合IEC61131-3標準的MULTIP0RG軟體，用於應用程式的開發。參見圖3，其是根據本發明實施例的軟體平臺結構示意圖。MVB-乙太網硬體平臺是整個軟體執行的底層支撐。該軟體平臺從底至上，依次為板級支持包、作業系統、乙太網協議軟體包、MVB協議軟體包、圖形開發環境底層軟體包、MVB-乙太網協議轉換軟體包、上層圖形開發應用軟體包。其中，板級支持包(BSP, Board Support Packet),作為系統的最底層，主要為作業系統和用戶任務提供對硬體設備進行訪問的標準驅動接ロ。換句話說BSP的主要作用就是提供設備驅動和作業系統的引導，包括系統自檢驅動、串ロ的驅動、SDRAM驅動、網ロ的驅動、flash的驅動等。作業系統,採用Vxworks作業系統,其內核是Vxworks kernel,它是ー個多任務核心，具有任務調度機制、任務間通信和中斷處理機制等。根據該網關系統的需要，對VxWorks內核進行裁減，保留乙太網標準協議的支持、Shell組件的支持等，刪除了調試信息組件等，提供了ー個最小的滿足功能需要的作業系統。乙太網協議軟體包，主要是實現乙太網通信協議，提供乙太網通信協議的接ロ，供上層封裝和調用使用。MVB協議軟體包，是MVB鏈路層程序，也就是MVB通信處理的核心，主要實現下面的功能過程數據功能、實現消息數據的鏈路層、實現設備狀態輪詢等。圖形開發環境底層軟體包，在這是指圖形底層軟體支持，解析上次應用，負責對上層圖形應用程式的解析執行、與調試終端的通信以及與其它應用任務的接ロ ；MVB-乙太網協議轉換軟體包，主要是根據MVB與乙太網通信的要求、協議，提供MVB-乙太網通信之間的轉換，提供上層調用應用程式編程接ロ(API)；
上層圖形開發應用軟體包，作為該網關軟體結構頂層，主要是根據相應的網關應用要求，編寫相應的上層應用程式，實現MVB-乙太網之間的通信，通過圖2和圖3實施例可知，其採用MPC5200B作為CPU、MT48LC32M16的SDRAM作為程序的運行空間、28fl28的FLASH作為程序的存儲空間，採用xc3s400的實現控制邏輯與時序接ロ，採用MVBC02專用晶片完成MVB通訊控制，採用KSZ8841做為乙太網控制器；軟體採用模塊化結構，從而提供了統ー的應用開發模式與平臺。作業系統採用實時作業系統VXffORKS,實現了符合IEC61375-1列車通訊網絡標準的MVB協議、符合乙太網標準的TCP/IP等協議、MVB與乙太網通信協議轉換，在上層採用符合IEC61131-3標準的MULTIP0RG軟體，用於應用程式的開發。需要說明的是，在本文中，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有
的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括ー個......」限定的要素，並不排除在包
括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種乙太網網關，其特徵在於，用於MVB與乙太網互聯，該基於MVB的乙太網網關包括 電源子系統，用於接收外部輸入的電源電壓，將所述輸入的電源電壓轉換為各子系統所需要的工作電源電壓；其中，所述各子系統包括存儲子系統、CPU子系統、MVB子系統、乙太網ロ通信子系統、接ロ子系統和可編程邏輯器件子系統； 存儲子系統，用於存儲支持所述基於MVB乙太網網關獨立運行的軟體模塊； CPU子系統，用幹與存儲子系統、MVB子系統、乙太網ロ通信子系統、接ロ通信子系統和可編程邏輯器件子系統交互，處理所有通信、控制邏輯； MVB子系統，用於為所述基於MVB乙太網網關提供與MVB總線通信的連接通道，在CPU子系統和可編程邏輯器件子系統的配合下，與MVB總線實現通信； 乙太網ロ通信子系統，用於為所述基於MVB乙太網網關提供與乙太網中設備的通道，在CPU子系統的控制下與乙太網通信； 接ロ子系統，用於作為調試接ロ，接收來自控制臺的調試命令，在CPU子系統的控制下實現對所述基於MVB乙太網網關的調試； 可編程邏輯器件子系統，與CPU子系統、MVB子系統和乙太網ロ通信子系統交互，用於MVB總線邏輯控制，CPU子系統與MVB子系統之間的時序匹配控制，CUP的中斷處理邏輯控制意見對乙太網ロ的邏輯控制。
2.根據權利要求I所述的乙太網網關，其特徵在於，所述存儲子系統包括SDRAM和Flash ； 所述SDRAM，用於作為程序的運行空間以及中間數據的暫存； 所述Flash，用於存儲支持所述基於MVB乙太網網關獨立運行的軟體模塊。
3.根據權利要求2所述的乙太網網關，其特徵在於，支持所述基於MVB乙太網網關獨立運行的軟體模塊包括 板級支持包、作業系統、乙太網協議軟體包、MVB協議軟體包、圖形開發環境底層軟體包、MVB-乙太網協議轉換軟體包、上層圖形開發應用軟體包。
4.根據權利要求3所述的乙太網網關，其特徵在幹，所述作業系統是最小的滿足功能需求的作業系統，所述作業系統支持乙太網標準協議、組件。
5.根據權利要求I所述的乙太網網關，其特徵在於，所述MVB子系統包括:MVB通信控制器，通信存儲器，CPU接ロ緩衝區與控制邏輯以及MVB總線物理層接ロ。
6.根據權利要求I所述的乙太網網關，其特徵在於，所述乙太網ロ通信子系統包括2個網ロ，每個網ロ接受不同的乙太網控制器的控制。
7.根據權利要求I所述的乙太網網關，其特徵在於，所述接ロ子系統為RS232接ロ子系統。
8.根據權利要求I所述的乙太網網關，其特徵在於，所述電源子系統包括電源開關模塊，用於為CPU子系統的IO ロ以及CPU外圍設備提供其所需要的電源電壓。
全文摘要
本發明公開了一種乙太網網關，用於MVB與乙太網互聯，該基於MVB的乙太網網關包括電源子系統，存儲子系統，CPU子系統，MVB子系統，乙太網口通信子系統，接口子系統和可編程邏輯器件子系統。應用本發明實施例提供的基於MVB的乙太網網關，不需要其他通信插件、設備的配合，可獨立的實現MVB與乙太網之間的通信轉換、現場控制等功能。
文檔編號H04L29/06GK102843314SQ201110172348
公開日2012年12月26日 申請日期2011年6月24日 優先權日2011年6月24日
發明者肖家博, 楊衛峰, 汪旭, 蔣國濤, 寧僑, 鄒智榮 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司