基于以太网和CAN总线控制的列车通信网络研究

随着列车高速化、自动化的发展,列车通信网络已经成为列车(尤其是高速列车,动车组)上控制系统中的关键技术。因此,建立可靠安全的车载通信网络,自主研发列车通信网络设备具有很好的市场前景和重大的现实意义。 TCN网络是列车通信网络的标准之一,它将列车通信网络分成可动态编组车厢的绞线式列车总线(WTB)和连接车厢内固定设备的多功能车辆总线(MVB)两级结构。TCN将整个列车的通讯设备连接成一个整体,主控设备对整个列车的控制命令可以通过列车网络发送到各个车厢,列车的各个车厢的信息通过列车网络返送回主控设备上显示,确保了列车上的信息通畅。 当今的列车通信网络主要采用Lonworks和WTB、MVB两种技术,这两种现场总线各自具有自身的优势,同时也都有自身的缺陷。LonWorks对传输介质和拓扑形式的要求相对较松,既能作为车辆总线同时也能作为列车总线,但其最大缺陷的就是传输速率相对较低,在列车通信网络传输数据量很大的情况下,很难满足现场要求；在列车运行过程中,列车级通信数据量通常要比车辆级通信数据量大,而WTB传输速率却比MVB传输速率低,通信量与通信速率的矛盾也有待于解决。 本文针对当前两种列车通信技术中各自存在的缺陷,将工业Enthernet技术与CAN总线控制技术相结合,应用于列车通信网络中,发挥两种控制方法各自的优势,改善了列车通信网络的性能。并且通过实验测试,证明了方案的可行性和可靠性。本文的内容主要包括以下几个方面： 1.对工业以太网技术和CAN总线技术做了比较详细的介绍,包括以太网和CAN总线的模型及帧结构等,对以太网的工业化应用的关键技术做了比较深入的研究； 2.以以太网为列车总线、以CAN总线为车辆总线设计列车通信网络,并与其他几种当今流行的现场总线进行比较,总结出以太网通信技术的优势所在。结合当前技术发展现状,设计了一种嵌入式网关应用于列车通信当中,以实现异种网络间的数据交换,详细介绍了主要硬件芯片功能,给出了主要控制芯片的接口电路图； 3.本文对TCP/IP通信协议做了较为深入的研究和分析,并结合实际需要把LwIP移植到了主控制器ARM7中,实现了IP、TCP、UDP、ICMP以及ARP等协议,从而为工业以太网和CAN总线能够在列车通信网络中应用打下软件基础； 4.设计并实现了CAN-Ethernet协议转换模块,分析了上行通信和下行通信的一些关键信息。最后使用VB开发了嵌入式网关上位机测试软件,验证了以太网和CAN总线可以实现相互通信,并对一些相关的性能指标作了分析。