嵌入式网关在列车通信网络中的应用研究

摘要

列车通信网络是安装在客车上的计算机局域网络系统,负责对整列客车各个部分信息的采集与传递,对列车的车载设备状态进行控制、检测、诊断及记录,并为乘客提供相关信息服务。列车通信网络由列车总线网、车辆总线网级子网组成,建设列车通信网络对保证列车控制的有效性、安全性及旅客舒适性具有重大意义。
　　现今列车通信网络主要采用WTB/MVB与LonWork技术,这两种技术已广泛应用于列车通信网络中。但这两种总线也有其自身的缺陷,由于列车级通信数据量大于车辆级,一般情况下,当列车级通信速率高于车辆级,二级子网才能更好地匹配,MVB比WTB通信速率高,且WTB/MVB专为列车通信网络而开发,费用较高;LonWorks对传输介质和拓扑形式要求不严格,既能作为列车总线也能作为车辆总线,但其最大缺陷为传输速率较低,很难满足列车通信网络中日益增长的数据传输。工业以太网作为一种现场总线,具有传输速率高、容错性强、拓扑性好的特点,很适合应用于列车通信中。
　　本文针对现有列车通信网络中存在的缺点,提出将工业以太网应用于列车通信网络的方案,并对以太网在机车中的应用进行了积极有益的探索和研究。本文主要研究内容如下:
　　(1)以CAN总线为车厢总线、以太网为列车总线,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,提出了一种嵌入式网关应用于机车通信的解决方案,以实现异种网络间的数据交换,并设计了完整的电路和程序。
　　(2)本文对TCP/IP通信协议作了较为深入的研究和分析,并结合实际需要把LwIP移植到了ARM7上,实现了IP、TCP、UDP、ICMP以及ARP等协议,从而使得工业以太网能够在列车通信网络中得以应用
　　(3)设计并实现了CAN-以太网协议转换模块,并编写了相应的通信程序,实现了CAN数据与以太网数据的转化。最后使用Visual Basic开发了嵌入式网关上位机测试软件,并作了大量测试,得到了相关性能指标。测试结果显示本文所研究设计地嵌入式网关很好地实现了CAN与以太网之间的相互通信。

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1绪论

1.1列车通信网络的简介

1.2列车通信网络研究现状

1.3国内外几种主流列车通信网技术的比较

1.4课题背景及意义

1.5本文的主要研究内容与目的

2协议和网关模型

2.1嵌入式网关

2.2网间网技术

2.3控制器局域网CAN

2.4 以太网（Ethernet）

2.5 CAN总线与以太网连接

3 主系统（CAN-TCP/IP）硬件的设计与实现

3.1网关结构与模型

3.2协议转换

3.3系统结构设计

3.4硬件系统主要电路模块设计与实现

3.5 S3C44B0X ARM处理器特征

3.6 RTL8019AS以太网控制器工作原理

3.7 CAN控制芯片

3.8接口电路图

4 主系统（CAN-TCP/IP）软件的设计与实现

4.1 TCP/IP协议栈的移植

4.2 LwIP简介

4.3 LwIP的操作系统封装层

4.4 LWIP在ARM7上的移植

4.5网络接口驱动程序在LwIP中的实现

4.6 Ethernet、CAN网关软件设计

5系统应用与测试

5.1车辆总线网的组成

5.2列车总线网的组成

5.3列车通信网络系统的构成

5.4协议转换模块

5.5嵌入式网关socket程序设计

5.6通信测试

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果