专利名称：基于arm7的wtb-can网关的制作方法
技术领域：
本发明所述的基于ARM7的WTB-CAN网关涉及计算机通讯网络控制系 统。广泛应用于铁路列车、地铁列车和城市轨道交通车辆等实时性要求较高的 工业控制领域。
背景技术：
随着铁路跨越式发展的需要，CRH5、 CRH2、 HXD1等列车在国内主干线 路上广泛地应用，国外先进的TCN网络控制技术已引入国内。同时我国的电力 机车车辆也开始陆续采用TGN技术，即通过TCN网络解决现场所有信号的采 集与控制等问题。正C61375-1《列车通信网络》(简称TCN标准)，是一项国际标准，也是我 国铁路行业标准TB/T3035-2002。 TCN标准定义了多功能车辆总线MVB和绞线 式列车总线WTB两种形式，是为铁路行业这一特殊应用领域设计的现场总线标 准，它制定了一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆能够相互联挂、 不同厂商的设备能够互联。CAN总线是公认的最具发展前途的现场总线之一，IS011898标准是它的国 际标准。CAN总线标准遵循ISO/OSI模型，采用了其中的物理层、数据链路层 和应用层。CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制系统的串行通信网 络，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。目前，由于国内CAN接口列车安全监控系统的服务要求，需要通过CAN 接口，将列车运行数据传送到列车安全监控系中，方便于列车行车安全及维护。 于是WTB-CAN网关便成为TCN网络控制系统必需的关键设备，使得CAN与 WTB网络达到无缝地结合。虽然用产可以直接采购国外的WTB-CAN网关，但 是国内还没有应用于机车车辆行业的具有自主知识产权的WTB-CAN网关，所 以WTB-CAN网关的研制成功，标志着全部WTB-CAN转换技术已经攻克，填
补了国内这一领域的空白，使我国的TCN网络控制技术上了一个新台阶，对于国内铁路机车车辆行业的技术创新具有现实意义。发明内容本发明的目的是提供一种新型的WTB-CAN网关，主要应用于铁路列车、 地铁列车和城市轨道交通行业的WTB网络控制系统中，连接CAN总线接口的 网络设备，使之既具有了 WTB过程数据功能、消息数据功能和总线管理功能， 也具有了 CAN链路层管理功能和应用层功能。本发明的技术解决方案是这样实现的一种基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于包括WTB板卡、CAN板 卡、CPU板卡、电源板卡和背板。所述的WTB板卡、CAN板卡和CPU板卡都 是通过背板上的背板总线相连接，而电源板卡为WTB板卡、CAN板卡和CPU 板卡提供工作电压；所述的WTB板卡负责WTB总线设备的数据采集和传输； 所述的CAN板卡负责CAN设备的数据采集和控制;所述的CPU板卡负责WTB 总线和CAN总线设备数据的中央处理及生成用于列车车辆诊断分析的RS232 数据流。所述的WTB板卡包括WTB协议控制电路、FPGA编解码处理器和WTB 总线驱动器。所述的设备数据流从背板总线经FPGA编解码处理器允许，传入 WTB协议控制电路转化为HDLC格式报文，传送到FPGA编解码处理器生成曼 彻斯特信号，再通过WTB总线驱动器进行信号调整，传送到WTB总线上去； 所述WTB总线板卡还可以接收WTB车辆总线上的传输数据，经过处理后回传 到背板的背板总线上。所述的CAN板卡包括FPGA逻辑处理器、CAN协议控制器、CAN隔离光 耦和CAN总线收发器，所述的设备数据流从背板总线传送到FPGA逻辑处理器 中和CAN协议控制器转化为链路报文，通过CAN隔离光耦变成隔离的信号电 平，经CAN总线收发器调制成差分信号传送到CAN总线上去；所述CAN总线 板卡还可以接收CAN总线上的传输数据，经过处理后回传到背板的背板总线上。所述的CPU板卡包括中央处理器、电平转换电路和RS232协议控制器，所 述的中央处理器分别传送WTB总线和CAN总线数据流，经过背板的背板总线 传入WTB总线板卡和CAN总线板卡，同时中央处理器将采集的数据信息生成 用于列车车辆诊断分析的数据流，从RS232接口输出。
所述的WTB协议控制电路以査询方式读取WTB过程数据、消息数据或监 视数据，转化为HDLC报文格式，传入FPGA编解码处理器中组成曼彻斯特码 信号，或者将来自FPGA编解码处理器的曼彻斯特码信号，经过处理解析为标 准并行信号数据，传入WTB协议控制电路。所述的FPGA编解码处理器是将来自WTB协议控制电路的HDLC报文转 化为曼彻斯特码信号，送入WTB总线驱动器生成标准差分信号，或者将来自 WTB总线驱动器的差分信号，转化为串行数据传送到WTB协议控制电路。所述的WTB总线驱动器将来自FPGA编解码处理器的曼彻斯特信号转化为 标准的差分信号，传到WTB总线上，或者将来自WTB总线上的差分信号转化 为FPGA编解码处理器可识别的曼彻斯特信号。所述的CAN协议控制器是将来自FPGA逻辑处理器的数据流转化为链路报 文格式的电平信号，送入CAN隔离光耦，或者将来自CAN隔离光耦的链路报 文，转化为标准的数据流传送到FPGA逻辑处理器。所述的背板总线结构将各种板卡组合成一个整体设备，电源板卡采用模块 化设计提供整个试验平台的供电。与现有技术相比较，本网关解决了专用绞线式列车总线WTB和通用CAN 的数据通讯问题，具有设计新颖、高可靠性、高灵活性和成本低廉的特点，在 机车车辆行业以及相关领域具有广泛的应用前景。
图l为本发明的结构框图；图2为本发明的WTB板卡结构框图；图3为本发明的CAN板卡结构框图；图4为本发明的CPU板卡结构框图；图5为本发明的CPU板卡中ARM及其外围电路接口电路图； 图6为本发明的CPU板卡中RS232协议控制器的电路连接图； 图7为本发明的WTB总线板卡中WTB协议控制电路的电路连接图； 图8为本发明的CAN板卡板卡中FPGA逻辑处理器、CAN协议控制器和 隔离变压器的电路连接图；图9为本发明的网络拓扑图； 图1为本发明的说明书摘要附图。图中1、 WTB板卡，2、 CAN板卡，3、 CPU板卡，4、电源板卡， 5、背板，6、 WTB协议控制电路，7、 FPGA编解码处理器，8、 WTB总 线驱动器，9、FPGA逻辑处理器，10、CAN协议控制器，11、 CAN隔 离光耦，12、CAN总线收发器，13、中央处理器，14、电平转换电路，15、 RS232协议控制器。
具体实施方式
如图1所示， 一种基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于包括WTB 板卡l、 CAN板卡2、 CPU板卡3、电源板卡4和背板5，所述的WTB总线板 卡l、 CAN板卡2和CPU板卡3通过背板5上的背板总线相连接；所述的电源 板卡4安装在背板5上对WTB总线板卡1 、 CAN板卡2和CPU板卡3进行统 一供电；所述的WTB总线板卡1负责采集和控制WTB总线上设备的数据流； 所述的CAN板卡2负责采集和控制CAN上设备的数据流；所述的CPU板卡1 负责WTB总线和CAN设备数据的中央处理。如图2所示，WTB总线板卡1包括WTB板卡包括WTB协议控制电路6、 FPGA编解码处理器7和WTB总线驱动器8。所述的设备数据流从背板总线经 FPGA编解码处理器7允许，传入WTB协议控制电路6转化为HDLC格式报文， 传送到FPGA编解码处理器7生成曼彻斯特信号，再通过WTB总线驱动器8进 行信号调整，传送到WTB总线上去；所述WTB总线板卡1还可以接收WTB 车辆总线上的传输数据，经过处理后回传到背板5的背板总线上。WTB协议控 制电路6提供了 WTB链路层服务功能，完成了主辅进程管理功能。WTB总线 驱动器8提高了总线驱动能力，具有高频干扰信号抑制作用，EMC满足EN50155 标准。如图3所示，CAN板卡2包括FPGA逻辑处理器9、 CAN协议控制器IO、 CAN隔离光耦11和CAN总线收发器12，所述的设备数据流从背板总线传送到 FPGA逻辑处理器9中和CAN协议控制器10转化为链路报文，通过CAN隔离 光耦11变成隔离的信号电平，经CAN总线收发器12调制成差分信号传送到 CAN总线上去；所述CAN总线板卡还可以接收CAN总线上的传输数据，经过 处理后回传到背板5的背板总线上。CAN隔离光耦11对数据信号进行了电气隔 离，具有抑制电气干扰的作用。CAN总线收发器12提高了总线驱动能力，具有
高频干扰信号抑制作用，EMC满足EN50155标准。如图4所示，CPU总线板卡3包括中央处理器13、电平转换电路14和RS232 协议控制器15，所述的中央处理器13分别传送WTB总线和CAN总线数据流， 经过背板5的背板总线传入WTB总线板卡1和CAN总线板卡2，同时中央处 理器13将采集的数据信息生成用于列车车辆诊断分析的数据流，传入RS232协 议控制器15，从DB9接口输出。中央处理器13是ARM7核微处理器，负责程 序的处理运行功能。FLASH和SDRAM分别为中央处理器13提供了程序存贮 空间和运行空间。电平转换电路14负责3.3V和5V电平信号之间的双向转换。 另外，中央处理器13外围还配置电源管理电路、实时时钟和复位电路。如图5 8所示，其中WTB协议控制电路6包含IS62C1024、 Z8S180和 Z85230芯片、FPGA编解码处理器7为XCS30XL、 FPGA逻辑处理器9为 XC2S30、 CAN协议控制器10为SJAIOOO、 CAN隔离光耦11为6N137、 CAN 总线收发器12为PCA82C250、中央处理器13为NET+50、电平转换电路14为 SN74LVC16245和RS232协议控制器15为MAX232;中央处理器13为ARM7 主控制器是整个系统的核心部分，它由两部分组成即硬件和软件。硬件的作 用主要是负责WTB总线和CAN数据的中央处理及两种总线数据流的交换。软 件则完成网络协议栈功能和应用控制功能。WTB协议控制电路6和CAN协议 控制器10分别为WTB总线和CAN的核心器件，负责完成链路层功能服务。WTB-CAN网关中每个板卡与板卡之间的连接为背板总线，该背板总线遵循 了标准的外存访问总线，背板总线插座是将上述板卡连接起来的物理结构，它 将板卡间的信号安照特殊的要求进行走线和电平匹配，同时提供了整个 WTB-CAN网关的IIOV外电源供电接口。所述的背板设计是根据铁路行业现场 电气环境的特点设计的，背板总线信号具有高的可靠性、良好灵活性能和可扩 展性能；电源板卡4采用的是模块化设计的方法，使用的核心电源模块为瑞士 VACON公司生产电源模块芯片，目的是将+ 110V电压转换为+5V电源，供给 机箱内板卡使用，是一个十分稳定的电源。由上述四块板卡所构建的WTB-CAN网关，与列车内部CAN网络设备相连 接，这样CAN网络设备上的列车信息可以和WTB网络进行数据流的交换。如 果列车内需要更多的CAN，那么每个CAN内就需要一套这样的设备。典型系
统构架图如图9所示，由WTB总线板卡、CAN板卡以及CPU板卡组成 WTB-CAN网关，同时连接WTB网络和CAN。 CAN网络还包括带有CAN接 口的现场IO设备。IO设备将现场数据交给CAN板卡，生成CAN数据格式报 文，然后由CPU板卡和WTB总线板卡传送到WTB总线上的其他设备上。同时 反过来也可以将WTB其他设备的数据发送到10设备。整个系统的数据流如上 所述。当然，根据CAN系统的要求还可以带很多其他设备，比如智能显示单元、 列车监控单元等。
权利要求
1、一种基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于包括WTB板卡(1)、CAN板卡(2)、CPU板卡(3)、电源板卡(4)和背板(5)，所述的WTB板卡(1)、CAN板卡(2)和CPU板卡(3)通过背板(5)上的背板总线相连接；所述的电源板卡(4)安装在背板(5)上对WTB板卡(1)、CAN板卡(2)和CPU板卡(3)进行统一供电；所述的WTB板卡(1)负责采集和控制WTB总线上设备的数据流；所述的CAN板卡(2)负责采集和控制CAN总线上设备的数据流；所述的CPU板卡(1)负责WTB总线和CAN总线设备数据的中央处理。
2、 根据权利要求1所述的基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于所 述的WTB板卡包括WTB协议控制电路(6)、 FPGA编解码处理器(7)和WTB 总线驱动器(8)，所述的设备数据流从背板总线经FPGA编解码处理器(7)允 许，传入WTB协议控制电路(6)转化为HDLC格式报文，传送到FPGA编解 码处理器(7)生成曼彻斯特信号，再通过WTB总线驱动器(8)进行信号调整， 传送到WTB总线上去；所述WTB总线板卡(1)还可以接收WTB车辆总线上 的传输数据，经过处理后回传到背板(5)的背板总线上。
3、 根据权利要求1所述的基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于所 述的CAN板卡包括FPGA逻辑处理器(9) 、 CAN协议控制器(10) 、 CAN隔 离光耦(11)和CAN总线收发器(12)，所述的设备数据流从背板总线传送到 FPGA逻辑处理器(9)中和CAN协议控制器(10)转化为链路报文，通过CAN 隔离光耦(11)变成隔离的信号电平，经CAN总线收发器(12)调制成差分信 号传送到CAN总线上去；所述CAN总线板卡还可以接收CAN总线上的传输数 据，经过处理后回传到背板(5)的背板总线上。
4、 根据权利要求1所述的基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于所 述的CPU板卡包括中央处理器(13)、电平转换电路(14)和RS232协议控制 器(15)，所述的中央处理器(13)分别传送WTB总线和CAN总线数据流，经 过背板(5)的背板总线传入WTB总线板卡(1)和CAN总线板卡(2)，同时 中央处理器(13)将采集的数据信息生成用于列车车辆诊断分析的数据流，经 RS232协议控制器(15)从RS232接口输出。
5、 根据权利要求2所述的基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于所 述的WTB协议控制电路(6)以查询方式读取WTB过程数据、消息数据或监 视数据，转化为HDLC报文格式，传入FPGA编解码处理器(7)中组成曼彻斯 特码信号，或者将来自FPGA编解码处理器(7)的曼彻斯特码信号，经过处理 解析为标准并行信号数据，传入WTB协议控制电路(6)。
6、 根据权利要求5所述的基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于所 述的FPGA编解码处理器(7)是将来自WTB协议控制电路(6)的HDLC报 文转化为曼彻斯特码信号，送入WTB总线驱动器(8)生成标准差分信号，或 者将来自WTB总线驱动器(8)的差分信号，转化为串行数据传送到WTB协 议控制电路(6)。
7、 根据权利要求6所述的基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于所 述的WTB总线驱动器(8)将来自FPGA编解码处理器(7)的曼彻斯特信号转 化为标准的差分信号，传到WTB总线上，或者将来自WTB总线上的差分信号 转化为FPGA编解码处理器(7)可识别的曼彻斯特信号。
8、 根据权利要求3所述的基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于所 述的CAN协议控制器(10)是将来自FPGA逻辑处理器(9)的数据流转化为 链路报文格式的电平信号，送入CAN隔离光耦(11)，或者将来自CAN隔离 光耦(11)的链路报文，转化为标准的数据流传送到FPGA逻辑处理器(9)。
全文摘要
本发明公开了一种基于ARM7的WTB-CAN网关，其特征在于包括WTB板卡、CAN板卡、CPU板卡、电源板卡和背板，所述的WTB板卡、CAN板卡和CPU板卡都是通过背板上的背板总线相连接，而电源板卡为WTB板卡、CAN板卡和CPU板卡提供工作电压；所述的WTB板卡负责WTB总线设备的数据采集和传输；所述的CAN板卡负责CAN总线设备的数据采集和控制；所述的CPU板卡负责WTB总线和CAN总线设备数据的中央处理以及生成RS232监控数据流。本网关是一种符合国际标准的TCN网络设备，具有设计新颖、高可靠性等特点，适合在我国铁路行业等领域广泛的应用。
文档编号H04L12/66GK101399788SQ20081022806
公开日2009年4月1日 申请日期2008年10月13日 优先权日2008年10月13日
发明者跃 于, 健 吴, 杜振环, 王晓鹏, 谭雷雨 申请人:中国北车股份有限公司