基于列车TSN网络接口的ATP设备适配装置及方法与流程

本发明涉及一种适配装置及其方法，尤其是涉及一种基于列车tsn网络接口的atp设备适配装置及方法，属于列控车载设备atp接口领域。

背景技术：

1、轨道交通行业的快速发展，复兴号中国标准动车组的数量持续增加，“智能化”对数据传输量提出了更高的要求，随着以太网通信技术逐渐成熟，基于以太网的列车网络开始逐渐应用，但传统以太网存在延时高、确定性差等问题。tsn（时间敏感以太网）是ieee802.1任务组开发的一套协议规范，构建低延迟、高可靠的以太网。基于tsn的列车网路是未来一项重要技术。欧洲下一代列车网络针对tsn已展开测试。国内，在cr450科技创新工程中，tsn作为新的列车网络通信技术首次应用于高速动车组网络控制系统，并在福厦线开展了实车环境下tsn性能测试。

2、目前列车网络与atp设备通过mvb（多功能车辆总线）总线通信，不具备与车辆通过以太网接口通信的条件。列车网络采用tsn后，atp设备需要重新适配。目前tsn技术还属于快速发展阶段，不具备与atp设备直接适配的条件，亟需一种基于列车tsn网络接口的atp设备适配方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题存在的不足与缺陷，本发明实施例提供一种基于列车tsn网络接口的atp设备适配装置，其技术方案如下：

2、一种基于列车tsn网络接口的atp设备适配装置，包括cpu系统、fpga系统以及背板总线，所述cpu系统、fpga系统以及背板总线之间通过localbus总线进行数据连接；其特征为：

3、所述cpu系统用于运行应用软件与opensafety协议；

4、所述fpga系统集成tsn协议ip核实现atp设备与列车tsn网络接口通信功能；

5、所述背板总线实现列控车载设备atp内部功能板卡间的数据交互功能。

6、tsn协议ip核完成tsn数据收发，根据需要配置ieee802.1as、ieee802.1qbv或ieee802.1cb协议。

7、ieee802.1as精确时间同步协议，实现全网精确时钟的同步。该协议定义了整个网络的时间同步机制，通过定义主时钟选择与协商算法、路径延迟测算与补偿、以及时钟频率匹配与调节的机制，gptp设备交换标准的以太网消息，将网络各个节点的时间都同步到一个共同的主时钟。

8、ieee802.1qbv，流量调度协议，实现确定性数据调度和转发。根据时间同步协议ieee802.1as提供的全局时间基准，创建调度任务并将其分发给参与的网络节点。ieee802.1qbv定义了通过控制tsn交换机出口处闸门的开关来控制排队流量的机制，这些队列中的消息将在预设的时间窗口中进行传输。通常，在这些时间窗口内，其他队列的传输将被阻止，从而避免被调度流量被非调度流量阻塞，这样保证数据通过交换机的延迟是确定的。

9、ieee802.1cb，冗余协议，实现冗余链路数据传输。在冗余链路中通过帧复制和帧消除技术实现冗余消息传输，减少由于链路和节点失效对网络造成的影响。通过冗余消息以及在网络中设置冗余链路进行并行传输来提高可靠性。

10、本发明还公开一种基于列车tsn网络接口的atp设备适配方法，其特征为：fpga系统包含fpga芯片、phy芯片22、网络变压器23、以太网接口24、phy芯片25、网络变压器26、以太网接口27、phy芯片28、网络变压器29、以太网接口30；

11、当fpga芯片集成tsn协议ip核时，fpga系统实现tsn网络功能；

12、当fpga芯片中集成的tsn协议ip核、phy芯片22、网络变压器23、以太网接口 24组成tsn网络通道1；

13、当fpga芯片中集成的tsn协议ip核、phy芯片25、网络变压器26、以太网接口 27组成tsn网络通道2；

14、当fpga芯片中集成的tsn协议ip核、phy芯片28、网络变压器29、以太网接口 30组成sn网络通道3；

15、当fpga芯片集成普通以太网ip核时，fpga系统可实现普通以太网络功能；

16、当fpga芯片中集成的普通以太网ip核、phy芯片22、网络变压器23、以太网接口 24组成普通网络通道1；

17、当fpga芯片中集成的普通以太网ip核、phy芯片25、网络变压器26、以太网接口 27组成普通网络通道2；

18、当fpga芯片中集成的普通以太网ip核、phy芯片28、网络变压器29、以太网接口 30组成普通网络通道3。

19、有益效果

20、本发明中tsn网络集成了ieee802.1as、ieee802.1qbv、ieee802.1cb三种协议，其中ieee802.1as协议能实现本装置与列车tsn网络接口间的时间同步，在时间敏感域中，ieee802.1as中gptp能够保证在最大7跳后时间同步误差在1微秒以内；在同一时间敏感网络域中同步精度不得大于最小的调度周期和门控周期的精度，并保证同步精度在100纳秒到1微秒之间。

21、ieee802.1qbv协议能利用预先设置的门控列表，周期性动态地为端口队列提供开/关控制的机制。每个优先级缓存队列都映射有一个开关可控的传输门；传输门的开关状态决定了优先级缓存队列中的帧是否可以进行传输，若队列门控打开，流量正常转发，门控关闭，流量进入缓存等待转发。实现本装置与列车tsn网络接口间严格按照时间划分进行数据交互，有效保证报文的确定性、安全性。

22、ieee802.1cb协议基于流进行报文复制，复制报文经过冗余的转发路径到达目的端，复制流汇聚节点，进行复制流帧消除，最终在报文接收目的端只接收一份报文。中间冗余路径出现故障，不会导致接收节点丢包，有效保证报文的可靠性。

23、本发明才采用的“cpu+fpga”架构具有高灵活性与高可用性的特点。采用fpga芯片集成tsn协议ip核的方式实现tsn功能，cpu中仅运行应用软件与实时以太网opensafety协议，能有效的解决后续tsn协议功能的扩充问题，在ieee802.1as、ieee802.1qbv、ieee802.1cb的基础上添加ieee802.1qci、ieee802.1qbu等协议。也能有效的解决实时以太网opensafety集成到cpu后扩展trdp等其他实时以太网协议问题，增加了接口适配装置的灵活性与可用性。

技术特征：

1.一种基于列车tsn网络接口的atp设备适配装置，包括cpu系统、fpga系统以及背板总线，所述cpu系统、fpga系统以及背板总线之间通过localbus总线进行数据连接；其特征为：

2.根据权利要求1所述的基于列车tsn网络接口的atp设备适配装置，其特征为：tsn协议ip核完成tsn数据收发，根据需要配置ieee802.1as、ieee802.1qbv或ieee802.1cb协议：

3.根据权利要求1所述的基于列车tsn网络接口的atp设备适配装置，其特征为：fpga系统包含fpga芯片、phy芯片22、网络变压器23、以太网接口24、phy芯片25、网络变压器26、以太网接口27、phy芯片28、网络变压器29、以太网接口30；

4.根据权利要求1所述的基于列车tsn网络接口的atp设备适配装置，其特征为：当fpga芯片集成普通以太网ip核时，fpga系统实现普通以太网络功能：

5.根据权利要求3所述的基于列车tsn网络接口的atp设备适配装置，其特征为：所述fpga芯片内部包括时间敏感硬件控制模块、时间敏感mac模块和时间敏感交换模块；

6.根据权利要求5所述的基于列车tsn网络接口的atp设备适配装置，其特征为：所述时间敏感硬件控制模块分为as定时模块、时间管理协议tmp代理模块、时间管理协议tmp报文转发表模块、循环控制模块、as控制器模块；

7.根据权利要求5所述的基于列车tsn网络接口的atp设备适配装置，其特征为：时间敏感mac模块分为接收侧mac处理模块、跨时钟域模块、as协议封装模块、as协议解封装模块、as修正域更新模块、跨时钟域模块和发送侧mac处理模块；

8.根据权利要求5所述的基于列车tsn网络接口的atp设备适配装置，其特征为：时间敏感交换模块分为端口状态控制模块、报文摘要生成模块、输入汇聚适配模块、查找流水线模块、流限速模块、接收窗口检测模块、网络输出调度模块、控制输出调度模块和报文集中缓存模块；

9.基于列车tsn网络接口的atp设备适配方法，该方法应用于权利要求1所述的基于列车tsn网络接口的atp设备适配装置，其特征为：fpga系统包含fpga芯片、phy芯片22、网络变压器23、以太网接口24、phy芯片25、网络变压器26、以太网接口27、phy芯片28、网络变压器29、以太网接口30；

10.一种非易失性存储介质，其特征为：所述非易失性存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时控制非易失性存储介质所在的设备执行权利要求9所述的方法。

技术总结
一种基于列车TSN网络接口的ATP设备适配装置及其方法，包括CPU系统、FPGA系统以及背板总线，所述CPU系统、FPGA系统以及背板总线之间通过LocalBus总线进行数据连接；CPU系统用于运行应用软件与openSAFETY协议；FPGA系统集成TSN协议IP核实现ATP与列车TSN网络接口通信功能；背板总线实现列控车载设备ATP内部功能板卡间的数据交互功能。本发明才采用的“CPU+FPGA”架构具有高灵活性与高可用性的特点。采用FPGA集成TSN协议IP核的方式实现TSN功能，CPU中仅运行应用软件与实时以太网openSAFETY协议，能有效的解决后续TSN功能的扩充问题。

技术研发人员：赵东,高占盈,欧为军,陈立,李一楠,赵志鹏,岳林,张淼,秦树增,刘基全,张宇,王翔,吴琼,刘雅晴,赵晓宇,周永健,孙文哲,李辉,易海旺,徐宁,宋志丹,周宏伟
受保护的技术使用者：中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/10/10