基于以太网和CAN总线控制的列车通信网络研究

发布时间：2016-09-04 19:19

  本文关键词：基于以太网和CAN总线控制的列车通信网络研究，由笔耕文化传播整理发布。

《中南大学》 2009年

基于以太网和CAN总线控制的列车通信网络研究

田鹏  

【摘要】： 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。

【关键词】：
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP29-AC
【目录】：

摘要3-5

ABSTRACT5-9

第一章 绪论9-19

1.1 列车通信网络简介9-11

1.2 国内外列车通信网络研究现状11-14

1.2.1 国外列车通信网络发展情况12-13

1.2.2 国内列车通信网络发展情况13-14

1.3 国内外几种主流列车通信网技术的比较14-17

1.3.1 LonWorks14

1.3.2 WorldFIP14-15

1.3.3 CAN总线15-16

1.3.4 TCN16-17

1.4 课题背景意义及本文的主要内容17-19

第二章 网络通信协议与网络互联分析19-37

2.1 嵌入式系统及嵌入式网关简介19-21

2.1.1 嵌入式系统19-20

2.1.2 嵌入式网关20-21

2.2 控制器局域网CAN21-24

2.2.1 CAN总线简介21-22

2.2.2 CAN总线网络模型及帧结构22-24

2.3 以太网(Ethernet)24-30

2.3.1 以太网简介24-25

2.3.2 工业以太网及其特殊性25-26

2.3.3 工业以太网关键技术的研究26-28

2.3.4 以太网网络模型与帧结构28-30

2.4 以太网与CAN总线的互联研究30-37

2.4.1 OSI体系模型和TCP/IP体系结构30-32

2.4.2 网间网体系结构特点与异构网络的连接32-34

2.4.3 以太网与CAN总线的协议转换实现及互联分析34-37

第三章 系统硬件的设计与实现37-47

3.1 网关结构与网络模型37-39

3.2 异构网络协议转换与系统框架设计39-41

3.3 主要控制器芯片介绍41-43

3.3.1 嵌入式控器器S3C2440原理41-42

3.3.2 以太网控制器DM9000A原理42

3.3.3 CAN总线芯片SJA1000原理42-43

3.4 接口电路图43-47

3.4.1 以太网接口电路43-45

3.4.2 CAN接口电路图45-47

第四章 系统软件的设计与实现47-66

4.1 嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ及TCP/IP的移植47-48

4.2 LwIP的操作系统封装层(operating system.emulation layer)48-49

4.3 轻型IP协议在嵌入式处理器上的移植以及接口驱动的实现49-61

4.3.1 系统初始化操作50-51

4.3.2 创建TCP/IP处理进程51

4.3.3 LwIP中定时事件51-54

4.3.4 LwIP中mbox的实现54-59

4.3.5 接口驱动的实现59-61

4.4 网关软件设计61-66

4.4.1 以太网控制器驱动模块61-63

4.4.2 CAN控制器驱动模块63-64

4.4.3 Enthernet-CAN报文转换模块64-65

4.4.4 UATR-CAN报文转换65

4.4.5 分析系统任务65-66

第五章 系统测试与实验结果分析66-73

5.1 列车通信网络系统的构成66-67

5.1.1 车辆总线网的组成66

5.1.2 列车总线网的组成66

5.1.3 列车通信网络的构成66-67

5.2 通信模块分析与测试67-73

5.2.1 以太网与网关连同性测试69-70

5.2.2 上行数据通信测试70

5.2.3 下行数据通信测试70-71

5.2.4 数据响应时间及可靠性分析71-73

第六章 总结与展望73-76

6.1 论文总结73

6.2 课题展望73-76

参考文献76-79

致谢79-80

攻读学位期间的主要研究成果80

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【引证文献】

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【共引文献】

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【同被引文献】

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【二级参考文献】

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  本文关键词：基于以太网和CAN总线控制的列车通信网络研究，，由笔耕文化传播整理发布。

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