列车以太网接口方案

2. 列车控制器采用以太网接口的可行性分析与风险...............................................2
3. 控制器以太网接口要求...........................................................................................4
10/100M 自适应以太网接口; 支持 AUTO MDI/MDIX,可使用交叉网线或平行网线连接; 波特率在 300bps~1.152Mbps 之间可任意设定(AT 指令与 ZNETCOM 配置软件最
高可设置 230.4Kbps，使用网页配置则可最高设置为 1.152Mbps).; 工作方式可选择 TCP Server, TCP Client, UDP 和 Real COM driver 等多种工作模式,
最高波特率传
ESD：20 米
40 米
100 米
输距离
EMD：200 米
实用波特率
1.5Mbps
250kbps
100Mbps
实用通讯距离
小于 200 米
小于 200 米
小于 100 米
拓扑结构 总线型，分支长度小 总线型，分支长度小于 交换机星型结构，存储
于 10cm
6米
转发，点对点通讯不大
于 100 米
列车以太网接口方案
Application Note
AN01010101 V1.00 Date: 2015/12/03
类别 关键词 摘要
内容 以太网、列车、可行性
修订历史
版本 V1.00
日期 2015/12/03
列车以太网接口方案
原因 创建文档
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列车以太网接口方案
目录
1. 以太网在列车中应用的介绍...................................................................................1
4.2.2 产品特性：...........................................................................................................7
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列车以太网接口方案 1. 以太网在列车中应用的介绍
IEC61375-3-4 中规定了 TCN 为以太网通讯网络的标准。主要原因是列车通讯的数据量 剧增，而我们常用的 MVB、CANOpen、HDLC 等控制总线，在实时性可以保证控制通讯， 但无法满足大数据量的通讯。如果有大数据量数据传输，将会导致总线阻塞和控制时间延迟 等问题。
SJA1000T
DM9000
或者
或者
或者
FPGA 嵌入协议栈 MCU 内部自带 CAN MCU 内部自带以太网
网络节点物理
32
110
1对1
数量
网络节点逻辑
4095
128
4294967295
数量
数据吞吐量 1 个节点传输 256 位 1 个节点传输 256 位数 1 个节点传输 256 位数据
数据需要 336us
4. 设计方案...................................................................................................................6
4.1
以太网接口连接器选型 ........................................................................................... 6
图 1.1 列车 TCN 网络类型
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列车以太网接口方案
2. 列车控制器采用以太网接口的可行性分析与风险
以太网属于点对点通讯，其和主流的 MVB、CANopen 对比如表 2.1 所示。
表 2.1 TCN 几种通讯方式对比
MVB 总线
CANopen 总线
实时以太网
最高波特率
1.5Mbps
1Mbps
100Mbps
Req5
终端设备使用交叉线缆接入交换机，线缆的两端都采用 M12 连接器，线缆连接如下：
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列车以太网接口方案
Req6
Req7 Req8 Req9 Req10 Req11 Req12 Req13 Req14
Req15 Req16
Pin 1 to pin 2 Pin 2 to pin 1 Pin 3 to pin 4 Pin 4 to pin 3 M12 连接器金属外壳以及管脚应该镀金，连接器选用 Harting 品牌 4 芯 M12 母接口（母 座）21033814412；接口母针镀金，接触材料为铜合金。 以太网线缆的屏蔽应该与 M12 连接器的屏蔽层连接在一起。 M12 连接器应该有足够的接地，提供屏蔽到地面。 每个设备必须具备一个全球唯一的 MAC 地址。 设备应该支持 EthernetII 的帧格式，在 RFC894 中规定。 设备禁止在 MAC 报文头中使用 IEEE 802.1q (D) VLAN 和优先标签。 设备禁止 IEEE 802.3x 流控制。 应采用 IPV4。 IP 层协议包括：
4.2
以太网模块硬件设计 ............................................................................................... 6
4.2.1 功能特点：...........................................................................................................7
据需要 1.875ms
需要 100us
控制器稳定性
非常稳定
需要筛选汽车级芯片， 需要高效稳定的协议栈
以及进行程序防护
以及外围高防护
时间可预测性
可以预测
不可预测
可以预测
节点突发发送
不可以
可以
可以
设备成本
中等
便宜
较高
开发成本
较高
中等
较高
开发难度
较大
简单
较大
应用场合 高铁地铁列车中关键 低速的低地板车与轻 列车中需要大流量传输
管脚
信号
1
Ethernet TX+
2
Ethernet TX-
3
Ethernet RX+
4
Ethernet RX-
5
NC
6
TXD
7
RXD
8
485EN
9
COM_CFG
10 nRST 模块复位脚
11
GND
12
GND
方向 OUT OUT
IN IN 保留 OUT IN 保留 IN IN —— ——
管脚 ——
23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13
性的控制信号
轨的控制信号通讯
的信号，比如视频
成熟度
非常成熟
较为成熟
目前用于非控制场合
所以，采用以太网接口。主要优点只是传输大数据量时，比如在下载更新程序时，可以
加快下载速度；
而主要的风险在于以太网网络本身采用交换机方式，点对点通讯而 2.1 列车以太网交换机
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列车以太网接口方案
3. 控制器以太网接口要求
以太网接口包括带锁紧的 RJ45 头、光纤接口、M12 通讯电缆三种类型。如图 3.1 所示。
图 3.1 以太网接口方式
根据《TCSN 终端设备以太网接口规范》要求，提供控制器以太网通讯口接入方案。 目前采用 M12 通讯电缆方式，具体的需求表，如表 3.1 所示。
4.1 以太网接口连接器选型
以太网接口选用 Harting 品牌 4 芯 M12 母接口（母座）21033814412；
图 4.1 以太网接口选型
4.2 以太网模块硬件设计
控制系统接入控制网，网卡采用广州致远电子股份有限公司的 ZNE-100TL+模块的。可 以轻松地使用主控 MCU 的串口转换为以太网接口
工作端口，目标 IP 地址和端口均可设定; 提供通用配置函数库,方便用户使用 VC、VB、Delphi 和 C++Builder 开发应用程序
进行二次开发; 内置 WEB 服务器，方便客户进行网页配置; 网络断开后自动断开连接,保证整个网络可靠的建立 TCP 连接; 支持 DNS,满足通过域名实现通讯的需求; 灵活的串口数据分帧设置,满足用户各种分包需求; 兼容 SOCKET 工作方式(TCP Server, TCP Client, UDP 等),上位机通讯软件编写遵从
设备以太网接口应设计具备如下特性： 满足 IEEE 802.3 要求 100Base-TX Full duplex
连接器应该是”D”编码 4 脚 M12 连接器，满足 IEC 61076-2-101。 M12 母（插孔）接口应该用于设备端，M12 公（插针）接口应该用于以太网线缆，M12
连接器示意图和引脚定义如下：
线缆材质
0.75m2 屏蔽双绞线
0.75m2 屏蔽双绞线
超五类网线
接头形式
DB9
DB9
M12 插座
收发器类型
ESD：MAX3088 TJA1051T（非隔离）
以太网 PHY 芯片
EMD：MAX3088+隔 CTM1051KT（隔离）
KSZ8041NL
离变压器
+隔离变压器
控制器类型 MVBC02 专用芯片
（1）成本增加。由于以太网只能 1 对 1 通讯，所以每个设备都必须有一条网线和交换机连 接，线缆成本急剧增加。为了避免交换机死机或者损坏，必须通过多台冗余的方式实现鲁棒 性，设备成本急剧增加。另外以太网通讯距离只有 100 米，延长距离还是加交换机，所以采 用以太网通讯，整车的成本是急剧上升，预计比 MVB 通讯增加 2-3 倍的成本 （2）布线难度加大。MVB、CANopen、HDLC 等现场总线均为“手牵手”式的总线结构， 符合列车直线型的拓扑结构，而以太网属于交换机的星型拓扑，如果对于分布式节点来说， 以太网增大了布线难度； （3）交换机风险。以太网通讯极度依赖于交换机的稳定性，一旦交换机死机或者损坏，全 部节点将都无法通讯。而传统的 CAN 和 MVB，任何一台设备损坏，都不会影响总线； （4）EMC（电磁兼容）风险：以太网速率极高，其 EMI（电磁辐射）极大，所以要使用较 好的屏蔽网线来解决这个问题；
置 8 个认证 IP 或 IP 段; 支持本地和远程的系统固件升级; 免费提供 Windows 平台配置软件函数库,包含简单易用的 API 函数库,方便用户编写
自己的配置软件; 支持 AT 命令配置; 支持远程配置. 最多支持 6 个 IO 和 2 路 10bit ADC；
信号 —— IO1 IO2 IO3 IO4 100M_LINK_LED IO5 ADC0 ADC1 ACT_LED VCC (+5V DC) VCC (+5V DC)
方向 —— 保留 保留 保留 保留 OUT 保留 保留 保留 OUT IN IN
图 4.2 以太网模块
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4.2.1 功能特点
因此在列车中采用以太网通讯，主要是满足需要大数据量传输的系统。比如车载广播系 统、视频系统、下载固件程序等。可以减少系统更新时间，提高工作效率。
但由于以太网本身的物理层、链路层、协议栈的复杂性，导致其成本是较高的，其可靠 性、网络失效影响和鲁棒性还都在验证中，故列车的主要控制系统还没有大批量使用以太网 作为主要控制通讯方式。
表 3.1 需求响应列表
需求编号 Req1 Req2
Req3 Req4
描述 设备的物理接口应该与 IEEE 802.3 保持兼容。当执行 EN50155 transient burst test 时， 应该能驱动根据 ISO 11801 “D” 类以太网信道 100 米长度线缆和 6 个中间连接器。
ARP ICMP IGMP 设备应该支持 TCP 和 UDP 协议。 设备应用层可以选择支持如下协议： SNMP 协议 Telnet 服务 FTP 协议 TRDP 协议
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4. 设计方案
若业主对控制系统有并入以太网的需求，则控制器通讯采用以太网通讯，地铁机组定义 好通讯端口及通讯数据即可。
标准的 SOCKET 规则; 支持虚拟串口工作方式,提供 WINDOWS 虚拟串口驱动,让用户串口设备无逢升级
至以太网通讯方式,无需修改原有串口软件; TCP 支持多连接,支持连接校验密码和连接后发送特定数据,满足 4 个以内用户同时
管理一个嵌入式模块的设备; UDP 方式下支持单机或多机通讯,满足多个用户同时管理一个嵌入式模块的设备; 支持先进的安全机制,防止未经授权者的非法访问,提供防火墙 IP 地址筛选,最多设