列车以太网通讯接口解决方案

国内地铁线路中有一些线路已经和欧洲开始同步，在设备间配置以太网通讯。而列车中的以太网通讯和常用MVB、CANOpen、HDLC等列车控制总线对比，有什么优缺点呢？

IEC61375-3-4-2014中规定了列车通信网络(Train communication network TCN)中以太网通讯网络(Ethernet Consist Network ECN)的标准。此标准制定的主要原因是目前列车通讯的数据量剧增，而传统列车总线无法满足大数据量传输，所以采用以太网通讯，可以满足数据的传输要求。比如车载广播系统、视频系统、下载固件程序等。

图1：列车TCN网络类型

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。以太网通讯和主流的MVB、CANopen通讯对比，如表1所示。

表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1.5Mbps1Mbps100Mbps
实用波特率1.5Mbps250kbps100Mbps
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，分支长度小于10cm总线型，分支长度小于6米交换机星型结构，存储转发，点对点通讯不大于100米
收发器类型ESD：MAX3088
EMD：MAX3088+隔离变压器TJA1051T(非隔离)
CTM1051KT(隔离)以太网PHY芯片KSZ8041NL

+隔离变压器

控制器类型MVBC02专用芯片
或者
FPGA嵌入协议栈SJA1000T
或者
MCU内部自带CANDM9000
或者
MCU内部自带以太网
网络节点物理数量321101对1
数据吞吐量1个节点传输256位数据需要336us1个节点传输256位数据需要1.875ms1个节点传输256位数据需要100us
控制器稳定性非常稳定需要筛选汽车级芯片，以及进行程序防护需要高效稳定的协议栈以及外围高防护
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性的控制信号低速的低地板车与轻轨的控制信号通讯列车中需要大流量传输的信号，比如视频
成熟度非常成熟较为成熟目前用于非控制场合

可以看出，采用以太网接口主要优点是传输大数据量时，可以减少传输时间，但是会增加布线成本、布线难度，以及以太网通讯由于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。
另外EMC(电磁兼容)也需要考虑，由于以太网速率极高，其EMI(电磁辐射)极大，所以要使用较好的屏蔽网线。

列车设备中的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2所示。

图2：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。目前列车中大部分采用M12通讯电缆方式，可以保证较好的性价比。

网卡一般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。

图3：以太网模块

功能特点

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；
工作方式可选择TCP Server， TCP Client， UDP和 Real COM driver等多种工作模式，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；
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；
支持AT命令配置；
支持远程配置。

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