CN104796356A - 轨道车辆用车载以太网交换机和信号收发及列车重联方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交换机装置，具体的说，涉及一种可用于列车控制网络和信息网络的轨道车辆用车载以太网交换机和信号收发及列车重联方法，该以太网交换机包括电源模块、CPU模块、交换模块、以太网收发器模块、前背板模块和后背板模块，可根据实际应用灵活扩展和配置，接口数量多，即可根据需求配置多路以太网接口，如8路以太网接口、16路以太网接口或24路以太网接口，有效降低交换机生产成本，可支持链路聚合、旁路、二层转发\三层路由功能、列车数据实时传输、列车网车辆网数据转换和支持列车重联功能。

Description

轨道车辆用车载以太网交换机和信号收发及列车重联方法

技术领域

本发明涉及一种交换机装置，具体的说，涉及一种可用于列车控制网络和信息网络的轨道车辆用车载以太网交换机和信号收发及列车重联方法。

背景技术

随着列车不断朝着安全、可靠和智能化的方向发展，现有的轨道车辆控制网络的带宽小，无法满足列车控制与信息服务传输的大带宽需求。且传统的动车组控制网络主要采用WTB总线和MVB总线，其带宽分别只有1Mbps和1.5Mbps，主要传输列车控制(如牵引控制、制动控制、辅助控制、车门控制等)数据，而对于列车状态数据、列车诊断数据、列车维护等数据由于带宽限制无法及时传输，极大的影响了列车信息传输的可维护性和可用性。且随着列车网络应用的不断扩展，例如列车信息服务的多样化，使得列车网络上需要传输的信息越来越多，传统的列车WTB/MVB网络的带宽已不能支持如此大容量数据的传输要求。

近年来，随着通信技术的发展，工业以太网技术越来越成熟，与传统的列车网络控制***相比，工业以太网具有更高的数据传输速率(不低于100兆/秒)和带宽，使大量信息传输、智能诊断、故障精确定位、专家诊断***等功能成为可能，且组网灵活方便，是列车网络控制***的发展趋势。而交换机作为工业以太网的核心设备，自然成为轨道车辆列车控制与信息服务网络的重要组成设备。

列车控制与信息服务网络的功能要求交换机具有实时控制和支持列车重联功能。这两种特性是普通轨道车辆用交换机所不具备的特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于高速列车、机车和城市轨道车辆用车载以太网交换机和信号收发及列车重联方法，具有实时数据传输协议、支持列车重联功能、车辆网和列车网以太网数据转换功能，可根据实际应用灵活扩展和配置，传输速率快且可靠性高，大大简化列车动态网络配置和维护操作。

本发明的技术方案是：轨道车辆用车载以太网交换机，应用于高速列车、机车和城市轨道车辆，其特征在于：该以太网交换机包括电源模块、CPU模块、交换模块、以太网收发器模块、前背板模块和后背板模块；

所述CPU模块与所述交换模块、所述前背板模块和所述后背板模块连接，

所述CPU模块通过PCIE接口与所述交换模块进行双向通讯，

所述CPU模块通过USB接口或以太网接口进行程序升级，

所述CPU模块通过RTC时钟电路提供实时时钟信号；

所述交换模块与所述后背板模块、所述前背板模块和所述以太网收发器模块连接，

所述交换模块通过24路介质无关接口与所述以太网收发器模块进行双向通讯，

所述交换模块通过端口状态接口控制所述前背板模块的LED灯的闪烁状态；

所述以太网收发器模块与所述后背板模块和所述前背板模块连接，

所述以太网收发器模块通过8路介质无关接口与所述交换模块进行双向通讯，

所述以太网收发器模块通过8路以太网接口与所述前背板模块连接；

所述电源模块与后背板模块连接，为所述CPU模块、所述交换模块和所述以太网收发器模块供电；

所述前背板模块与所述CPU模块和所述以太网收发器模块连接；且设有电源接口、USB端口、串口端口、调试用以太网端口、多路以太网端口和用于显示多路以太网端口状态的LED灯。

该以太网交换机支持冗余供电，所述电源模块包含2路独立的电磁兼容保护电路和前端电源模块，具有2路冗余输入，当一路供电电路故障时，可由另一供电电路进行供电。

为确保该以太网交换机的精确控制，所述CPU模块包含高速微处理器芯片，对外提供USB接口、串口接口、以太网接口、RTC时钟电路和PCIE接口；所述高速微处理器芯片通过PCIE接口与所述交换模块进行双向通讯。

为保证该以太网交换机的数据传输的高速率，所述交换模块包含高密度端***换芯片，对外提供PCIE接口、24路介质无关接口和端口状态接口；所述高密度端***换芯片通过PCIE接口与所述高速微处理器芯片进行双向通讯。

进一步，为提高该以太网交换机的通用性，该以太网交换机至少包含1个以太网收发器模块，每个以太网收发器模块内均设有以太网收发器，所述以太网收发器对外提供至少8路介质无关接口和至少8路以太网接口；所述以太网收发器模块的以太网收发器与8路以太网接口之间设有网络变压器。

根据实际需求，该以太网交换机可对外提供16路介质无关接口和16路以太网接口，该以太网交换机包含2个以太网收发器模块，每个以太网收发器模块内均设有以太网收发器，2个以太网收发器对外提供共2个8路介质无关接口和2个8路以太网接口，即提供16路介质无关接口和16路以太网接口；所述以太网收发器模块的每个以太网收发器与每个8路以太网接口之间均设有网络变压器。

更进一步，可对外提供24路介质无关接口和24路以太网接口，该以太网交换机还设有旁路模块，与所述以太网收发器模块的结构和功能大体相同，所述旁路模块包含以旁路模块太网收发器，对外提供8路介质无关接口、4路旁路接口和4路以太网接口；所述旁路模块与所述交换模块、所述后背板模块和所述前背板模块连接，所述旁路模块通过8路介质无关接口与所述交换模块进行双向通讯，所述旁路模块通过4路以太网接口和4路旁路接口与所述前背板模块连接，所述前背板模块设有4路旁路端口；所述旁路模块以太网收发器与4路以太网接口之间设有网络变压器；所述旁路模块以太网收发器与4路旁路接口之间设有网络变压器和继电器。

为增加该以太网交换机的通用性和可扩展性，所述前背板模块上还设有电源接口、CPU模块接口、交换模块接口、以太网收发器模块接口和旁路模块接口。

所述前背板模块通过电源接口与所述电源模块相连，为电源模块提供电能；

所述前背板模块通过CPU模块接口与所述CPU模块相连，且提供USB端口、串口端口和调试用以太网端口；

所述前背板模块通过交换模块接口与所述交换模块相连，用于控制所述LED灯的闪烁状态；

所述前背板模块通过以太网收发器模块接口和旁路模块接口与所述以太网收发器模块和所述旁路模块相连，且提供24路以太网端口和4路旁路端口。

本发明还公开一种轨道车辆用车载以太网交换机信号收发方法，包括以下方法步骤：

1)CPU模块配置交换模块，实时协议数据包格式；

2)多路以太网端口接收实时协议数据包，并依次经以太网收发器模块和交换模块将接收到的实时协议数据包传递给CPU模块；

3)CPU模块实时协议数据帧，并将处理后的实时协议数据包依次经交换模块和以太网收发器模块发送至多路以太网端口输出。

轨道车辆用车载以太网交换机信号收发及列车重联方法，包括列车实时数据传输方法，即CPU模块控制数据进行周期性和偶发性传输，并提供透明时钟；步骤2)中多路以太网端口接收的实时协议数据包包括牵引***和制动***的周期性数据和偶发性数据；数据传输过程中CPU模块在规定的时间内对未传输的数据进行检测，并通过多路以太网端口发出应用提示。

轨道车辆用车载以太网交换机信号收发及列车重联方法包括列车重联方法，即步骤2)中多路以太网端口接收的实时协议数据包为邻居列车节点报文，CPU模块通过邻居列车节点报文获取相邻交换机的节点信息；且将接收到邻居列车节点报文发送给全列车辆的交换机，并根据接收到的邻居列车节点报文获取全列车辆的拓扑信息；根据获取的拓扑信息设置以太网交换机各模块参数，并将获取的全列车辆拓扑信息发送至列车显示节点经用户确认后，通过多路以太网端口发送至所有车载设备，实现全列车辆的列车重联。

轨道车辆用车载以太网交换机信号收发及列车重联方法包括列车网与车辆网的数据转换方法，即步骤2)中多路以太网端口接收的实时协议数据包为邻居列车节点报文，经CPU模块对列车节点报文进行逻辑运算处理后，组成新的列车级数据包通过多路以太网端口发送给其余以太网交换机；其余以太网交换机接收的列车级数据包经CPU模块对列车节点报文进行逻辑运算处理后，将列车节点报文拆分为N个数据包，并根据列车逻辑发送给相应列车的以太网控制器。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

1)与传统车载以太网交换机相比，该以太网交换机可支持链路聚合、旁路、二层转发\三层路由功能、列车数据实时传输、列车网车辆网数据转换和支持列车重联功能；

2)可根据实际应用灵活扩展和配置，接口数量多，即可根据需求配置多路以太网接口，如8路以太网接口、16路以太网接口或24路以太网接口，有效降低交换机生产成本；

3)数据传输速率可达千兆，传输速率快且可靠性强，有效简化列车动态网络配置和维护操作。

附图说明

图1为本发明的以太网交换机结构示意图(一)；

图2为本发明电源模块结构图；

图3为本发明CPU模块结构图；

图4为本发明交换模块结构图；

图5为本发明以太网收发器模块结构图；

图6为本发明旁路模块结构图；

图7为本发明前背板模块结构图；

图8为本发明后背板模快结构图；

图9为本发明的以太网交换机结构示意图(二)；

图10为本发明的以太网交换机结构示意图(三)。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

实施例1

参见图1，轨道车辆用车载以太网交换机，包括电源模块、CPU模块、交换模块、以太网收发器模块、前背板模块和后背板模块；

电源模块与后背板模块连接，为CPU模块、交换模块和以太网收发器模块供电；

电源模块结构图如图2，电源模块包含2路独立的电磁兼容保护电路和前端电源模块，具有2路冗余输入，当一路供电电路故障时，可由另一供电电路进行供电，提高供电的安全性。电源模块提供为+5V和+3.3V直流电压，具有高隔离性、高稳定性和低纹波的优点。

CPU模块与交换模块和后背板模块连接，CPU模块结构图参见图3，CPU模块包含高速微处理器芯片，运行嵌入式操作***，对外提供USB接口、串口接口、以太网接口、RTC时钟电路和PCIE接口；

其中，高速微处理器芯片通过PCIE接口与交换模块进行双向通讯，通过PCIE接口实现数据交互的高传输速率；

CPU模块通过USB接口或以太网接口进行程序升级；

CPU模块通过RTC时钟电路提供实时时钟信号。

交换模块与CPU模块、后背板模块和以太网收发器模块连接；交换模块结构图参见图4，交换模块包含高密度端***换芯片，对外提供PCIE接口、24路介质无关接口和端口状态接口。

高密度端***换芯片通过PCIE接口与高速微处理器芯片进行双向通讯；

交换模块通过24路介质无关接口与以太网收发器模块进行双向通讯；

交换模块通过端口状态接口控制前背板模块的LED灯的闪烁状态。

该以太网交换机包含1个以太网收发器模块，以太网收发器模块与交换模块、后背板模块和前背板模块连接。

以太网收发器模块结构图参见图5，以太网收发器模块内包含以太网收发器，对外提供8路介质无关接口和8路以太网接口；

以太网收发器模块的以太网收发器通过8路介质无关接口与高密度端***换芯片进行双向通讯；

以太网收发器模块的以太网收发器通过8路以太网接口与前背板模块连接；

其中，以太网收发器模块的以太网收发器与8路以太网接口之间设有网络变压器。

前背板模块与CPU模块和以太网收发器模块连接。

前背板模块结构图参见图7，前背板模块上设有电源接口、CPU模块接口、交换模块接口、以太网收发器模块接口、USB端口、串行端口、调试用以太网端口、8路以太网端口和用于显示8路以太网端口状态的LED灯。

前背板模块通过电源接口与电源模块相连，为电源模块提供电能；

前背板模块通过CPU模块接口与CPU模块相连，且提供USB端口、串口端口和调试用以太网端口；

本实施例中，前背板模块上采用通用型、牢固型、抗震型、耐用型、可靠型和防错插型的对外接口连接器，即上述USB端口、串行端口、调试用以太网端口、8路以太网端口均采用D编码M12连接器。电源接口采用A编码M12连接器，防止电源接口误插。

前背板模块通过交换模块接口与交换模块相连，交换模块通过端口状态接口控制前背板模块的LED灯的闪烁状态；

前背板模块通过以太网收发器模块接口与以太网收发器模块相连，且提供8路以太网端口。

后背板模块结构图参见图8，后背板模块与电源模块、CPU模块、交换模块和以太网收发器模块连接，

后背板模块通过与电源模块相连，为该以太网交换机各模块提供电能；

交换模块通过后背板模块与以太网收发器模块相连，实现交换模块与以太网收发器模块之间的双向通讯。

使用该以太网交换机进行信号收发及列车重联方法为：

1)CPU模块配置交换模块，实时协议数据包格式；

2)多路以太网端口接收实时协议数据包，并依次经以太网收发器模块和交换模块将接收到的实时协议数据包传递给CPU模块；

3)CPU模块实时协议数据帧，并将处理后的实时协议数据包依次经交换模块和以太网收发器模块发送至多路以太网端口输出。

实施例2

与实施例1的以太网交换机的结构组成基本相同，区别特征在于：参见图9，实施例2的以太网交换机包含2个以太网收发器模块，每个以太网收发器模块内均设有以太网收发器，2个以太网收发器对外提供共2个8路介质无关接口和2个8路以太网接口，即该以太网交换机可对外提供16路介质无关接口和16路以太网接口。

实施例3

与实施例2的以太网交换机的结构组成基本相同，即电源模块、CPU模块、交换模块、以太网收发器模块结构、前背板模块和后背板模块与组成如实施例2，区别特征在于：

参见图10，实施例3的以太网交换机除了包含2个以太网收发器模块外还设有旁路模块，即该以太网交换机可对外提供24路介质无关接口和24路以太网接口。旁路模块结构图参见图6，旁路模块包含以旁路模块太网收发器，对外提供8路介质无关接口、4路旁路接口和4路以太网接口；

旁路模块以太网收发器通过8路介质无关接口与高密度端***换芯片进行双向通讯；

旁路模块以太网收发器通过4路以太网接口和4路旁路接口与前背板模块连接，前背板模块设有旁路模块接口和4路旁路端口；

其中，旁路模块的以太网收发器与4路以太网接口之间设有网络变压器；旁路模块的以太网收发器与4路旁路接口之间设有网络变压器和继电器。

交换模块通过后背板模块与旁路模块相连，实现交换模块与旁路模块之间的双向通讯。

实施例4

该以太网交换机进行信号收发及列车重联方法可用于列车实时数据传输。

即CPU模块控制数据进行周期性和偶发性传输，并由CPU模块的RTC时钟电路提供透明时钟；并根据列车统一时间基准，通过多路以太网端口接收实时协议数据包，该实时协议数据包包括牵引***和制动***的周期性数据和偶发性数据，并对上述数据进行实时传输；数据传输过程中CPU模块在规定的时间内对未传输的数据进行检测，并通过多路以太网端口发出应用提示，以保证列车上的数据传送周期满足列车需求。

实施例5

该以太网交换机进行信号收发及列车重联方法可用于列车重联。

即实施例1中步骤2)中多路以太网端口接收的实时协议数据包为邻居列车节点报文，CPU模块通过邻居列车节点报文获取相邻交换机的节点信息；且将接收到邻居列车节点报文发送给全列车辆的交换机，并根据接收到的邻居列车节点报文获取全列车辆的拓扑信息，拓扑信息包括全列车辆节点、线性关系和重联属性等拓扑信息；根据获取的拓扑信息设置以太网交换机各模块参数，并将获取的全列车辆拓扑信息发送至列车显示节点经用户确认后，通过多路以太网端口发送至所有车载设备，实现全列车辆交换机的列车重联。

实施例6

该以太网交换机进行信号收发及列车重联方法可用于列车网与车辆网的数据转换。

即实施例1中步骤2)中多路以太网端口接收的实时协议数据包为邻居列车节点报文，经CPU模块对列车节点报文进行逻辑运算处理后，组成新的列车级数据包通过多路以太网端口发送给其余以太网交换机；其余以太网交换机接收的列车级数据包经CPU模块对列车节点报文进行逻辑运算处理后，将列车节点报文拆分为N个数据包，并根据列车逻辑发送给相应列车的以太网控制器，满足列车网车辆网二级网络控制要求，提高列车级宽带利用率。

在上述实施例1-3中，前背板模块上采用通用型、牢固型、抗震型、耐用型、可靠型和防错插型的对外接口连接器，即上述USB端口、串行端口、调试用以太网端口、多路以太网端口均采用D编码M12连接器。电源接口采用A编码M12连接器，防止电源接口误插。

该以太网交换机，内部电路采用模块化设计，扩展灵活且可支持链路聚合、旁路、二层转发和三层路由功能；外部结构采用机箱式设计，采用标准19英寸机箱，具备电磁屏蔽防护，满足相关铁路标准振动和冲击试验要求。

与现有交换机相比，对该以太网交换机进行***升级和维护过程较为便捷。对交换机进行日常维护和程序下载时，可直接连接前背板模块上提供的USB接口和以太网接口完成，无须打开交换机外壳，简化列车操作员现场维护流程。

Claims (12)

1.轨道车辆用车载以太网交换机，应用于高速列车、机车和城市轨道车辆，其特征在于：该以太网交换机包括电源模块、CPU模块、交换模块、以太网收发器模块、前背板模块和后背板模块；

所述CPU模块与所述交换模块、所述前背板模块和所述后背板模块连接，

所述CPU模块通过PCIE接口与所述交换模块进行双向通讯，

所述CPU模块通过USB接口或以太网接口进行程序升级，

所述CPU模块通过RTC时钟电路提供实时时钟信号；

所述交换模块与所述后背板模块、所述前背板模块和所述以太网收发器模块连接，

所述交换模块通过24路介质无关接口与所述以太网收发器模块进行双向通讯，

所述交换模块通过端口状态接口控制所述前背板模块的LED灯的闪烁状态；

所述以太网收发器模块与所述后背板模块和所述前背板模块连接，

所述以太网收发器模块通过8路介质无关接口与所述交换模块进行双向通讯，

所述以太网收发器模块通过8路以太网接口与所述前背板模块连接；

所述电源模块与后背板模块连接，为所述CPU模块、所述交换模块和所述以太网收发器模块供电；

所述前背板模块与所述CPU模块和所述以太网收发器模块连接；且设有电源接口、USB端口、串口端口、调试用以太网端口、多路以太网端口和用于显示多路以太网端口状态的LED灯。

2.根据权利要求1所述的轨道车辆用车载以太网交换机，其特征在于：该以太网交换机至少包含1个以太网收发器模块，每个以太网收发器模块内均设有以太网收发器，所述以太网收发器对外提供至少8路介质无关接口和至少8路以太网接口；所述以太网收发器模块的以太网收发器与8路以太网接口之间设有网络变压器。

3.根据权利要求2所述的轨道车辆用车载以太网交换机，其特征在于：该以太网交换机包含2个以太网收发器模块，每个以太网收发器模块内均设有以太网收发器，2个以太网收发器对外提供共2个8路介质无关接口和2个8路以太网接口；所述以太网收发器模块的每个以太网收发器与每个8路以太网接口之间均设有网络变压器。

4.根据权利要求3所述的轨道车辆用车载以太网交换机，其特征在于：该以太网交换机还设有旁路模块，所述旁路模块包含以旁路模块太网收发器，对外提供8路介质无关接口、4路旁路接口和4路以太网接口；所述旁路模块与所述交换模块、所述后背板模块和所述前背板模块连接，所述旁路模块通过8路介质无关接口与所述交换模块进行双向通讯，所述旁路模块通过4路以太网接口和4路旁路接口与所述前背板模块连接，所述前背板模块设有4路旁路端口；所述旁路模块以太网收发器与4路以太网接口之间设有网络变压器；所述旁路模块以太网收发器与4路旁路接口之间设有网络变压器和继电器。

5.根据权利要求4所述的轨道车辆用车载以太网交换机，其特征在于：所述前背板模块上还设有电源接口、CPU模块接口、交换模块接口、以太网收发器模块接口和旁路模块接口，

所述前背板模块通过电源接口与所述电源模块相连，为电源模块提供电能；

所述前背板模块通过CPU模块接口与所述CPU模块相连，且提供USB端口、串口端口和调试用以太网端口；

所述前背板模块通过交换模块接口与所述交换模块相连，用于控制所述LED灯的闪烁状态；

所述前背板模块通过以太网收发器模块接口和旁路模块接口与所述以太网收发器模块和所述旁路模块相连，且提供24路以太网端口和4路旁路端口。

6.根据权利要求1所述的轨道车辆用车载以太网交换机，其特征在于：所述电源模块包含2路独立的电磁兼容保护电路和前端电源模块，具有2路冗余输入，当一路供电电路故障时，可由另一供电电路进行供电。

7.根据权利要求1所述的轨道车辆用车载以太网交换机，其特征在于：所述CPU模块包含高速微处理器芯片，对外提供USB接口、串口接口、以太网接口、RTC时钟电路和PCIE接口；所述高速微处理器芯片通过PCIE接口与所述交换模块进行双向通讯。

8.根据权利要求7所述的轨道车辆用车载以太网交换机，其特征在于：所述交换模块包含高密度端***换芯片，对外提供PCIE接口、24路介质无关接口和端口状态接口；所述高密度端***换芯片通过PCIE接口与所述高速微处理器芯片进行双向通讯。

9.一种如权利要求1所述的轨道车辆用车载以太网交换机信号收发及列车重联方法，其特征在于包括以下方法步骤：

1)CPU模块配置交换模块，实时协议数据包格式；

2)多路以太网端口接收实时协议数据包，并依次经以太网收发器模块和交换模块将接收到的实时协议数据包传递给CPU模块；

3)CPU模块实时协议数据帧，并将处理后的实时协议数据包依次经交换模块和以太网收发器模块发送至多路以太网端口输出。

10.根据权利要求9所述的轨道车辆用车载以太网交换机信号收发及列车重联方法，其特征在于：包括列车实时数据传输方法，即CPU模块控制数据进行周期性和偶发性传输，并提供透明时钟；步骤2)中多路以太网端口接收的实时协议数据包包括周期性数据和偶发性数据；数据传输过程中CPU模块在规定的时间内对未传输的数据进行检测，并通过多路以太网端口发出应用提示。

11.根据权利要求9所述的轨道车辆用车载以太网交换机信号收发及列车重联方法，其特征在于：包括列车重联方法，即步骤2)中多路以太网端口接收的实时协议数据包包括邻居列车节点报文，CPU模块通过邻居列车节点报文获取相邻交换机的节点信息；且将接收到邻居列车节点报文发送给全列车辆的交换机，并根据接收到的邻居列车节点报文获取全列车辆的拓扑信息；根据获取的拓扑信息设置以太网交换机各模块参数，并将获取的全列车辆拓扑信息发送至列车显示节点经用户确认后，通过多路以太网端口发送至所有车载设备，实现全列车辆的列车重联。

12.根据权利要求9所述的轨道车辆用车载以太网交换机信号收发及列车重联方法，其特征在于：包括列车网与车辆网的数据转换方法，即步骤2)中多路以太网端口接收的实时协议数据包为邻居列车节点报文，经CPU模块对列车节点报文进行逻辑运算处理后，组成新的列车级数据包通过多路以太网端口发送给其余以太网交换机；其余以太网交换机接收的列车级数据包经CPU模块对列车节点报文进行逻辑运算处理后，将列车节点报文拆分为N个数据包，并根据列车逻辑发送给相应列车的以太网控制器。