以太网控制单元

技术领域

本发明涉及轨道车辆控制技术领域，尤其涉及一种以太网控制单元。

背景技术

随着信息化时代的到来，需要充分、快速的掌握轨道交通车辆上设备的状态。由于轨道交通车辆上设备的实时状态数据、故障信息、健康状态数据等信息较多，控制单元不仅需要具有稳定可靠的性能，还要具备采集并存储大量实时数据、故障数据、健康状态数据等功能，以及具备与列车主干网络交互数据的能力。

现有技术中，控制单元的各个板卡之间采用基于CPCI总线进行数据交互。CPCI总线具有多路的数据线、地址线、控制线等，使得硬件设计和软件开发均比较复杂，会增加轨道交通车辆的研发成本。

因此，有必要提供一种控制单元来解决轨道交通车辆研发过程中所面临的这种情况。

发明内容

本发明提供一种以太网控制单元，以解决CPCI总线具有多路的数据线、地址线、控制线等，使得硬件设计和软件开发均比较复杂，会增加轨道交通车辆的研发成本的问题。

本发明提供一种以太网控制单元，包括：网络板、核心控制板、数字输入/输出板和模拟量采集板；

所述网络板、所述核心控制板、所述数字输入/输出板和所述模拟量采集板上均设置有以太网芯片；

所述网络板的以太网芯片与所述核心控制板的以太网芯片通过以太网协议通信连接；

所述核心控制板的以太网芯片分别与所述数字输入/输出板的以太网芯片和所述模拟量采集板的以太网芯片通过以太网协议通信连接。

可选地，所述核心控制板、所述数字输入/输出板和所述模拟量采集板的数量均为多个，且多个所述核心控制板分别与多个所述数字输入/输出板和多个所述模拟量采集板一一对应连接。

可选地，所述网络板包括FPGA芯片和多个所述以太网芯片，所述网络板的FPGA芯片分别与多个所述以太网芯片连接；

所述核心控制板包括FPGA芯片和三个所述以太网芯片，所述核心控制板的FPGA芯片与三个所述以太网芯片连接；

所述数字输入/输出板包括FPGA芯片和一个所述以太网芯片，所述数字输入/输出板的FPGA芯片与一个所述以太网芯片连接；

所述模拟量采集板包括FPGA芯片和一个所述以太网芯片，所述模拟量采集板的FPGA芯片与一个所述以太网芯片连接；

所述网络板的多个以太网芯片分别与多个所述核心控制板上的一个以太网芯片一一对应连接；

所述数字输入/输出板的以太网芯片和所述模拟量采集板的以太网芯片分别与所述核心控制板的另外两个以太网芯片一一对应连接。

可选地，所述数字输入/输出板还包括I/O调理电路，所述数字输入/输出板的FPGA芯片与所述I/O调理电路连接。

可选地，所述模拟量采集板还包括A/D采样电路，所述模拟量采集板的FPGA芯片与所述A/D采样电路连接。

可选地，所述网络板的FPGA芯片与所述网络板的以太网芯片之间采用RGMII接口交换数据。

可选地，所述网络板还包括ARM控制板，所述网络板的ARM控制板与所述网络板的FPGA芯片之间通过以太网通信协议通信连接，且所述网络板的ARM控制板与维护终端之间通过以太网通信协议通信连接。

可选地，所述网络板的ARM控制板与所述网络板的FPGA芯片之间还采用GPMC接口交换数据。

可选地，还包括背板和电源板；

所述网络板、所述核心控制板、所述数字输入/输出板、所述模拟量采集板和所述电源板均连接在所述背板上；

所述电源板通过所述背板对所述网络板、所述核心控制板、所述数字输入/输出板和所述模拟量采集板供电；

所述网络板通过所述背板与所述核心控制板通信连接。

可选地，所述电源板包括第一电源板和第二电源板，所述第一电源板通过所述背板对所述网络板、所述核心控制板和所述数字输入/输出板供电；所述第二电源板通过所述背板对所述模拟量采集板供电。

本发明提供一种以太网控制单元，包括：网络板、核心控制板、数字输入/输出板和模拟量采集板；网络板、核心控制板、数字输入/输出板和模拟量采集板上均设置有以太网芯片；网络板的以太网芯片与核心控制板的以太网芯片通过以太网协议通信连接；核心控制板的以太网芯片分别与数字输入/输出板的以太网芯片和模拟量采集板的以太网芯片通过以太网协议通信连接。通过以太网作为控制单元板卡之间数据交互的通讯总线，使得硬件设计和软件开发均较为简单，从而降低了轨道交通车辆的研发成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种以太网控制单元的结构示意图；

图2为图1中网络板与核心控制板之间的通信结构示意图；

图3为图1中核心控制板与与模拟量采集板、数字量输入/输出之间的通信结构示意图；

图4为图1中网络板的内部通信结构示意图。

附图标记说明：

10-网络板；

11-以太网芯片；

12-FPGA芯片；

13-ARM控制板；

20-核心控制板；

30-数字输入/输出板；

40-模拟量采集板；

50-背板；

60-电源板；

61-第一电源板；

62-第二电源板。

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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在以上描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

随着信息化时代的到来，需要充分、快速的掌握轨道交通车辆上设备的状态。由于轨道交通车辆上设备的实时状态数据、故障信息、健康状态数据等信息较多，控制单元不仅需要具有稳定可靠的性能，还要具备采集并存储大量实时数据、故障数据、健康状态数据等功能，以及具备与列车主干网络交互数据的能力。现有技术中，控制单元的各个板卡之间采用基于CPCI总线进行数据交互。CPCI总线具有多路的数据线、地址线、控制线等，使得硬件设计和软件开发均比较复杂，会增加轨道交通车辆的研发成本。

因此，有必要提供一种控制单元来解决轨道交通车辆研发过程中所面临的这种情况。

为了解决上述问题，本发明提供一种以太网控制单元，通过以太网作为控制单元板卡之间数据交互的通讯总线，使得硬件设计和软件开发均较为简单，从而降低了轨道交通车辆的研发成本。

下面结合具体实施例对本发明提供的以太网控制单元进行详细说明。

图1为本发明提供的一种以太网控制单元的结构示意图；图2为图1中网络板与核心控制板之间的通信结构示意图；图3为图1中核心控制板与与模拟量采集板、数字量输入/输出之间的通信结构示意图；图4为图1中网络板的内部通信结构示意图。

如图所示，本发明提供一种以太网控制单元，包括：网络板10、核心控制板20、数字输入/输出板30和模拟量采集板40；网络板10、核心控制板20、数字输入/输出板30和模拟量采集板40上均设置有以太网芯片11；网络板10的以太网芯片11与核心控制板20的以太网芯片11通过以太网协议通信连接；核心控制板20的以太网芯片11分别与数字输入/输出板30的以太网芯片11和模拟量采集板40的以太网芯片11通过以太网协议通信连接。

其中，以太网控制单元还包括背板50和电源板60。网络板10、核心控制板20、数字输入/输出板30、模拟量采集板40和电源板60均连接在背板50上。

网络板10、核心控制板20、数字输入/输出板30、模拟量采集板40和电源板60上均设置有连接器，背板50上设置有与网络板10、核心控制板20、数字输入/输出板30、模拟量采集板40和电源板60上的连接器相对应的连接器。背板50用于为各个板卡之间提供信号和电源通路。

电源板60通过背板50对网络板10、核心控制板20、数字输入/输出板30和模拟量采集板40供电。

网络板10用于与核心控制板20进行数据交互，且将与核心控制板20进行数据传动给维护终端，从而通过维护终端可以充分、快速的掌握轨道车辆上设备的状态。网络板10和核心控制板20上均设置有以太网芯片11，核心控制板20的以太网芯片与网络板10的以太网芯片之间通过以太网通信协议通信连接。

核心控制板20分别与数字输入/输出板30和模拟量采集板40进行数据交互。核心控制板20、数字输入/输出板30和模拟量采集板40上均设置有以太网芯片11，核心控制板20的以太网芯片11分别与数字输入/输出板30的以太网芯片11和模拟量采集板40的以太网芯片11通过以太网通信协议通信连接。

需要说明的是，以太网芯片11可以为千兆以太网芯片，也可以万兆以太网芯片，在此不做具体设置。

本发明提供的以太网控制单元，通过以太网作为控制单元板卡之间数据交互的通讯总线，使得硬件设计和软件开发均较为简单，从而降低了轨道交通车辆的研发成本。

可选地，核心控制板20、数字输入/输出板30和模拟量采集板40的数量均为多个，且多个核心控制板分别与多个数字输入/输出板和多个模拟量采集板一一对应连接。

通过多个核心控制板20、多个数字输入/输出板30和多个模拟量采集板40组合就可以完成特定的功能，从而使得以太网控制单元具有较灵活的架构，而且还提高了以太网控制单元的模块化程度。

示例性地，网络板10的数量为一个，网络板10包括FPGA芯片12和四个以太网芯片11，网络板10的FPGA芯片12分别与四个以太网芯片11连接；核心控制板20的数量为四个，核心控制板20包括FPGA芯片12和三个以太网芯片11，核心控制板的FPGA芯片12与三个以太网芯片11连接；数字输入/输出板30的数量为四个，数字输入/输出板30包括FPGA芯片和一个以太网芯片，数字输入/输出板30的FPGA芯片12与一个以太网芯片11连接；模拟量采集板40的数量为四个，模拟量采集板40包括FPGA芯片和一个以太网芯片，模拟量采集板40的FPGA芯片12与一个以太网芯片11连接。网络板10的四个以太网芯片11通过背板50分别与四个核心控制板20上的一个以太网芯片11一一对应连接，使得网络板10同时与四个核心控制板20进行以太网通信，从而实现网络板10同时与四个核心控制板20进行数据交换；数字输入/输出板30的以太网芯片11和模拟量采集板40的以太网芯片11分别与核心控制板20的另外两个以太网芯片11一一对应连接，使得四个核心控制板20分别同时与四个数字输入/输出板30和模拟量采集板40进行以太网工作，从而实现四个核心控制板20分别同时与四个数字输入/输出板30和模拟量采集板40进行数据交换。

需要说明的是，核心控制板20、数字输入/输出板30和模拟量采集板40的数量由以太网控制单元实现的功能而定。

还需要指出的是，核心控制板20与网络板10之间采用四对差分信号的物理连接方式，也即是，接收信号和发送信号各两对，共八根线，实现了核心控制板20与网络板10之间千兆以太网的数据收发；核心控制板20与模拟量采集板40、数字量输入/输出板30之间分别采用四对差分信号的物理连接方式，也即是，接收信号和发送信号各两对，共八根线，实现了核心控制板20与模拟量采集板40、数字量输入/输出板30之间千兆以太网的数据收发。

可选地，为了调理以太网控制单元的输入电平状态，数字输入/输出板30还包括I/O调理电路，数字输入/输出板30的FPGA芯片与I/O调理电路连接。

数字输入/输出板30通过FPGA芯片读取经过I/O调理电路的输入电平状态并通过以太网通信的方式发送给核心控制板20，然后核心控制板20通过FPGA芯片操作以太网芯片通过以太网通信的方式发送I/O输出指令，并将在对应的I/O通道输出对应的电平。

可选地，为了读取传感器的采样信号，模拟量采集板40还包括A/D采样电路，模拟量采集板40的FPGA芯片与A/D采样电路连接。

模拟量采集板40通过FPGA芯片操作A/D采样电路并读取传感器的采样信号，然后将采集到的数据通过以太网通信的方式发送给核心控制板20，最后核心控制板20通过以太网通信的方式发送给网络板10，从而使得可以充分、快速的掌握轨道车辆上设备的状态。

需要说明的是，以太网属于通用标准总线，不仅可以与FPGA芯片，还可以支持其它架构的处理器，从而使得以太网控制单元便于开发，进而降低了轨道车辆的研发与维护成本。

还需要指出的是，传感器可以为温度传感器、湿度传感器、电流传感器、电压传感器等，在此不做具体设置。

可选地，为了提高以太网控制单元的可靠性，网络板10的FPGA芯片与网络板10的以太网芯片之间采用RGMII接口交换数据。当然，其它板卡的的FPGA芯片与以太网芯片之间也可以采用RGMII接口交换数据，在此不做具体设置。

可选地，为了将网络板10的FPGA芯片发动过来的数据以文件形式存储，网络板10还包括ARM控制板13，网络板10的ARM控制板13与网络板10的FPGA芯片之间通过以太网通信协议通信连接，且网络板10的ARM控制板13与维护终端之间通过以太网通信协议通信连接。

网络板10的FPGA芯片与ARM控制板13之间通过两个以太网芯片11连接，使得网络板10的FPGA芯片与ARM控制板13之间进行以太网通信，从而实现网络板10的FPGA芯片与ARM控制板13的数据交换。

网络板10的FPGA芯片与ARM控制板13之间采用四对差分信号的物理连接方式，也即是，接收信号和发送信号各两对，共八根线，实现了网络板10的FPGA芯片与ARM控制板13之间千兆以太网的数据收发。

需要说明的是，ARM控制板13通过RGMII接口控制的以太网芯片11与维护终端进行通信，此时ARM控制板13可以建立TCP/IP服务器，维护终端上的人机交互界面以TCP/IP客户端的形式与ARM控制板13建立链接。

还要指出的是，网络板10的ARM控制板13的作用除了与FPGA芯片以及维护终端进行通信外，ARM控制板13还具备：建立Linux操作系统，将FPGA芯片发送过来的数据以文件形式存储；将FPGA芯片发过来的数据转发给维护终端上的人机交互界面；建立FTP服务器，使操作人员通过维护端口可以下载数据文件。

可选地，为了可以主动读写网络板10的FPGA芯片的数据，网络板10的ARM控制板13与网络板10的FPGA芯片之间还采用GPMC接口交换数据，此时网络板10的FPGA芯片相当于ARM控制板13的一个存储器外设。

可选地，为了可以使以太网控制单元节省空间，电源板60包括第一电源板61和第二电源板62，第一电源板61通过背板50对网络板10、核心控制板20和数字输入/输出板30供电；第二电源板62通过背板50对模拟量采集板40供电。在其它实现方式中，在产品空间允许的情况下，电源板60也可以为集成在一体的板卡，在此不做具体设置。

示意性地，第一电源板61通过背板50为网络板10、核心控制板20和数字输入/输出板30提供DC+5V和GND；第二电源板62通过背板50为模拟量采集板40提供DC+15V、DC-15V和GND。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。