现代车辆以太网通信的软硬件综合仿真演示装备

2023.04.01

王志伟刘晋潘硕

摘 ?要以太网是计算机网络的核心内容，基于以太网的轨道车辆则是现代交通技术的重要应用。鉴于当前以太网仿真演示多采用单一电脑软件或分散式硬件，效果难以贴近实际工程，提出一种联合仿真演示系统装备。该装备基于工业板卡搭建硬件平台，引入Multiprog、Python、MATLAB、PC软件建立综合仿真演示系统，具有更好的仿真演示功能和工程应用价值。

关键词以太网;轨道交通;综合仿真装备;Duagon;Python;Multiprog;MATLAB;Wireshark

中图分类号：TP391.9 ? ?文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）12-0028-04

Comprehensive Hardware and Software Simulation Equipment for Vehicle Ethernet Communication//WANG ZhiWei， LIU Jin， PAN Shuo， HU ZhengWei， CAO Yuan， LI Peng

Abstract Ethernet is the key equipment for modern computer inter-

nets. Ethernet-based rail vehicle is an important application of modern

transportation technology. Most Ethernet simulation systems use single PC software or distributed hardwares， whose simulation per-

formance can hardly meet real projects， so a comprehensive simula-tion and demonstration system is presented in this study. Industrial cards are adopted for hardware platform， while multiple softwares are included like Multiprog， Python， MATLAB， and PC softwares. The novel simulation system has superior merits for demonstration and engineering application.

Key words ethernet; rail transportation; comprehensive simulation equipment; Duagon; Python; Multiprog; MATLAB; Wireshark

1 引言

以太网是现代计算机网络的核心技术。由于以太网技术理论抽象度高，演示难度较大，传统的仿真和实验方式已难以满足现代通信的应用需求，因此，面向工程应用的软硬件综合仿真装备十分必要[1-2]。

以太网技术应用广泛，除了常见的局域网Internet技术，在工程尤其是轨道车辆中的应用愈发引起关注。然而，目前教学科研多采用PC软件模拟以太网的原理和运行，优点是简单易实现、成本低，但模拟效果过于简化，而且纯软件模拟方式难以再现硬件的运行机理。为此，有机构采用实验箱或分立元件集成方案来模拟，但该方式局限于硬件的组合模式，灵活性差，且分立元件的物理特性与实际工程差距甚大。综上，亟待一种新的装备模式来优化以太网的综合实验。

本文提出一种面向现代轨道交通的以太网软硬件联合仿真演示装备。该装备采用先进的瑞士Duagon板卡搭建硬件平台，并引入Multiprog通信编程、Python数据处理、MATLAB科学计算、PC辅助监测，使該系统具有更强的综合仿真演示功能。同时，由于Duagon板卡面向现代轨道交通应用背景研发，使得本装备能够面向实际工程应用，体现出较强的产学研价值潜力。

2 仿真演示装备的总体架构

本文所设计的综合仿真演示系统装备如图1所示，包括两部分：以太网硬件平台和多软件模块。

以太网硬件平台 ?核心模块采用先进的百兆以太网板卡Duagon i303，保证了工业级通用，且该板卡与大多数PLC的机理类同，为研究和实践提供了便利。

软件模块1：基于PC机的平台配置及监测 ?以太网硬件平台的程序下载依托PC机进行配置。同时，数据包的通信过程依赖PC机预装的软件进行监测。该模块在传统通信系统中具有典型性。

软件模块2：基于Multiprog的以太网板卡编程 ?Mul-tiprog是面向Duagon板卡的专用编程软件，采用功能图编程，与大多PLC语言兼容。

软件模块3：基于Python的数据包处理 ?由于采用了百兆以太网板卡通信，因此短时间内的数据包量巨大。基于Python软件进行大数据预处理，可高效完成数据包格式解析。

软件模块4：基于MATLAB的通信性能计算 ?MATLAB是当代科学计算主流软件，用于装备数据包的后处理，尤其涉及通信性能如丢包率和延迟率的计算。

3 仿真演示装备的硬件平台

硬件平台的核心是瑞士Duagon板卡i303[3]。该系列板卡由于高性能和强稳定性，占据了轨道交通大部分板卡市场份额。因此，基于本板卡的硬件平台适用于实际工程，具有较强的潜在市场价值。硬件平台包括两部分。

1）稳压供电模块（图2），为Duagon模块提供稳定直流供应。注意到网络通信性能对电压的稳定性要求较高，而传统的开关电源虽然成本低，但稳定性差，故此处采用连续可调稳压电源。

2）Duagon以太网模块（图3），其组成模块包括i012（电源板卡）、i101（CPU板卡）、i306（MVB通信板卡）、i303（以太网板卡）以及i202、i213、i211（模数端子）。其中i303（以太网板卡）是本装备的核心模块。

稳压电源提供DC 90～110 V的装备供电。采用两台同样的Duagon模块模拟以太网的两个通信节点，CPU通过RJ45连接PC，完成程序配置、下载和监控，两台Duagon通过M12接口互联通信，同时受PC端软件监测。

上述硬件平台建立，综合利用了稳压电源、PLC配置、以太网接口规范等计算机网络核心技术。

4 仿真演示装备的软件模块

如前所述，本文所提出的综合仿真演示系统装备由四部分软件模块组成。

软件模块1：基于PC机的平台配置及监测 ?如图4所示，由直流稳压电源连接Duagon设备的i012模块，提供100 V直流电;i101模块连接第一台PC机，通过PC机中安装的Multiprog软件编程、下载、启动，完成一系列指令;i303模块连接第二台PC机，通过PC机中安装的网络调试助手解析或发送UDP数据包。

为实现监控，利用安装在PC上的Wireshark软件抓取UDP数据包的IP地址、端口号、目标IP、目标端口号等信息，如图5所示。此外，通过常用的网络调试助手软件，可以进一步解析或发送UDP数据包，从而检测数据的收发是否失真。至此，在PC机端可以实现数据包通信的配置和监测。

软件模块2：基于Multiprog的以太网板卡编程 ?Mul-

tiprog软件是用于Duagon板卡平台的专用软件，其编程模式与传统PLC的功能图模式类似，因此可以在此基础上进行编程研究探索。本文所用到的Multiprog软件主要包括以太网配置、发送、接收三类模块，如图6所示。

利用Multiprog编程主要步骤如下：

1）调用功能块i303_ETH_Configure配置i303模块的IP地址、端口编号以及对应的子网掩码、网关;

2）调用功能块i303_ETH_Get_Config用来检测程序是否成功配置i303模块;

3）调用i303_UDP_Sender_Array配置目标IP地址、目标端口编号、发送数据类型等，调用i303_UDP_Receiver_

Array配置相应的IP地址、端口编号、接收数据类型;

4）测试接收数据功能，由PC发送数据到Duagon设备以太网i303模块，或从i303模块发送数据到PC。

此外，通过Wireshark和网络调试助手软件，监测数据发送接收情况，验证以太网通信的连通性。

软件模块3：基于Python的数据包处理 ?Python是大数据分析常用的技术语言[4]。由于本平台所采用的以太网为百兆带宽，通信测试的数据包数量巨大，因此采用Python

辅助进行数据包分析。首先，将Wireshark软件捕获到的数据包导出为txt格式，如图7所示。可见，数据包格式复杂，无法直观得到关键信息。

为此，使用Python编写代码对捕获到的数据包进行解析，即对捕获到的数据包进行预处理，删除与发送数据无关的内容，如mac地址、IP地址等，得到解析的十六进制数据如图8所示。可见，经过Python处理，可以将难以挖掘规律的数据包提炼成仅含实质信息的数据包，从而为接下来的通信性能分析（如丢包、延迟）奠定基础。这也充分展示了Python语言在处理大数据信息方面的优势。

软件模块4：基于MATLAB的通信性能计算 ?MATLAB为数据的深度计算和分析提供了便利，是当前教学科研最常用的编程语言[5]。为了对搭建的以太网平台进行性能分析，需要MATLAB编程处理，主要分两步：一是将Python处理输出的十六进制txt数据文件转换为十进制xls文件;二是编写MATLAB代码计算丟包率，如图9所示，通过分析数据包的序号，判断是否连续。若连续，则说明数据包收发成功，即无丢包;若出现序号缺失，则说明部分数据包丢失。

实验表明，电压波动尤其欠电压是影响数据丢包率的重要因素，这也对稳压电源模块提出更高要求。

5 结语

针对现有以太网实验设备仅限于PC软件或分立元件模拟，难以面向实际工程项目、拓展性差的缺点，本文介绍一种软硬件综合仿真演示装备。该装备的创新点包括：

1）采用先进的以太网板卡搭建平台，直接对接工业级应用，具有项目驱动特性;

2）采用PC软件辅助分析，综合利用MATLAB、Python、

Wireshark等软件进行多方位的分析;

3）平台的软硬件以现代轨道交通为背景，平台的需求源于实践又具有较强的产学研转化潜力。

经过笔者团队多组本科创新和研究生实验证明，本平台装备虽然模块众多，但方案明确、流程清晰、易上手，且多种软件融合使用，紧贴交通工程热点，仿真演示效果良好，值得进一步探讨和推广。

参考文献

[1]张宏升，邹宁，王潇.基于仿真技术的民办院校计算机网络课程教学模式创新研究[J].中国教育技术装备，2016（21）：

8-9，12.

[2]赵秀丽.项目教学法在计算机网络教学中的应用研究[J].中国教育技术装备，2014（19）：66-67.

[3]杜根中国.Duagon产品技术手册.[2019-01-15].https：//

www.duagon.com/cn/.

[4]嵩天，礼欣，黄天羽.Python语言程序设计基础[M].高等教育出版社，2017.

[5]赵海滨，刘冲，陆志国.MATLAB/Simulink软件在机器人实验教学中的应用[J].中国教育技术装备，2018（12）：1-4.