劉 峰， 胡黃水＊， 王宏志， 王 博

（1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

0 引 言

多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，MVB）和絞線式列車總線（Wired Train Bus，WTB）構(gòu)成了列車通信網(wǎng)絡(luò)總線（Train Communication Network，TCN），它具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、冗余和容錯(cuò)性能良好的特點(diǎn)，在高鐵、動(dòng)車等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)從各個(gè)方面進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［2］對(duì)多功能車輛總線事件仲裁進(jìn)行了優(yōu)化和設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)［3］對(duì)MVB基帶傳輸系統(tǒng)的帶寬以及傳輸介質(zhì)信道特性等進(jìn)行了廣泛研究。在MVB網(wǎng)絡(luò)通信建模方面，文獻(xiàn)［4］采用Petri網(wǎng)建模方法對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)單純過程數(shù)據(jù)通信的吞吐性能進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)［5］采用集成在Simulink之中的Stateflow圖形化設(shè)計(jì)開發(fā)工具對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信進(jìn)行建模與仿真，分析MVB網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能。現(xiàn)有模型通常針對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)某方面研究?jī)?nèi)容而建，缺乏通用性；所建模型對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)性能的分析內(nèi)容比較單一而且沒有可視效果，而OMNeT＋＋網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)具有強(qiáng)大完善的圖形界面接口，可以直觀體現(xiàn)MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信過程，同時(shí)具備方便快捷的編程調(diào)試和跟蹤支持等功能。

因此，文中采用OMNeT＋＋網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，建立MVB網(wǎng)絡(luò)模型及過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性計(jì)算模型，并通過分析和測(cè)試MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信的性能來對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 MVB網(wǎng)絡(luò)

MVB總線網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)車廂內(nèi)設(shè)備的連接，其數(shù)據(jù)傳輸速率為1.5Mbit／s，響應(yīng)速度快，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纖。MVB總線上掛接的所有設(shè)備有固定的地址和結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型結(jié)構(gòu)的主從模式。MVB網(wǎng)絡(luò)中在同一工作時(shí)間內(nèi)有一個(gè)總線主設(shè)備（總線管理器），負(fù)責(zé)控制整個(gè)車廂內(nèi)各從設(shè)備對(duì)MVB總線的訪問。IEC61375標(biāo)準(zhǔn)對(duì)MVB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幀格式等技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，現(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹［1］。

1.1 MVB物理層及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MVB總線網(wǎng)絡(luò)物理層結(jié)構(gòu)由一個(gè)或者多個(gè)總線段構(gòu)成，其中總線段包括：電氣短距離介質(zhì)（ESD），在無電氣隔離情況下，20.0m傳輸范圍內(nèi)可支持設(shè)備數(shù)最大為32個(gè)；電氣中距離介質(zhì)（EMD），在200.0m的傳輸范圍內(nèi)，每段可支持設(shè)備數(shù)最大為32個(gè)；光纖介質(zhì)（OGF），通過星耦器匯出，傳輸距離可達(dá)2.0km。

圖1 MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MVB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中各個(gè)總線段經(jīng)由連接不同介質(zhì)的中繼器或者將光纖匯入總線的星耦器兩種方式相互連接。

1.2 MVB的幀格式

MVB總線網(wǎng)絡(luò)有兩種幀格式：一種幀為由MVB總線主設(shè)備（總線管理器）發(fā)出的主幀；另一種幀為響應(yīng)主幀而由源設(shè)備發(fā)出的從幀。如圖2所示。

圖2 主從幀格式

主幀包括：起始分界符、16位幀數(shù)據(jù)及8位校驗(yàn)序列。

從幀包括：始分界符及16、32、64、128或256位幀數(shù)據(jù)組成。

其中在每64個(gè)數(shù)據(jù)位后面附加上一個(gè)8位的校驗(yàn)序列，如果幀數(shù)據(jù)只有16或32位時(shí)，則將一個(gè)8位的校驗(yàn)序列附加在幀數(shù)據(jù)后面。

2 MVB網(wǎng)絡(luò)建模

基于OMNeT＋＋網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)［6］，通過拓?fù)涿枋稣Z言（.ned語言）分別構(gòu)建MVB網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、過程數(shù)據(jù)通信及過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性計(jì)算模型。

2.1 MVB網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)建模

采用拓?fù)涿枋稣Z言的簡(jiǎn)單模塊和復(fù)合模塊建立MVB節(jié)點(diǎn)模型，包括主設(shè)備節(jié)點(diǎn)模型和從設(shè)備節(jié)點(diǎn)模型。其中簡(jiǎn)單模塊包括parameters和gates字段，這部分用C＋＋語言進(jìn)行描述定義。簡(jiǎn)單模塊可以被復(fù)合模塊所嵌套，通過嵌套將MVB網(wǎng)絡(luò)中的總線管理器（主設(shè)備節(jié)點(diǎn)）和車廂內(nèi)各設(shè)備（從設(shè)備節(jié)點(diǎn)）抽象為復(fù)合模塊，進(jìn)行MVB網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的建模［7］。

主從設(shè)備節(jié)點(diǎn)模型如圖3所示。

圖3（a）為主設(shè)備節(jié)點(diǎn)模型，其中包括Data＿Sources、TxS＿0、RxS＿0、Data＿Process0四個(gè)簡(jiǎn)單模塊，其中Data＿Sources簡(jiǎn)單模塊為數(shù)據(jù)源，通過指定的分布函數(shù)發(fā)送事先定義好的周期掃描表中的主幀；RxS＿0為MVB總線接收器，主要負(fù)責(zé)接收MVB總線上的數(shù)據(jù)；TxS＿0為MVB總線發(fā)送器，主要負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)發(fā)送到MVB總線上；Data＿Process0模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。

圖3 主從設(shè)備節(jié)點(diǎn)模型

圖3 （b）為從設(shè)備節(jié)點(diǎn)模型，其中包括MVB總線發(fā)送器TxS＿1，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)發(fā)送到MVB總線上；MVB總線接收器RxS＿1，負(fù)責(zé)接收MVB總線上的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊為Data＿Process1。

2.2 MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模

OMNeT＋＋仿真平臺(tái)的運(yùn)行需要給出MVB網(wǎng)絡(luò)的定義，其中一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)或多個(gè)模塊（可為簡(jiǎn)單模塊或者復(fù)合模塊），各個(gè)模塊之間通過端口（gates）進(jìn)行連接。端口包括輸入和輸出端口，輸入端口負(fù)責(zé)接收消息，輸出端口負(fù)責(zé)發(fā)送消息。MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ腿鐖D4所示。

圖4 MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/p>

圖中包括一個(gè)總線管理器（Bus＿Administrator）、MVB＿Bus和N（N≤32）個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)（slave 0～slave N），這里取N＝7，所有的節(jié)點(diǎn)掛在MVB總線上進(jìn)行通信。

MVB＿Bus網(wǎng)絡(luò)總線在OMNeT＋＋中是通過信道定義描述的，其中包括傳播延時(shí)、數(shù)據(jù)傳送速率及誤比特率等參數(shù)。根據(jù)ICE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，信道進(jìn)行如下定義：

2.3 MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信建模

MVB總線主設(shè)備節(jié)點(diǎn)的Data＿Sources簡(jiǎn)單模塊作為數(shù)據(jù)源，通過指定的分布函數(shù)發(fā)送事先定義好的周期掃描表中的主幀。根據(jù)ICE標(biāo)準(zhǔn)，主幀和響應(yīng)它的從幀之間的時(shí)間間隔應(yīng)小于4ms，為迅速做出響應(yīng)，源設(shè)備準(zhǔn)備好從幀等待發(fā)送。設(shè)備將數(shù)據(jù)存放在被稱為端口的寄存器中。主幀的長(zhǎng)度固定為33位，其中包括4位F代碼，其含義見表1。

MVB過程數(shù)據(jù)通信方式如圖5所示。

MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)主要包括：消息數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、監(jiān)督數(shù)據(jù)，MVB總線網(wǎng)絡(luò)中主要以過程數(shù)據(jù)為主。其中過程數(shù)據(jù)為周期性無確認(rèn)的廣播通信，主要采用主從控制的介質(zhì)訪問方式。

表1 MVB功能代碼表

其控制流程為：MVB總線主設(shè)備（總線管理器）對(duì)整個(gè)MVB總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，MVB總線主設(shè)備發(fā)送主幀，與主幀中地址域相符的源設(shè)備發(fā)送從幀，與主幀中地址域一致的宿設(shè)備接收此從幀［8］。

主從設(shè)備運(yùn)行流程圖如圖6所示。

圖6（a）為主設(shè)備節(jié)點(diǎn)運(yùn)行流程圖。在MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信時(shí)，主設(shè)備節(jié)點(diǎn)根據(jù)周期輪詢表進(jìn)行過程數(shù)據(jù)的傳輸。首先，仿真模型運(yùn)行時(shí)進(jìn)入初始化狀態(tài)，MVB總線主設(shè)備發(fā)送事先定義好的周期掃描表中的主幀，然后進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)MVB總線空閑且輸入數(shù)據(jù)中斷時(shí)，進(jìn)入TxS＿1（發(fā)送器）狀態(tài)，進(jìn)行MVB總線數(shù)據(jù)發(fā)送；如果輸入數(shù)據(jù)中斷到來且MVB總線忙時(shí)，進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)MVB總線空閑再跳入發(fā)送器狀態(tài)；一次輪詢結(jié)束后，然后重新進(jìn)入設(shè)備地址讀取狀態(tài)，進(jìn)行下一次的輪詢。

圖5 MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信方式

圖6 MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信方式

圖6 （b）為從設(shè)備節(jié)點(diǎn)運(yùn)行流程圖，在從設(shè)備中包括兩個(gè)端口：宿端口和源端口。在MVB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行過程數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)，當(dāng)源端口接收到與自己地址域相符的主幀時(shí)，源設(shè)備發(fā)送從幀；當(dāng)宿端口自身地址與主幀數(shù)據(jù)中的地址域相符時(shí)，此從設(shè)備接收源設(shè)備發(fā)出的從幀進(jìn)行響應(yīng)。

2.4 MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性計(jì)算模型

主從設(shè)備節(jié)點(diǎn)端到端的傳輸延時(shí)包括［9］：過程數(shù)據(jù)幀在端口發(fā)送寄存器的編碼延時(shí)Tc、介質(zhì)傳輸延時(shí)Tt、發(fā)送過程數(shù)據(jù)幀延時(shí)Ts、接收過程數(shù)據(jù)幀延時(shí)Tr、中繼器延時(shí)Tre、數(shù)據(jù)處理延時(shí)Tp，則MVB總線完成一次端到端的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)如圖7所示。

圖7 MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)端到端傳輸延時(shí)

由于過程數(shù)據(jù)報(bào)文處理延時(shí)Tp與設(shè)備處理器延時(shí)有關(guān)，在分析MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)延時(shí)可暫時(shí)不考慮。則過程數(shù)據(jù)幀傳輸延時(shí)T＿delay可表示為發(fā)送寄存器中數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，通過發(fā)送器發(fā)送到MVB總線到達(dá)從設(shè)備節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接收器接收數(shù)據(jù)幀并進(jìn)行解碼所用的時(shí)間，即：

設(shè)報(bào)文長(zhǎng)度為L(zhǎng)jbit，MVB網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率為v（bit／s），由圖2可知，MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)分為33、49、81、153和297bit 5種格式，通過數(shù)據(jù)幀度與傳輸速率之比可確定數(shù)據(jù)幀發(fā)送延時(shí)Ts、數(shù)據(jù)幀接收延時(shí)Tr；MVB通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)均是雙絞線，傳輸延時(shí)Tt為傳輸距離l與傳輸速率之比；設(shè)備間中繼器個(gè)數(shù)為i個(gè)（T＿reply＿def的值為42.7μs，限定了中繼器個(gè)數(shù)i≤4），則中繼器延時(shí)為iTre；過程數(shù)據(jù)解碼延時(shí)Td受解碼方式及解碼數(shù)據(jù)幀的格式的約束；由于過程數(shù)據(jù)主幀是在周期掃描表中事先定義好的及過程數(shù)據(jù)從幀已存放在源端口等待發(fā)送，則數(shù)據(jù)編碼延時(shí)Tc可以忽略不計(jì)。

MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)采用主從輪詢介質(zhì)訪問控制方式，MVB總線完成一次過程數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)包括：

1）主設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)送主幀依次輪詢各從節(jié)點(diǎn)的時(shí)間Tmaster；

2）經(jīng)過對(duì)比與主幀中地址字段相同的從設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同數(shù)據(jù)格式的響應(yīng)從幀時(shí)間Tslave。當(dāng)主設(shè)備對(duì)從設(shè)備進(jìn)行輪詢時(shí)：

當(dāng)源設(shè)備對(duì)所有端口為宿的從設(shè)備進(jìn)行輪詢時(shí)：

通過聯(lián)立式（1）、（2）、（3）得出MVB總線完成一次報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間為：

式中：l′——源設(shè)備發(fā)出的從幀傳輸?shù)钠骄嚯x；

l——主幀傳輸?shù)钠骄嚯x；

L——主幀長(zhǎng)度；

Li——分別代表5種從幀格式長(zhǎng)度，i＝1，2，…，5。

3 仿真分析與測(cè)試

基于OMNeT＋＋網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)創(chuàng)建MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信仿真模型，其中包括一個(gè)總線管理器（Bus＿Administrator）、MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸總線MVB＿Bus和8個(gè)從設(shè)備節(jié)點(diǎn)（slave 0～slave 7），所有節(jié)點(diǎn)掛接在總線MVB＿Bus上進(jìn)行過程數(shù)據(jù)通信。根據(jù)ICE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)置配置仿真環(huán)境文件omnetpp.ini的參數(shù)值，其中包括MVB總線傳輸速率為1.5Mbit／s，數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的時(shí)間間隔為650μs，信道傳輸延時(shí)設(shè)置為10μs，其它值設(shè)置為默認(rèn)值，對(duì)所建立的MVB模型在信道利用率和實(shí)時(shí)性方面進(jìn)行分析和測(cè)試。

首先，對(duì)MVB模型的信道利用率進(jìn)行分析和測(cè)試，如圖8所示。

圖8 MVB網(wǎng)絡(luò)信道利用率

從圖中可以看出，MVB總線在不同的傳輸速率時(shí)，MVB模型的信道利用率是不同的，通過設(shè)置0.5、1.0、1.5Mbit／s不同的信道傳輸速率，得到其對(duì)應(yīng)信道利用率約為：42.7%、59.6%、75.3%。測(cè)試結(jié)果符合ICE標(biāo)準(zhǔn)，從而驗(yàn)證了所建模型的正確性。

對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)模型的實(shí)時(shí)性進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 MVB網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性

從圖中可以看出，通信過程中的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)約為3.5ms，而ICE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求主幀與響應(yīng)它的從幀間的間隔小于4ms，進(jìn)一步說明了所建模型的可行性。

4 結(jié) 語

基于OMNeT＋＋仿真平臺(tái)，建立了MVB網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)、拓?fù)?、信道等模型，詳?xì)介紹了基于模型的主從設(shè)備通信機(jī)制以及過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性計(jì)算模型?；贛VB網(wǎng)絡(luò)及實(shí)時(shí)性計(jì)算模型對(duì)MVB網(wǎng)絡(luò)過程數(shù)據(jù)通信的信道利用率以及實(shí)時(shí)性等進(jìn)行了測(cè)試和分析，結(jié)果表明，所建立MVB網(wǎng)絡(luò)模型能夠達(dá)到ICE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，從而證明了模型的合理性和正確性，為進(jìn)一步研究提高M(jìn)VB網(wǎng)絡(luò)信道的利用率、改善網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性等多方面內(nèi)容提供了基礎(chǔ)。

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